Wärmeableitungsmechanismus

Eine der wichtigen Funktionen von Gehäusen ist es, die von den Halbleiterbauelementen, die sie beherbergen, erzeugte Wärme abzuleiten.

Die Wärmeerzeugung wirkt sich auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung aus.

Wärme wird erzeugt, wenn ein Strom durch einen Widerstand in einer elektrischen Schaltung fließt.

Ein Halbleiterbauelement kann als eine Art Widerstand betrachtet werden, der beim Durchfließen von Strom Wärme im Verhältnis zum EIN-Widerstand (Innenwiderstand, wenn ein Strom durch das Bauelement fließt) erzeugt.

Wärme kann sowohl das Halbleiterbauelement selbst als auch das elektronische System, das dieses Bauelement verwendet, nachteilig beeinflussen. Insbesondere kann sie die Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit ernsthaft beeinträchtigen.

Übermäßige Wärme, die durch eine schlechte Wärmeableitung verursacht wird, kann zu Rauchentwicklung oder Feuer führen und die Leistung des Bauelements beeinträchtigen, z. B. durch Verlangsamung seiner Betriebsgeschwindigkeit, und im schlimmsten Fall das Bauelement beschädigen oder es funktionsunfähig machen. Selbst wenn der schlimmste Fall vermieden werden kann, wird die Zuverlässigkeit durch Gerätefehlfunktionen und eine kürzere Lebensdauer des Systems beeinträchtigt.

Um diese negativen Auswirkungen zu vermeiden, ist das thermische Design von Halbleitergehäusen von entscheidender Bedeutung.

Wärme wird auf drei Arten abgegeben: durch Leitung, Konvektion und Strahlung.

Wärme wird auf drei Arten übertragen: durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Die folgende Abbildung zeigt, wie die Wärme von der Quelle (d.h. dem Chip) bis zum endgültigen Ziel, der Atmosphäre, fließt, und zwar im Kontext einer tatsächlichen Betriebsumgebung, die eine Leiterplatte (PWB) und eine Atmosphäre umfasst.

Abbildung 1 Wärmeableitungspfade und Ursachen des Wärmewiderstands

Die Wärmeableitung erfolgt hauptsächlich über die Leiterplatte.

Da die Wärmestrahlung nur dann wirksam ist, wenn die Gehäuseoberfläche groß genug ist, tragen die folgenden drei Pfade, die im Diagramm unten dargestellt sind, am meisten zur Wärmeableitung bei.

• Konvektion von der Oberseite des Gehäuses in die Atmosphäre
• Konduktion von den externen Pins/Balls zur Leiterplatte und dann Konvektion in die Atmosphäre
• Konvektion von den Seiten des Gehäuses in die Atmosphäre

Abbildung 2 Wärmestrompfade

Von diesen drei Wegen, ist der Weg der Wärmeabgabe über den Kanal der effektivste und macht nach einigen Berechnungen 80 % der gesamten Wärmeabgabe aus. Tatsächliche Analysen der Wärmeableitung zeigen, dass 90 % der Wärme über die abgeleitet wird, wenn ein 352-Pin-PBGA auf einem 4-Layer montiert ist, und nur 10 % der Wärme von der Gehäuseoberfläche abgeleitet wird.

Definitionen von Wärmewiderständen und thermischen Kenngrößen für IC

Messmethoden und die Definitionen von Wärmewiderständen sind unten auf der Grundlage von JEDEC-Spezifikationen dargestellt.

Abbildung 3 Definitionen von Wärmewiderständen und thermischen Kenngrößen

θja ist ein Wärmewiderstand zwischen der Sperrschichttemperatur eines Chips und der Umgebungstemperatur, wenn ein Gehäuse auf einer Leiterplatte montiert ist. Natürliche Konvektion oder erzwungene Konvektion gelten für die Messbedingungen. θja wird verwendet, um die thermische Leistung zwischen verschiedenen Gehäusen zu vergleichen.

Ψjt ist ein thermischer Charakterisierungsparameter in Bezug auf die Gesamtleistungsaufnahme (P) eines Bauelements, der einen Temperaturunterschied zwischen den Übergängen eines Chips (Tj) und der Mitte einer Gehäuseoberseite (Tt) angibt. Ψjb ist ein thermischer Charakterisierungsparameter in Bezug auf die Gesamtleistungsaufnahme (P) eines Bauelements, der einen Temperaturunterschied zwischen den Verbindungsstellen eines Chips (Tj) und der Leiterplatte in der Nähe des Gehäuses (Tb) angibt. Ψjt undΨjb werden verwendet, um Tj aus P, Tt und Tb zu schätzen

θjc ist der Wärmewiderstand zwischen Tj und der Gehäuseoberflächentemperatur (Tc), wenn die gesamte Wärme von den Verbindungsstellen zur oberen Gehäuseoberfläche fließt. θjc wird hauptsächlich im Zwei-Resister-Modell verwendet, um Tj abzuschätzen, wenn die meiste Wärme von den Verbindungsstellen zur oberen Gehäuseoberfläche fließt. θjb ist der thermische Widerstand zwischen Tj und Tb, wenn die gesamte Wärme von den Verbindungsstellen zur Leiterplatte fließt. θjb wird für das Zwei-Resister-Modell verwendet.

Referenz: JEDEC JESD51

Hinweise:

• Wärmewiderstände und thermische Charakterisierungsparameter hängen wesentlich von den Umgebungsbedingungen ab.
• Aus diesem Grund spezifiziert JEDEC die vorgesehenen Umgebungsbedingungen, um jeden Wärmewiderstand zu bestimmen.
• Der thermische Entwurf eines Systems muss auf der Grundlage der Einsatzbedingungen erfolgen.
• Insbesondere kann θjc im Hinblick auf die Einsatzbedingungen, wie z. B. die Kühlkörperkapazität, überschätzt werden.

Definitionen von Wärmewiderständen für diskrete Bauelemente

Transiente Wärmewiderstände sind neben den stationären Wärmewiderständen für diskrete Bauelemente und Leistungsbauelemente aufgrund ihrer höheren Wärmeabgabe entscheidend.

Definition der thermischen Parameter für diskrete Bauelemente

	Symbol	Beschreibung
Nennleistung	PT oder Pch	PT oder Pch ist eine Obergrenze der Leistung, die für ein einzelnes Gerät gilt, Sie wird hauptsächlich durch die Wärmeabgabefähigkeit bestimmt.
	TC oder Tc	TC oder Tc ist eine Temperatur am Mittelpunkt der Bodenfläche eines Gehäuses oder an der Wurzel der Leitung für Drain. *: C oder c: Gehäuse
	TA oder Ta	TA oder Ta ist eine Umgebungstemperatur *: A oder a: ambient
Rated temperature	Tch(max)	Tch(max) ist eine obere Grenztemperatur eines Kanals (Chip) eines MOSFET. Normalerweise wird sie mit
	Tstg	Tstg ist ein zulässiger Temperaturbereich bei der Lagerung von MOSFET-Bauteilen oder einem Modul oder Bauteilen, die MOSFET enthalten.
Transienter Wärmewiderstand	rth(t)	rth(t) ist eine reziproke Zahl der Wärmeleitfähigkeit der Verlustleistung bei Rechteckimpuls-Stromversorgung.
Wärmewiderstand im stationären Zustand	Rth(ch-C) oder θch-c	Rth(ch-C) oder θch-c ist der Wärmewiderstand zwischen Kanälen und Gehäuse.
	Rth(ch-A) oder θth	Rth(ch-A) oder θth ist der Wärmewiderstand zwischen den Kanälen und der Umgebungstemperatur.
	Rth(ch-C) oder Rth(ch-A) kann aus der absoluten Maximalleistung, PT und Tch(max), nach der folgenden Formel berechnet werden. *: Das Symbol kann je nach Produkt variieren.

Abbildung 4 Definition der thermischen Parameter für diskrete Geräte