Temperaturanstieg bei SMD-Bausteinen abschätzen

Früher war es für den Entwickler relativ einfach, den Temperaturanstieg bei Halbleitern abzuschätzen: Man brauchte sich nur anzusehen, wie viel Leistung ein Bauelement in Wärme umwandelte, und konnte dann über das elektrische Ersatzschaltbild des Wärmestroms ermitteln, welcher Kühlkörper nötig war. Das ist heute weitaus komplexer.

Bei modernen Baugruppen ist man aus Platz- und Kostengründen bestrebt, den Einsatz von Kühlkörpern zu vermeiden. Sind Halbleiter in thermisch optimierten Gehäusen untergebracht, muss die Leiterplatte die Funktion des Kühlkörpers übernehmen und die gesamte erzeugte Wärme abführen.

 Bild 1: Die Wärme breitet sich seitlich aus und wird dann von der Leiterplattenoberfläche an die Umgebung abgegeben
Bild 1: Die Wärme breitet sich seitlich aus und wird dann von der Leiterplattenoberfläche an die Umgebung abgegeben

Wie Bild 1 zeigt, strömt die Wärme durch eine metallische Kühlfahne und das Gehäuse in die Leiterplatte. Anschließend wird sie seitlich über die Leiterbahnen weitergeleitet und dann durch natürliche Konvektion von der Leiterplattenoberfläche an die Umgebungsluft abgegeben. Die für den Temperaturanstieg des Halbleiterchips entscheidenden Faktoren sind die Menge des in der Leiterplatte enthaltenen Kupfers und die Größe der Fläche, die für den konvektiven Wärmeübergang zur Verfügung steht.

In den Datenblättern von Halbleiterbauelementen wird üblicherweise ein Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Umgebung angegeben, der für eine bestimmte Leiterplattenkonfiguration gilt. Der Entwickler müsste somit nur die Verlustleistung mit diesem Wärmewiderstand multiplizieren, um den Temperaturanstieg zu berechnen. Problematisch wird die Sache aber, wenn das Design nicht der vorgegebenen Konfiguration entspricht oder der Wärmewiderstand weiter verringert werden muss.

 Bild 2: Das elektrische Ersatzschaltbild für den Wärmestrom vereinfacht das Abschätzen des Temperaturanstiegs
Bild 2: Das elektrische Ersatzschaltbild für den Wärmestrom vereinfacht das Abschätzen des Temperaturanstiegs

Bild 2 zeigt zur Veranschaulichung ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild für die Problematik des Wärmestroms. Die im IC umgesetzte Leistung wird hier durch eine Stromquelle repräsentiert, und die Wärmewiderstände sind als elektrische Widerstände dargestellt. Diese Schaltung lässt sich nach den Spannungen auflösen, die die Ersatzgrößen für die Temperaturen bilden.

Die Ersatzschaltung enthält den Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Montagefläche und anschließend eine Kettenschaltung aus den zur Seite hin durch die Leiterplatte hindurch wirksamen Widerständen (RL1, RL2, RL3) sowie aus den Widerständen von der Leiterplattenoberfläche zur Umgebung (RSA1, RSA2). Bei diesem Modell wird davon ausgegangen, dass 1) die Leiterplatte vertikal eingebaut wird, dass 2) keine Kühlung durch Zwangskonvektion oder Wärmestrahlung erfolgt, sondern die gesamte Wärme durch das Kupfer innerhalb der Leiterplatte abgeführt wird, und dass 3) zwischen den beiden Leiterplattenseiten nur ein geringer Temperaturunterschied besteht.

 Bild 3: Die Chiptemperaturen lassen sich maßgeblich senken, wenn die Dicke der Leiterbahnen erhöht wird
Bild 3: Die Chiptemperaturen lassen sich maßgeblich senken, wenn die Dicke der Leiterbahnen erhöht wird

Bild 3 zeigt, wie sich der Wärmewiderstand bei Erhöhung der Kupfermenge in der Leiterplatte verbessert. So ist eine Verbesserung um den Faktor 3 möglich, wenn statt einer 1,4-milli-inch-Kupferbeschichtung (doppelseitig, Leiterbahndicke 17,5 µm ) eine 8,4-milli-inch-Beschichtung (vierlagig, Leiterbahndicke 52,5 µm ) verwendet wird (1 milli-inch = 25,4 µm). Die blaue Kurve gibt die Verhältnisse für ein kleines Gehäuse an, bei dem sich die in die Leiterplatte abgeführte Wärme auf eine Fläche von 0,2 Zoll (0,508 cm; 1 Zoll = 2,54 cm) verteilt, während die rote Kurve für ein größeres Bauteil gilt, bei dem die Wärme auf eine Fläche von 0,4 Zoll (1,016 cm) übergeht.

Beide Fälle beziehen sich auf eine neun Quadratzoll (522,6 cm2) große Leiterplatte. Diese Kurven korrelieren recht gut mit veröffentlichten Daten und können bei der Beantwortung der Frage helfen, wie sich die thermischen Verhältnisse ändern, wenn die Leiterplatte anders aufgebaut ist als dies im Datenblatt vorausgesetzt wird. Allerdings sind diese Informationen mit Vorsicht zu genießen. Es wird nämlich vorausgesetzt, dass innerhalb der neun Quadratzoll der Leiterplatte keine andere Wärmeabfuhr erfolgt, was in der Praxis möglicherweise nicht der Fall ist.

Literatur
1) Kollman, R.: „Power Supply Layout Considerations“, TI Unitrode Power Supply Seminar, SEM1600, Topic 4, 2004-5: http://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=SEM405006

2) Kummerl, S.: „Power Pad Thermally Enhanced Package – SLMA002D“, Texas Instruments, Oktober 2008: http://focus.ti.com/lit/an/slma002g/slma002g.pdf
Von
Robert Kollman, Texas Instruments.

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