Wärmewiderstand von Halbleiterschaltern Mit Datenblättern arbeiten

Keine Idealbedingungen

Die Datenblattwerte werden normalerweise unter bestimmten definierten Bedingungen berechnet, die nicht immer die Betriebsbedingungen widerspiegeln. In der Praxis sind die Halbleiterbausteine auf der Leiterplatte nahe beieinander platziert.

Außerdem kann das Gehäuse des betrachteten Bausteins mit demselben Kühlkörpermaterial verbunden sein, das für die Berechnung der Datenblattwerte verwendet wurde – oder auch nicht. Dies erschwert die Verwendung von Rth(JL), Rth(JC) oder Ψth(JC) zur genauen Berechnung der Sperrschichttemperatur Tj.

Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur

Es ist ein verbreiteter Fehler, Rth(JL) und Rth(JC) als vom Kühlkörper und von der Betriebs-Sperrschichttemperatur Tj unabhängige Werte zu behandeln. Die Bilder 1 bis 3 zeigen, wie unterschiedlich die Werte für die Wärmewiderstände sein können – und zwar für einen Halbleiterschalter auf zwei unterschiedlichen Platinen: einmal auf einer Aluminiumplatine der Größe 5,08 cm x 5,08 cm (2 Zoll x 2 Zoll) und einmal mit dem vom Hersteller empfohlenen Pad-(MRP-)Layout.

Der in Bild 2 dargestellte Pfad-Widerstand von Sperrschicht zum Anschluss wurde unter Einsatz der JESD51-12-Methode 1 berechnet. Er zeigt eindeutig die Auswirkung eines Kühlkörpers, der Abweichungen von einem perfekten Kühlkörper aufweist. Das ist wesentlich, weil es in der Praxis niemals einen perfekten Kühlkörper gibt, wie den, der vom Hersteller zur Berechnung dieses Widerstandswerts herangezogen wurde. 

Demzufolge ist der Wert vor allem zum Vergleich der Wärmeleitfähigkeit von Baustein-Gehäuserahmen geeignet, wenn gleiche Bausteine in verschiedenen Gehäusen evaluiert werden, oder solche von verschiedenen Herstellern.

Bild 1 stellt mit der Ψth(JC)-Kurve die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Messpunkt auf dem Gehäuse in Abhängigkeit von Tj dar. Wie schon bemerkt ist Ψth(JC) lediglich ein Wärmeparameter (nicht der Wärmewiderstand).

Deshalb eignet sich dieser Wert besonders zum Vergleich der Unterschiede von Gehäuserahmen von Halbleiterschaltern, die sich in unterschiedlichen Gehäusen befinden und eventuell sogar von verschiedenen Herstellern stammen. Es ist eine Erklärung angebracht, weshalb dieser Wert abfällt, wenn die Sperrschichttemperatur ansteigt.

Das ist vorwiegend auf den Effekt der Konvektion zurückzuführen, der durch ein Aufheizen der Luft rund um den Baustein und anschließende Luftbewegung verursacht wird – ein Effekt, der selbst bei Windstille auftreten würde. Da Ψth(JC) im Vergleich zu den gemessenen Wärmewiderstandswerten klein ist, erscheint die Reduktion vielleicht signifikanter als sie in Wirklichkeit ist.

Allerdings sollte der Parameter wegen dieses Phänomens bei der Berechnung der Sperrschichttemperatur unter Betriebsbedingungen nicht ausschließlich eingesetzt werden. Umgekehrt fällt, weil Ψth(JC) generell klein ist, jeder Fehler in den Berechnungen ebenfalls klein aus.