Wärmewiderstand von Halbleiterschaltern Mit Datenblättern arbeiten

Beim Design leistungsfähiger Halbleitersysteme kommt es auf ein ­gutes Wärmemanagement an. Dieses ist nur möglich, wenn die ­thermischen Eigenschaften der verwendeten Halbleiterbausteine ­bekannt sind und die Wärmeparameter in den Datenblättern richtig ­interpretiert werden.

Während die Halbleiterindustrie insgesamt große Fortschritte dabei erzielt hat, den Wirkungsgrad von Bauelementen und Systemen nach oben zu treiben und den Leistungsbedarf zu senken, beruhen integrierte Schaltungen nach wie vor überwiegend auf transistorbasierten Halbleiterschaltern. Das Prinzip eines solchen Schaltbausteins besteht darin, dass er einen Strom durchleitet und dabei eine Spannung entsteht. Der Strom trifft also auf einen Widerstand.

Überall, wo ein Strom einen Leiter mit Widerstand durchfließt, treten Verluste auf. Die meisten Verluste werden als Wärme abgegeben. Wenn diese Wärme nicht kontrolliert abgeleitet wird, ist es möglich, dass es zu einem Ausfall oder einer Fehlfunktion des Bausteins kommen.

Deshalb kann die Beseitigung unerwünschter Wärme in integrierten Schaltungen wesentliche Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit und das Design eines Halbleitersystems haben – gerade auch in der Leistungselektronik. Zur Entwicklung einer effizienten Kühlung ist es unerlässlich, die vom Hersteller zu den Halbleiterbausteinen zur Verfügung gestellten thermischen Daten zu verstehen und richtig zu interpretieren.

Ein grundlegendes Verständnis der Leistungsfähigkeit von Halbleiterschaltern in Abhängigkeit vom Wärmemanagement ist Voraussetzung für die Produktentwicklung. Doch dabei genügt es nicht immer, einfach einen Lüfter oder einen Kühlkörper hinzuzufügen.Auch der Wärmefluss in einem Leiter ist unweigerlich an einen Widerstand gekoppelt.

Der Wärmewiderstand lässt sich auf ähnliche Weise wie der Stromfluss berechnen. Dabei müssen die einzelnen Wärmewiderstände der Materialien zwischen dem Punkt der Wärmeerzeugung und dem letztend­lichen Verteilungspunkt berücksichtigt werden.

Stromfluss und Wärmewiderstand

Generell kann Wärme auf drei Arten abgeführt werden: durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Davon ist, zumindest bei einem Halbleiter, die Wärmeabführung durch Leitung am bedeutendsten. Denn dadurch wird beschrieben, wie Wärme miteinander in Kontakt stehende Materialien durchströmt.

Also zum Beispiel: Die an der Sperrschicht des Transistors erzeugte Wärme wird durch das Substrat zum Gehäuserahmen geleitet und dann weiter zu dem mit dem Gehäuse verbundenen Kühlkörper.

Die Wärmeabfuhr über Konvektion ist definiert als der Wärmeabtransport vom Festkörpermaterial über ein Gas oder eine Flüssigkeit und von dort an die Umgebungsatmosphäre. In den meisten Systemen ist die Konvektion die zweitwichtigste Art der Wärmeabführung.

Die Wärmeabführung über Strahlung in Elektroniksystemen ist meist nicht effizient durchführbar und wird vernachlässigt. Denn sie hängt von vielen Variablen ab, beispielsweise von der Nähe und Masse anderer Festkörper ebenso wie von der Umgebungstemperatur.

In der Praxis können Halbleiterhersteller davon ausgehen, dass die Wärmeabfuhr in erster Linie durch Leitung erfolgt. Deshalb genügt es, diese entsprechend den Informationen in den Datenblättern bereitzustellen. Dies erfolgt im Normalfall in Form des Wärmewiderstands zwischen Sperrschicht und Umgebung Rth(JA) sowie einer absoluten maximalen Sperrschichttemperatur Tj.

Aus diesen Werten lässt sich die maximale Leistung Pmax errechnen, die der Baustein sicher verkraftet, ohne dass es zur Selbstzerstörung kommt.Die Berechnung mag einfach erscheinen – vorausgesetzt die Wärmewiderstände der verwendeten Materialien (vom Substrat zur Leiterplatte) sind dem Hersteller bekannt.

Möglicherweise sind auch Wärmewiderstands-Parameter bekannt, zum Beispiel der Widerstand von Sperrschicht zu Gehäuse Rth(JC) oder von Sperrschicht zu Anschluss Rth(JL). In der Praxis ist die Berechnung jedoch häufig komplizierter als das bloße Aufsummieren der unterschiedlichen thermischen Widerstände.  

Weg des geringsten Widerstands?

Während ein elektrischer Strom einem definierten Pfad folgt, tritt Wärme auf jedem nur erdenklichen Weg aus einem Material aus. Bei einem Halbleitergehäuse gibt es eine Vielzahl von Wegen. Jeder Weg hat seinen eigenen Wärmewiderstand, dessen Wert sich durch Größe, Form und Wärmeleitfähigkeit des Pfads ergibt.

Folglich sind die in einem Datenblatt aufgeführten Wärmewiderstandswerte jeweils nur für einen spezifischen Punkt auf dem Gehäuse anwendbar. Darüber hinaus hängen die Werte von der Genauigkeit der durchgeführten Temperaturmessung ab. Selbst bei Verwendung von hochgenauen Temperaturmessmethoden wie der kontaktlosen Infrarotmessung ist eine genaue Ablesung schwierig und bis zu einem gewissen Grad subjektiv.

Im Bestreben, die Art und Weise, wie Wärmewiderstandsmessungen durchgeführt und festgehalten werden, zu standardisieren, führte die JEDEC die Norm JESD51-12 ein. Sie verfolgt zwei Hauptziele: Einerseits soll die Art, wie Anbieter die Informationen zum Wärmewiderstand von Gehäusen und Halbleiterbausteinen deklarieren, standardisiert werden.

Andererseits soll es Endverbrauchern erleichtert werden, die Informationen richtig zu verstehen, zu interpretieren und anzuwenden. Zu diesem Zweck wurden zwei Methoden zur Bestimmung von Rth(JC) und Rth(JL) definiert, die eine herstellerübergreifende Konsistenz gewährleisten sollen.

Die erste Methode dient zur Bestimmung des Wärmewiderstands zwischen zwei Punkten eines Wärmeflusspfads. Dabei ist ein Punkt die Sperrschicht und der zweite ein zufälliger Punkt auf dem Gehäuse, beispielsweise Oberseite, Gehäuseseite oder Lötpunkt.

Rth(JX_θ)=(Tj–Tx)/P          (1)

Wichtig: Die Methode setzt voraus, dass ein geeigneter Kühlkörper am Messpunkt befestigt ist, der Ursache dafür ist, dass die gesamte Verlustleistung zu diesem Punkt fließt, sodass andere Pfade vernachlässigt werden dürfen.

Da der betrachtete Pfad den Hauptpfad darstellt, leitet er nahezu den gesamten Wärmefluss ab. Der berechnete Widerstandswert ist absolut und wird nicht durch die Menge der abgeleiteten Leistung oder andere physikalische Eigenschaften beeinflusst (wie beispielsweise die Leiterplatte, auf der der Baustein montiert ist).

Allerdings wird der Wert durch das Gehäuse beeinflusst. Deshalb kann er zum Vergleich der Wärmeleistung von Bausteinen mit unterschiedlichen Gehäusen verwendet werden. Diodes setzt diese Methode bei der Definition von Rth(JL) für die Datenblätter ein.

Die zweite Methode liefert einen Parameter zur thermischen Charakterisierung anstelle des Wärmewiderstands. Dazu wird am Messpunkt kein Kühlkörper befestigt. Der Parameter wird folglich durch die Gesamtverlustleistung beeinflusst. Diesen geminderten Wert für Rth(JC) erhält man durch Gleichung (2). Der Parameter wird mit Ψth(JC) bezeichnet. Diodes nutzt diese Methode zur Berechnung von Rth(JC) für die Datenblätter.

Rth(JX_Ψ)=(Tj–Tx)/P         (2)