Sperrschichttemperatur eines Halbleiters

Was beschreibt diese Größe?

Im stationären, thermisch eingeschwungenen Betrieb muss die im Bauteil erzeugte Verlustleistung P über den thermischen Widerstand RthJA vollständig an die Umgebung abgeführt werden. Daraus ergibt sich die Sperrschichttemperatur Tj = Ta + P·RthJA, wobei Ta die Umgebungstemperatur ist. RthJA fasst dabei den gesamten Wärmepfad von der Sperrschicht bis zur Umgebung zusammen: Chip, Gehäuse, Lötstellen, Platine und Luftströmung.

Man kann sich den Wärmefluss wie einen elektrischen Stromkreis vorstellen: Die Verlustleistung P entspricht einem Strom, der thermische Widerstand RthJA einem elektrischen Widerstand, und die Temperaturdifferenz (Tj − Ta) der Spannung darüber – genau wie U = I·R im elektrischen Fall gilt hier ΔT = P·RthJA im thermischen Fall.

Formel und Variablen

Tj = Ta + P · RthJA

• Tj = Ta + P · RthJA
• P = (Tj − Ta) / RthJA
• RthJA = (Tj − Ta) / P

Eingaben richtig wählen

Verlustleistung P, Umgebungstemperatur Ta und thermischer Widerstand RthJA bestimmen die Sperrschichttemperatur; die zusätzlich angegebene maximal zulässige Sperrschichttemperatur Tjmax erlaubt die Bewertung der verbleibenden thermischen Reserve. RthJA ist stark von der konkreten Platine (Kupferfläche, Lagenzahl), dem Gehäuse und der Luftströmung abhängig und sollte, wo möglich, aus einer für die eigene Anwendung repräsentativen Messung oder Simulation stammen, nicht nur aus dem pauschalen Datenblattwert für die genormte Testplatine.

So benutzt du den Rechner

Wähle die gesuchte Größe. Für die Sperrschichttemperatur gibst du Verlustleistung, Umgebungstemperatur und thermischen Widerstand ein. Um umgekehrt die maximal zulässige Verlustleistung bei gegebener Umgebungstemperatur zu bestimmen, setze Tj auf den Wert von Tjmax und wähle P als Zielgröße.

Schritt-für-Schritt-Beispiel

Bei 50 °C Umgebungstemperatur, 2 W Verlustleistung und RthJA = 40 K/W ergibt sich Tj = 50 °C + 2 W · 40 K/W = 130 °C.

Ergebnis und Einheiten verstehen

Bei einer typischen maximal zulässigen Sperrschichttemperatur von 150 °C für Silizium-Bauteile verbleiben in diesem Beispiel noch 20 K thermische Reserve – ausreichend Abstand für kurzfristige Lastspitzen, aber ohne große zusätzliche Sicherheit bei höherer Umgebungstemperatur oder verschlechterter Kühlung.

Temperaturen werden in °C angegeben, Verlustleistung in W und thermischer Widerstand in K/W; eine Temperaturdifferenz von 1 K entspricht dabei exakt 1 °C Differenz.

RthJA, RthJC und RthCA – was ist der Unterschied?

RthJC beschreibt den thermischen Widerstand von der Sperrschicht bis zum Gehäuse und ist unabhängig von Kühlkörper oder Platine eine feste Bauteileigenschaft. RthCA beschreibt den Widerstand vom Gehäuse zur Umgebung und hängt vom eingesetzten Kühlkörper, der Wärmeleitpaste und der Luftströmung ab. RthJA, der in diesem Rechner verwendete Gesamtwiderstand, ist näherungsweise die Summe aus RthJC und RthCA und deshalb stark von der konkreten Kühllösung abhängig – ein für eine Standard-Testplatine ohne Kühlkörper angegebener RthJA-Wert lässt sich nicht unverändert auf eine Anwendung mit Kühlkörper übertragen; dort sollte stattdessen mit RthJC gerechnet und RthCA für den tatsächlichen Kühlkörper separat bestimmt werden.

Typische Anwendungen

Die Beziehung wird zur Auswahl von Gehäusebauform und Kühlkörper, zur Festlegung der maximal zulässigen Dauerlast eines Bauteils bei gegebener Umgebungstemperatur und zur Bewertung verwendet, ob eine Schaltung ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen im spezifizierten Temperaturbereich sicher betrieben werden kann.

Annahmen, Grenzen und typische Fehler

Das Modell gilt für den stationären, thermisch eingeschwungenen Zustand bei konstanter Verlustleistung. Thermische Transienten – etwa kurze Lastimpulse, bei denen die thermische Masse des Bauteils die Erwärmung verzögert – werden hier nicht abgebildet; dafür ist die transiente thermische Impedanz Zth(t) aus dem Datenblatt erforderlich. RthJA ist zudem keine reine Bauteilkonstante, sondern hängt stark von der Leiterplattenausführung, Kupferanbindung und Luftströmung ab; aktuelle Halbleiterhersteller unterscheiden zusätzlich zwischen RthJC (Sperrschicht zu Gehäuse, unabhängig vom Kühlkörper) und RthCA beziehungsweise RthJA (Gehäuse beziehungsweise Sperrschicht zur Umgebung, stark von Kühlkörper und Platine abhängig).

Typischer Fehler: Ein häufiger Fehler ist, den RthJA-Wert aus dem Datenblatt unabhängig von der tatsächlichen Platine zu übernehmen, obwohl dieser Wert meist nur für eine genormte JEDEC-Testplatine gilt und bei abweichender Kupferfläche stark abweichen kann. Ebenso wird die stationäre Formel manchmal auf kurze, gepulste Lasten angewendet, für die stattdessen die transiente thermische Impedanz herangezogen werden muss, da die tatsächliche Spitzentemperatur dort niedriger als der hier berechnete stationäre Wert ausfällt.