Управление тепловыми режимами

 

Андрей Пересадин, инженер

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» №5-2026.

Избыточный нагрев электроники является одной из основных причин преждевременного выхода компонентов из строя. Увеличение плотности мощности в современных широкозонных (WBG) и сверхширокозонных (UWBG) полупроводниках требует оптимизации теплового управления кристаллом. Хотя корпус играет в этом управлении ключевую роль, усовершенствования на уровне кристалла не менее важны для полноценного использования преимуществ устройств. В этой статье обсуждаются некоторые ключевые аспекты оптимизации тепловых режимов на примерах в зависимости от разных условий эксплуатации.

 

Теплопроводность силового полупроводника

Тепловые характеристики силового устройства или модуля часто ограничивают общую стоимость, размер и производительность системы преобразования энергии. Теплопроводность k полупроводника, измеряемая в Вт/(м∙К), является фундаментальным свойством материала, которое зависит не только от характеристик материала, но и от его легирования, деформации или напряжения, а также ориентации кристалла.

Кроме того, существенное влияние могут оказывать межфазные эффекты между соседними слоями. В [1] исследуется, как взаимодействие между полупроводником, его кристаллом разной толщины и теплоотводом сказывается на повышении температуры перехода T_j устройства.

Температура перехода, а также ее колебания в функционирующем приложении определяют производительность устройства, надежность и срок службы (рис. 1).

Рис. 1. Максимальное повышение температуры устройства в зависимости от теплопроводности силовых полупроводников

 

Поскольку более высокая температура перехода ухудшает такие ключевые параметры, как сопротивление в открытом состоянии R_DS(on), утечка и срок службы устройства, в технических характеристиках задается верхний температурный предел, например 125°C.

Температура перехода полупроводников с приемлемыми значениями k, например алмаза и карбида кремния, повышается в очень небольшой степени. На их характеристиках имеется излом между значениями k в диапазоне от 150 Вт/(м∙К) (Si) до 400 Вт/(м∙К) (SiC). Материалы с низкой теплопроводностью, к которым относится сверхширокополосный оксид галлия, температура перехода повышается заметно. Такая значительная зависимость может нивелировать любые другие преимущества материала. Во избежание этого нежелательного эффекта потребуются значительные улучшения в корпусировании.

Это исследование также показало, что T_j относительно не зависит от радиаторов при коэффициенте теплопередачи выше 50∙10³ Вт/(м²∙К). Радиаторы с меньшими коэффициентами теплопередачи могут в значительной мере способствовать общему повышению температуры T_j. Следовательно, такого показателя, как тепловое сопротивление перехода между устройством и корпусом R_θJC в этих случаях для анализа недостаточно.

Таким образом, возникает практическое ограничение на достаточные требования к охлаждению. Поскольку на значительное повышение температуры перехода влияют полупроводниковые материалы со значениями k ниже примерно 150 Вт/(м∙К), уменьшение толщины кристалла в таких полупроводниках может привести к существенному улучшению тепловых характеристик. Заметим, что даже в случае использования материалов с большими значениями k, например SiC, предпочтительнее выбирать кристалл меньшей толщины в тех областях применения, где сопротивление подложки может играть важную роль, например в диодах Шоттки.

 

Оптимизация конструкции кристалла для повышения тепловых характеристик

Увеличение температуры перехода зависит от нескольких факторов. На самом базовом уровне эту зависимость можно выразить следующим образом (1):

T_J = (R_θJC + R_θCA) ∙ P_LOSS + T_A,                                                        (1)

где: R_θCA – тепловое сопротивление корпуса относительно окружающей среды; T_A – температура окружающей среды; P_LOSS – мощность, рассеиваемая или теряемая в результате тепловых процессов преобразования.

Рассеиваемая мощность P_LOSS представляет собой сумму потерь на проводимость и переключения и может быть выражена следующим образом (2):

P_LOSS = P_COND + P_SW.                                                                        (2)

Потери проводимости P_COND зависят от сопротивления R_DS(on) устройства, которое представляет собой сопротивления других элементов в тракте – соединительных проводов, припоя, продуктов спекания, переходных отверстий и металлических дорожек.

Удельное сопротивление R_DS(on)-SP, выраженное в Омах на квадратный миллиметр, является показателем, определяющим, насколько малым является фактическое сопротивление R_DS(on) с учетом заданной площади устройства. Устройства на основе широкозонных полупроводников на порядок лучше в сравнении со стандартными кремниевыми приборами по этому важному показателю, который зависит от температуры и таких характеристик материала, как подвижность носителей заряда и конструкция устройства.

По мере увеличения номинального напряжения пробоя (BV) устройства его размеры должны увеличиваться, чтобы компенсировать падение напряжения в обедненных областях. В результате, соответственно, увеличивается значение R_DS(on)-SP. У устройств с вертикальной структурой, например SiC MOSFET, значение R_DS(on)-SP увеличивается в меньшей мере при повышении номинального напряжения пробоя в сравнении с устройствами с горизонтальной структурой, к которым относятся GaN HEMT.

Наименьшее значение R_DS(on)-SP позволяет минимизировать потери проводимости I²R_DS(on) для кристалла с заданным размером «A», необходимого для обеспечения определенного номинального тока при требуемом номинальном напряжении BV. По мере увеличения этого размера значение P_SW увеличивается.

Относительный вклад P_COND и P_SW может зависеть от приложения. Например, в приложении с низкочастотным приводом двигателя, работающего при почти полной нагрузке, доля P_COND выше, и, следовательно, оправдано использование меньшего значения R_DS(on)-SP.

Распределение электрического поля и тока играет главную роль в увеличении температуры перехода. У устройств с вертикальной структурой – более равномерное распределение тепла благодаря протеканию тока через большую площадь поперечного сечения. В таких устройствах электрическое поле распределяется равномернее.

В HEMT с горизонтальной структурой на границе затвор–сток могут возникать большие электрические поля, что увеличивает вероятность появления локализованных горячих точек. Выделение тепла происходит из-за усиленного рассеяния фононов. Пластины, уменьшающие электрическое поле на краю затвора, являются важной частью оптимизации теплового режима HEMT-транзисторов.

Полупроводниковые поверхности могут представлять собой области хаотичного распределения атомов и дислокационных дефектов, которые увеличивают рассеяние носителей заряда, что увеличивает тепловое граничное сопротивление (thermal boundary resistance, TBR). Высококачественные гетерогенные переходы с низким уровнем дефектов улучшают показатель TBR, что особенно важно при изготовлении приборов GaN HEMT.

Легирование, напряжение или деформация также способствуют рассеянию носителей заряда и повышению значения T_J. Легкое легирование, как правило, не изменяет теплоемкость фононов и структуру решетки, тогда как сильное легирование может уменьшить время жизни фононов и снизить теплопроводность. Таким образом, возникает необходимость в компромиссе между электрической и тепловой проводимостями.

Интересным аспектом теплового расчета является выделение тепла в условиях короткого замыкания (КЗ) или лавинного пробоя. При КЗ именно повышение температуры может привести к выходу устройства из строя. Для ее снижения используются конструкции, позволяющие увеличить сопротивление R_DS(on) устройства, что, в свою очередь, требует компромисса между увеличением T_J в нормальном режиме работы и обеспечением запаса прочности в условиях КЗ.

Для управления электрическим полем во время лавинного пробоя требуется создать такой контакт перехода, чтобы локализовать пробой преимущественно в активной области устройства, а не на краях, где отказ может произойти из-за точек перегрева.

Далее мы рассмотрим конкретные примеры улучшения теплового режима устройств на основе GaN и SiC.

 

Тепловой режим GaN HEMT

В интересном исследовании [2] рассматривались подложки GaN HEMT. Типовой силовой HEMT создается с использованием технологии GaN-on-Si. В табл. 1 представлены результаты измерения теплового сопротивления при использовании этой, а также некоторых других альтернативных технологий.

 

Таблица 1. Результаты измерения теплового сопротивления при использовании разных технологий GaN HEMT

Схемами 1–2 в этой таблице обозначены две интегрированные схемы измерения температуры. Применение технологии GaN-on-GaN позволяет значительно снизить тепловое сопротивление, поскольку можно обойтись без интерфейсных слоев, контактирующих с кристаллическими решетками, например слоев нитрида алюминия. Более высокая теплопроводность SiC способствует улучшению теплового сопротивления технологии GaN-on-SiC.

В технологии GaN-on-GaN или других технологиях, где имеются несоответствия между кристаллическими решетками и подложкой, можно использовать градиентный слой AlGaN. Хотя более толстый интерфейсный слой лучше предотвращает дефекты, он значительно увеличивает общее тепловое сопротивление.

Тонкий градиентный слой может оказаться предпочтительным выбором, особенно если используется подложка с высокой теплопроводностью. Исследование показало, что преимущества в теплопроводности от использования тонкого интерфейсного слоя могут компенсировать недостаток, связанный с увеличением количества дислокационных дефектов. В первую очередь, этот вывод касается технологии GaN-на-алмазе.

Технология GaN-на-алмазе от Akash Systems, основанная на выращивании алмазной подложки методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) на обратной стороне эпитаксиального слоя GaN, более чем на 70°C снижает температуру перехода, чем GaN-on-SiC.

 

Выбор термоинтерфейсных материалов

При использовании радиаторов для охлаждения кристалла важен правильный выбор теплового материала (интерфейса) между корпусом силового ключа и радиатором. Остановимся подробнее на классификации и применении этих материалов.

Термоинтерфейсные материалы (ТИМ) – это вещества или соединения, используемые между двумя поверхностями (например, между микропроцессором и радиатором) для повышения теплопроводности. Они устраняют микроскопические воздушные карманы, образующиеся из-за шероховатой поверхности, заменяя воздух с низкой теплопроводностью (0,026 Вт/[м·К]) более эффективным интерфейсом, который снижает уровень теплового сопротивления и повышает теплопроводность.

 

Применение материалов теплового интерфейса

ТИМ имеют решающее значение для эффективной теплопередачи в электронных системах, силовой электронике и медицинских устройствах. Они предотвращают перегрев центральных и графических процессоров, светодиодов и мощной электроники, обеспечивают надежность в автомобильных системах и системах помощи водителю (ADAS), а также поддерживают безопасность и точность в медицинской системах визуализации, хирургическом оборудовании и портативных мониторах здоровья, повышая качество, надежность и срок службы устройств.

В табл. 2 представлены типовые характеристики коммерческих материалов наиболее известных типов.

 

Таблица 2. Основные свойства коммерческих материалов распространенных типов теплового интерфейса

Термоинтерфейсные материалы выпускаются в разных составах. Их можно сгруппировать по шести основным категориям: термопрокладки, термопасты, термогели, термопроводящие клеи (ТПК), материалы с фазовым переходом (МФП) и металлические припои. За исключением готовых термопрокладок, остальные категории ТИМ совместимы с такими методами нанесения термоинтерфейсной пасты, как дозирование шприцем, трафаретная печать или прямая печать чернилами.

 

Термопасты

Термопасты представляют собой незатвердевающие вязкие жидкости, которые обычно состоят из полимерного масла (часто синтетического или на основе силикона), заполненного термопроводящими частицами, – оксидами металлов и металлическими порошками. Объемная теплопроводность термопаст составляет 2–10 Вт/(м·К). В более современных термопастах используются такие неорганические наполнители, как оксид алюминия, оксид цинка и карбид кремния, а также металлические наполнители – серебро и медь, позволяющие повысить теплопроводность до 17 Вт/(м·К).

Ключевым преимуществом термопаст является их превосходная эластичность и малая твердость. Термопасты не обладают собственной прочностью сцепления, оставаясь влажными или полужидкими, что позволяет им легко растекаться и заполнять очень тонкие контактные зоны около 127 мкм или меньше.

Однако известным недостатком термопаст является их склонность к миграции при термоциклах. Повторное расширение или сжатие такой зоны (из-за колебаний температуры и различных коэффициентов теплового расширения) может привести к медленному вытеснению смазки из интерфейсной зоны с течением времени. В результате высыхания термопаст характеристики устройств ухудшаются при длительной эксплуатации.

 

Термогели

Термогели обычно представляют собой однокомпонентные или двухкомпонентные составы, образующие очень мягкую гелеобразную полимерную матрицу, заполненную теплопроводящими частицами, подобно термопастам. В отличие от стандартной термопасты, термогели затвердевают, превращаясь в эластичное вещество, и служат эффективными материалами для заполнения тепловых зазоров.

Благодаря своей когезивности термогели устойчивы к выдавливанию, механическим вибрациям или термоциклам. Это свойство делает их популярными в автомобильной электронике и других приложениях, где удары или изгиб могут создавать проблему: гель заполняет зазор и ослабляет механическое воздействие.

 

Термопроводящие клеи

Полимерные термопроводящие клеи не только проводят тепло, но и механически скрепляют компоненты (рис. 2).

Рис. 2. Механизм теплопроводности ТПК

 

Эти ТПК обычно представляют собой эпоксидные, силиконовые или акрилатные клеи с добавлением термопроводящих наполнителей – оксида алюминия, нитрида бора или металлических частиц.

Теплопроводность большинства коммерческих ТПК равна примерно 1–4 Вт/(м·К), а теплопроводность некоторых специализированных составов (с очень высоким содержанием серебра или новых наполнителей) превышает 10–20 Вт/(м·К).

Наибольшим преимуществом использования ТПК является возможность приклеивания радиатора или компонента, что исключает необходимость использования винтов, зажимов или скоб для крепления. Особенно ценной эта возможность является в случае конструкций с малым форм-фактором или затрудненной механической фиксации (например, при соединении теплоотвода с крышкой BGA-корпуса или при креплении светодиода к радиатору в модуле освещения).

Однако затвердевший клей обычно более жесткий, чем смазка или гель. Во многих теплопроводящих эпоксидных смолах в качестве наполнителей применяются керамические или металлические порошки, что придает этим смолам жесткость. Несмотря на обеспечиваемую прочность скрепления деталей слой клея испытывает сдвиговое напряжение, если значения коэффициента температурного расширения двух склеиваемых поверхностей разные. При многократных термических циклах хрупкий клей может потрескаться или расслоиться.

 

Материалы с фазовым переходом

Основой материалов с фазовым переходом часто является воск или парафиноподобное вещество (иногда смешанное с полимерами) с частицами проводящего наполнителя. При комнатной температуре МФП находится в твердом или высоковязком состоянии, что позволяет наносить его на компоненты без разводов и растекания. Как только электронное устройство нагревается во время работы и превышает температуру фазового перехода (обычно 50–80°C), материал с фазовым переходом размягчается до полужидкого состояния, растекаясь и заполняя все микроскопические воздушные зазоры на границе раздела. При охлаждении МФП снова затвердевает, удерживая частицы наполнителя на месте и предотвращая выдавливание или капание в выключенном устройстве.

Поскольку МФП химически не затвердевают, они могут вытекать при циклической работе устройства выше точки фазового перехода без надлежащего зажима. Однако на практике МФП разработаны таким образом, чтобы противостоять чрезмерному растеканию, а их способность к повторному затвердеванию обеспечивает большую долговременную стабильность, чем неотверждаемые термопасты.

 

Металлические термоинтерфейсные материалы (припой)

Металлические термоинтерфейсные материалы (МТИМ) в виде пасты представляют собой припои, используемые в качестве тепловых интерфейсов. Они состоят из мелкодисперсных порошков металлических сплавов (например, на основе индия для высокопроизводительных приложений), взвешенных во флюсовом связующем аналогично припоям, используемым при сборке печатных плат. МТИМ наносятся с помощью термодозатора или аналогичного прецизионного оборудования, после чего сборка подвергается воздействию высокой температуры для расплавления металлического порошка для создания твердого металлического интерфейса.

Благодаря тому, что значения контактных сопротивлений металлических припоев – одни из самых низких измеренных и составляют, например, 0,00253 см²·К/Вт, они обеспечивают оптимальные тепловые характеристики. Металлические припои применяются в приложениях с высокой мощностью или плотностью электронных компонентов, где требуется передача очень большого теплового потока. Например, многие высокопроизводительные серверные и графические процессоры используют термоинтерфейсный материал между кристаллом и теплоотводом для отвода тепловой нагрузки, с которой термопаста едва справляется.

Однако превосходные тепловые характеристики металлических припоев сопряжены с компромиссами в отношении механических свойств: поскольку металлы обладают высокой жесткостью и крайне малой эластичностью, слой припоя плохо компенсирует разницу в тепловом расширении. Как и в случае с проводящим клеем, если две скрепляемые детали расширяются с разными скоростями, в припое могут накапливаться напряжения, вызывая усталость или трещины при многократных термических циклах.

Теплопроводящие материалы являются незаменимым компонентом в проектировании современных электронных и электрических систем. Разные типы теплопроводящих материалов – паста, гель, клей, фазоизменяющийся материал, припой – обладают уникальными тепловыми и механическими преимуществами. Выбор оптимального решения для управления тепловым режимом предполагает многогранный компромисс, учитывающий теплопроводность и механические характеристики, технологичность, стоимость и сложность конструкции.

 

Максимальное увеличение допустимой мощности в тепловом проектировании

В стационарном режиме ток в электрической области течет в направлении от большего потенциала к меньшему, выбирая пути с меньшим сопротивлением. Аналогично, тепловая энергия рассеивается из областей с более высокой температурой в области с меньшей температурой; при этом энергия преимущественно рассеивается в трактах с меньшим тепловым сопротивлением.

Разность температур ΔT_JA между переходом кристалла силовой микросхемы, который обычно считается источником тепла, и температурой окружающей среды находится в зависимости от потерь мощности ИС P_LOSS и теплового сопротивления θ_JA между переходом и окружающей средой следующим образом (1):

.        

Из уравнения (3) следует, что уменьшить ΔT_JA и улучшить, таким образом, тепловые характеристики, можно за счет снижения потерь мощности ИС или теплового сопротивления.

 

Режимы теплоотвода

Существуют три режима теплоотвода:

1) теплопроводность: рассеивание тепла через прямой контакт;

2) тепловая конвекция: рассеивание тепла путем его переноса движущейся жидкостью;

3) тепловое излучение: рассеивание тепла в виде электромагнитных волн.

Как видно из рис. 3, в приложениях для интегральных схем тепло обычно рассеивается внутри корпуса ИС и через медь печатной платы.

Рис. 3. Тепловое рассеивание в приложениях с ИС

 

Тепловая конвекция, как правило, происходит между поверхностью ИС или печатной платы и окружающим воздухом. Тепловое излучение осуществляется во всех направлениях, поскольку не требует среды распространения.

Для расчета теплового сопротивления в режимах теплопроводности, конвекции и излучения используются, соответственно, уравнения (4), (5), (6):

где: L – длина материала или теплопроводящего пути, м; k – теплопроводность материала, Вт/(м∙К); A – площадь поперечного сечения материала, м²;

где: h – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К); A_COOL – площадь охлаждения, м²;

где: ε – коэффициент теплопередачи материала; σ – постоянная Стефана-Больцмана; A_SURF – площадь поверхности, м²; T_SURF – температура поверхности, К; T_A – температура окружающей среды, К.

Из уравнения (4) видно, что тепловое сопротивление в режиме излучения в большой мере зависит от температуры. С повышением температуры θ_изл. уменьшается, что затрудняет снижение этого сопротивления на практике. Далее основное внимание мы уделим тепловому сопротивлению в режимах проводимости и конвекции.

 

Упрощенная тепловая модель

На рис. 4 представлена ​​упрощенная тепловая модель для оценки тепловых характеристик системы (кристалл-на-плате).

Рис. 4. Упрощенная тепловая модель

 

В этой модели тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой θ_JA распадается на четыре параметра:

θ_JT (θ_JCtop) – тепловое сопротивление между переходом ИС и верхом корпуса; θ_JB – тепловое сопротивление между переходом ИС и платой; θ_TA – тепловое сопротивление между верхом корпуса ИС и окружающей средой; θ_BA – тепловое сопротивление платы относительно окружающей среды.

Взаимосвязь между этими параметрами определяется следующим образом (7):

 

Разница между θ и ψ

В некоторых технических описаниях в качестве тепловых параметров указываются значения θ и ψ, где θ – фактическое тепловое сопротивление, а ψ – значение тепловой характеристики. Например, рассмотрим θ_JT и ψ_JT (8–9):

Основное различие между θ и ψ заключается в том, что уравнение (6) предполагает, что тепловая энергия рассеивается исключительно через верхнюю часть корпуса микросхемы, тогда как уравнение (7) описывает рассеивание тепла по всем возможным путям. Таким образом, на практике с учетом естественного охлаждения более точным является использование параметра ψ_JT вместо θ_JT для расчета температуры перехода (10):

                                                            (10)

Заметим, что ψ_JT не является тепловым сопротивлением и не имеет физического смысла; оно лишь представляет собой численное соотношение между T_J и T_{case top}. Кроме того, ψ_JT нельзя использовать для построения тепловой модели. Аналогичное различие имеется и у θ_JB и ψ_JB.

 

Влияние корпуса ИС

Теплоотдача внутри силовой ИС происходит преимущественно за счет проводимости согласно уравнению (2). В табл. 3 приводятся значения теплопроводности материалов, используемых в корпусах ИС, позволяющие оценить характеристики путей теплопередачи при выборе разных корпусов. Заметим, что эти значения также зависят от температуры.

 

Таблица 3. Теплопроводность материалов, используемых в ИС

Корпус с проводным соединением и открытой нижней площадкой (MSE)

На рис. 5 показана стандартная структура корпуса MSE c проводными соединениями и открытой нижней площадкой для отвода тепла.

Рис. 5. Типичная структура корпуса MSE

 

Для оценки путей теплоотвода мы воспользуемся данными, представленными в табл. 3–4. Трактом с наименьшим тепловым сопротивлением является конфигурация «кристалл – кристалл – нижняя контактная площадка».

 

Таблица 4. Пути отвода тепла в корпусе MSE

Корпус WLCSP

На рис. 6 показана стандартная структура корпуса WLCSP. Соответственно, в табл. 5 дается подробная информация о корпусе этого типа; при этом оптимальный путь отвода тепла, характеризующийся наименьшим тепловым сопротивлением, достигается в конфигурации «кристалл – медный перераспределительный слой (RDL) – припойные шарики».

 

Рис. 6. Типичная структура корпуса WLCSP

Таблица 5. Пути рассеивания тепла в корпусе WLCSP

Перевернутый кристалл с открытой нижней площадкой (LQFN)

На рис. 7 показана стандартная структура корпуса LQFN.

Рис. 7. Типичная структура корпуса LQFN

 

Исходя также из данных табл. 6, можно сделать вывод, что путь рассеивания тепла с наименьшим тепловым сопротивлением проходит через медный контактный столбик кристалла, припой и нижнюю площадку.

 

Таблица 6. Пути рассеивания тепла в корпусе LQFN

Численная разница между θ и ψ в зависимости от особенностей корпуса

Как обсуждалось ранее, тепловое сопротивление θ рассчитывается исходя из предположения, что тепло рассеивается в определенном направлении, тогда как значение ψ определяется на основе естественных условий охлаждения. В герметизированных корпусах верхний слой из эпоксидной смолы имеет относительно низкую теплопроводность и характеризуется более длинным путем для рассеивания тепла. Следовательно, через верхнюю часть рассеивается минимальное количество тепловой энергии, в результате чего температура верхней поверхности корпуса T_{case top} близка к T_J. Согласно уравнениям (6–7), величина ψ_JT значительно меньше θ_JT. Напротив, поскольку большая часть тепловой энергии рассеивается через дно корпуса микросхемы и печатную плату, значение ψ_JB обычно близко к θ_JB.

 

Корпус с открытым кристаллом

В отличие от герметизированных корпусов с эпоксидным слоем над их верхней поверхностью, у корпуса с открытым кристаллом – более толстый чип. На рис. 8 показана типичная структура корпуса LQFN с открытым кристаллом.

Рис. 8. Типичная структура открытого корпуса LQFN

 

Дополнительный слой кремния снижает тепловое сопротивление θ_JT от источника тепла к верхней части корпуса, улучшая рассеивание энергии. Однако в условиях естественного охлаждения корпус с открытым кристаллом не позволяет значительно улучшить тепловые характеристики из-за других системных факторов, влияющих на суммарное тепловое сопротивление.

 

Тепловые параметры в техническом описании

В техническом описании силовых микросхем обычно приводится несколько исходных значений тепловых параметров, как видно из рис. 9.

Рис. 9. Тепловые параметры корпуса LQFN из технического описания

 

Из-за характеристик герметизированного корпуса микросхемы тепловое сопротивление между переходом и нижней частью ИС θ_JCBOT меньше, чем между переходом и верхней частью корпуса θ_JT (θ_JCTOP), а ψ_JT значительно меньше θ_JT (θ_JCTOP). Расчет температуры перехода T_J с использованием теплового сопротивления θ_JT в условиях естественного охлаждения может привести к существенным ошибкам. Заметим также, что θ_JCBOT отличается от θ_JB, поскольку θ_JB – тепловое сопротивление между переходом и платой, а не дном корпуса микросхемы.

В этом примере представлены значения θ_JA как для платы JEDEC, так и для демонстрационной платы. Плата JEDEC изготовлена ​​в соответствии со стандартом JEDEC 51-7 для измерения тепловых параметров. Как правило, компоновка плат JEDEC не оптимизирована для рассеивания тепла, что увеличивает значение θ_JA в сравнении с тепловым сопротивлением демонстрационной платы. В целом, значение θ_JA на плате JEDEC отражает тепловые характеристики самого корпуса микросхемы, а θ_JA на демонстрационной плате – оптимизированное значение для всей системы.

 

Литература

1. L. Boteler, A. Lelis, M. Berman, M. Fish. Thermal Conductivity of Power Semiconductors – When Does It Matter? // https://ieeexplore.ieee.org.
2. Akshay Gangadharan Nambiar. Thermal Characterization of GaN Power Switch HEMTs on Different Substrate Materials // https://publica-rest.fraunhofer.de.