Leistungselektronik MOSFET-Datenblätter richtig lesen: Der Wärmewiderstand (Teil 6)

Nachdem die ersten fünf Teile dieser Blog-Serie erschienen waren, wurden mir weitere Fragen zu den Datenblättern von Leistungs-MOSFETs gestellt. Dabei ging es meist um die Parameter in der Tabelle mit thermischen Informationen. Daher befasse ich mich diesmal mit den Angaben des Wärmewiderstands zwischen Sperrschicht und Umgebung und des Wärmewiderstands zwischen Sperrschicht und Gehäuse. Denn auch hier scheint es Unklarheiten zu geben.

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Zunächst will ich klären, was die beiden Begriffe genau bedeuten. Es ist schwierig, in der FET-Branche (oder auch nur innerhalb eines Unternehmens) eine Übereinstimmung in der Bezeichnung zu finden. In diesem Beitrag beziehe ich mich auf die in Bild 1 und Tabelle 1 definierten Parameter. Wenn man sich den Wärmefluss analog zum elektrischen Strom vorstellt, lässt sich leicht das Widerstandsnetzwerk vorstellen, über das die Wärme von einer Sperrschicht oder einem Halbleiterchip abfließt (Bild 1). Die Summe dieser Widerstände bezeichnet man als den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (R_θJA) des betreffenden Bauelements.

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Gemäß dem mathematischen Ausdruck in Gleichung 1 handelt es sich bei R_θJA um die parallele Aufsummierung des Wärmewiderstands durch die Oberseite des Gehäuses an die Umgebung und durch die Gehäuseunterseite und die Leiterplatte:

Von den vier Parametern, aus denen sich R_θJA zusammensetzt, sind nur zwei, nämlich R_θJB und R_θJT, vom FET selbst abhängig. Da sich die Wärme in der Praxis deutlich einfacher über die Leiterplatte abführen lässt, ist R_θJB + R_θBA in der Regel wesentlich kleiner als R_θJT + R_θTA, sodass der zweite Term in Gleichung 1 vernachlässigt werden kann.

Anders können die Verhältnisse liegen, sollte der Baustein ein DualCool-Gehäuse oder eine exponierte Metalloberseite aufweisen. Der typische R_θJT-Wert eines herkömmlichen, 5 mm x 6 mm großen QFN-Gehäuses (Quad Flat No-Lead) liegt im Bereich von 12 bis 15 °C/W.

Er lässt sich jedoch auf 2 bis 3 °C/W verringern, wenn das Package eine exponierte Metalloberseite besitzt und man Techniken anwendet, die den Halbleiterchip näher an die Gehäuseoberseite bringen. All dies führt aber zu nichts, solange man nicht Maßnahmen zur Reduzierung von R_θTA ergreift, indem man beispielsweise den Baustein mit einem Kühlkörper verbindet oder für einen definierten Luftstrom sorgt.

Wenn FET-Anbieter im Datenblatt den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (R_θJC) angeben und sie sich dabei technisch gesehen entweder auf R_θJB oder R_θJT beziehen könnten, kann man meist davon ausgehen, dass es um R_θJB geht.

Da R_θBA vollständig von den Eigenschaften der Leiterplatte (Platinengröße, Stärke der Kupferkaschierung, Anzahl der Lagen) dominiert wird, kann man unmöglich eine Aussage über R_θJA machen, ohne R_θBA ebenfalls zu kennen. Ungeachtet dessen wird R_θJA vorrangig durch den Wärmewiderstand R_θBA bestimmt. In realen Anwendungen kann er bis zu 40 °C/W betragen, in gut durchentwickelten Systemen möglicherweise auch nur rund 10 °C/W. FET-Anbieter können nur R_θJC garantieren, geben aber in der Regel ebenfalls einen Wert für R_θJA für Worst-Case-Szenarien an.

In den Datenblättern von Komponenten mit TO-Gehäuse (Transistor Outline) wie etwa TO-220 oder TO-263 (D2PAK) erfolgt die Angabe von R_θJA für den Baustein in freier Luft (Bild 2). Bei QFN-Bauelementen dagegen wird mit einer Kupferfläche von einem Quadratzoll (6,45 cm²) sowie mit minimaler Pad-Fläche gemessen (Bild 3). Die im Datenblatt angegebenen und in Bild 3 gezeigten Maximalwerte liegen um 25% über den Werten, die in der Charakterisierung erzielt wurden. Da sie nahezu vollständig von der Interaktion des Gehäuses mit der umgebenden Leiterplatte und nicht so sehr von der Chipfläche oder den thermischen Mechanismen im Innern des Bausteins abhängig sind, stellen sie mehr oder weniger Industriestandards für ein bestimmtes Gehäuse dar.

Ich könnte noch viel mehr über diese Werte schreiben, aber dieser Beitrag sollte Ihnen schon einmal das Grundverständnis für die Thematik des Wärmewiderstandes vermitteln. Auf unserer Website finden Sie dazu auch weitergehende Informationen.

Dies dürfte wohl der letzte Beitrag der Serie „MOSFET-Datenblätter richtig lesen“ sein. Ich hätte anfangs nicht gedacht, dass es sechs Teile werden würden. Dafür, dass Sie sich die Zeit zum Studium dieses und der anderen Artikel genommen haben, danke ich Ihnen ganz herzlich. Ich hoffe, dass die Serie für Sie interessant war und Ihnen bei Ihrer täglichen Arbeit geholfen hat.

MOSFET-Datenblätter richtig lesen: Die Schaltparameter (Teil 5)

MOSFET-Datenblätter richtig lesen: Angaben zum Impulsstrom (Teil 4)

MOSFET-Datenblätter richtig lesen: Angaben zum Dauerstrom (Teil 3)

* Brett Barr arbeitet als Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Bethlehem / U.S.A.

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