Soluciones de KITAGAWA y ASSMANN
La vida útil de los dispositivos semiconductores utilizados en los sistemas electrónicos está directamente relacionada con la temperatura a la cual están sometidos. De hecho, reducir un 10% la temperatura de junción del dispositivo, en términos aproximados, puede doblar la esperanza de vida del mismo.
Cada vez es mayor la compactación de los dispositivos electrónicos para satisfacer la demanda del mercado de mayor miniaturización y portabilidad. Otro factor importante es la alta frecuencia de señal en muchos dispositivos, factor que relacionado con las corrientes que fluyen a través de los mismos, aumenta la potencia de disipación. Además, la mayor integración de los dispositivos semiconductores genera una mayor densidad de calor por unidad de área, y la necesidad de extraerlo del dispositivo se hace primordial para la vida del mismo.
El factor clave para conducir fuera del dispositivo el calor generado por el semiconductor para por reducir al máximo la resistencia térmica que existe entre la junción del dispositivo y el ambiente aire. Como si de un circuito se tratara, existe una red de resistencias térmicas en serie entre la junción del semiconductor y el aire. Tal como muestra la siguiente ilustración, el circuito que recorre la temperatura desde el interior del dispositivo (Tj) hacia fuera (Ta) está compuesto por:
- Resistencia térmica entre la Junción y el Encapsulado del semiconductor (RthG), expresada en ºK/W. Esta resistencia viene determinada por el fabricante del semiconductor y es característica del proceso de fabricación del mismo. No es posible reducirla, a no ser que se escoja otro dispositivo semiconductor.
- Resistencia térmica entre el encapsulado del semiconductor y el dispositivo disipador (HeatSink) (RthG/K), expresada en ºK/W. Puede ser minimizada utilizando grasas, compuestos y otros Thermal Transfers que veremos a continuación.
- Resistencia térmica entre el disipador y el ambiente (RthK), expresada en ºK/W. Usando esta variable en el datasheet del fabricante se elige el disipador a utilizar. Es importante escoger un disipador que tenga una RthK inferior al valor obtenido mediante cálculos de diseño. Es inversamente proporcional al producto entre el coeficiente de transferencia de calor por convección (hc)(capacidad para disipar del disipador) y el área del mismo (A).
A su vez, hc es diferente para convención natural o convención forzada (ayudando en la disipación mediante ventiladores o blowers). En este artículo únicamente se contemplan los cálculos para convención natural.
De esta forma, la resistencia térmica total que se encuentra el calor al intentar ser disipado es:
RthTot = RthG + RthG/K + RthK
RthTot puede ser reducida al disminuir la suma de los términos que la componen.
La importancia de utilizar dispositivos disipadores de calor reside en que el aire es muy mal conductor del calor. La utilización de dispositivos disipadores puede reducir la resistencia térmica drásticamente, permitiendo así disipar más potencia.
La metodología de diseño se basa en:
1) Conocer la temperatura ambiente Ta (ºK) y la temperatura de junción del semiconductor Tj (ºK)(extraída del datasheet del fabricante). Al valor Tj le restaremos 25ºK como margen de seguridad, ya que Tj nunca deberá ser superada.
2) Conocer RthG del datasheet del fabricante del semiconductor.
3) Conocer la potencia (W) disipada por el semiconductor (Ptot). En transistores puede ser Ptot=Vce · Ic + Vbe · Ib y en diodos Ptot=If · Vf
4) Conocer criterios de diseño como el espacio disponible sobre el encapsulado, placa, posibilidad de ensamblaje, etc.

Condensadores MKP385 film de potencia, capaces de trabajar con picos de hasta 2000V de Vishay

Vishay, empresa distribuida en España y Portugal por RC Microelectrónica, presenta su nueva serie MKP 385 de condensadores Film para aplicaciones de potencia. Se trata de condensadores fabricados con dieléctrico film polipropileno de bajas pérdidas, encapsulado en plástico y resina epoxy y electrodos de film metalizado además de cumplir con la normativa RoHS. Su capacidad está disponible entre 0.001uF y 0.033uF con una tolerancia del 5%. Como características eléctricas, cabe destacar su capacidad para trabajar con picos de tensión de entre 1600V y 2000V, además de una tensión de trabajo alterna AC de 500V a 700V. Por otra parte, son capaces de trabajar a 85ºC con picos de temperatura a tiempo limitado de hasta 125ºC. Sus dimensiones son pequeñas, para dispositivos con alta densidad de componentes, y dispone de raster 7.5mm bent back y 10mm ó 15mm recto. A continuación se muestra un esquema explicativo. Por sus características, la serie MKP 385 es ideal para aplicaciones que generen pulsos de pendiente muy pronunciada, como es el caso de fuentes conmutadas, electrónica para iluminación tal como balastros o circuitos de control de motores entre otras. Para más información diríjanse a las especificaciones técnicas en: http://www.vishay.com/docs/28152/mkp385.pdf

 

La siguiente fórmula relaciona, en un semiconductor acoplado a un disipador, la potencia disipada por un dispositivo y la diferencia de temperatura entre la junción Tj y el ambiente Ta.

Como se ha comentado anteriormente, disminuir la suma de resistencias térmicas aumenta la potencia total que puede disipar el dispositivo para un incremento de temperatura dado.
Reescribiendo esta función se puede saber la resistencia térmica máxima que pueden tener un disipador más la sustancia o fluido que haga de interfaz con el encapsulado del semiconductor.
Así pues, nos deja dos incógnitas cuya suma no ha de superar el valor derecho de la igualdad.
El aire, como interfaz entre el encapsulado y el disipador, tiene una resistividad térmica RthG/K muy elevada, ya que es un mal conductor del calor, en cambio un compuesto que haga de interfaz térmica puede reducir esta resistencia térmica en varios órdenes de magnitud y optimizar así la transferencia de calor.
KE KITAGAWA posee varios modelos de la serie TIM (Thermal Interface Material) con muy baja RthG/K y permitiendo además distintas configuraciones:
- Hojas y Rollos:
- Grasa lubricante:
- Mangas y cajas:
- Extrusiones y moldes
Para más información acerca de los diferentes compuestos con sus conductividades térmicas puede dirigirse a la presentación de TIM de KE KITAGAWA a través del siguiente enlace:
http://www.kitagawa.de/database/Thermal/tim_presentation_2008_01.pdf
En el siguiente ejemplo se muestra la elección de un disipador para el transistor 2 N 3055 con encapsulado TO-3 basándose en los datos arriba mencionados:
Suponiendo:
Tj = 200ºC menos 25 ºC de margen de seguridad = 175ºC
Ta = 45 ºC
RthG = 1.5 K/W
RthG/K = 0.2 K/W de la elección de un compuesto de interfaz térmica.
Ptot= 30W
Longitud máxima del disipador = 50mm.

NOTA: Hay que tener en cuenta que los grados Kelvin y los grados Centígrados son equivalentes al hablar de incrementos de temperatura.
Para elegir el disipador adecuado puede dirigirse al catálogo de ASSMANN, que dispone de un amplio portfolio de disipadores. Es necesario buscar aquellos que tengan resistencia térmica 2.6K/W o menos, ya que se asegura así una Tj inferior a 175ºC. También se ha de tener presente la restricción en longitud a 50mm y que viene marcada por las especificaciones del diseño de la aplicación. Una posible elección es el perfil V 4493 F de Assmann.
Puede encontrar el catálogo online de ASSMANN a través del siguiente enlace:
http://www.assmann-wsw.com/htdoc/int/catalogs/heatsinks.htm