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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Leistungs SMD ICs kühlen?


Autor: André Wippich (sefiroth)
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Hallo zusammen!

Mal eine kurze Frage zwischendurch: Muss man SMD ICs gesondert kühlen, 
oder genügt da die Kupferfläche drumherum (wie sie z.B. oft im 
Datenblatt angegeben wird)? Und wenn man kühlen muss - woran merke ich, 
dass Kühlung erforderlich ist. Um dem Witz gleich mal den Wind aus den 
Segeln zu nehmen: Wenn ich mir den Finger verbrannt habe ist es schon zu 
spät... :-p

Ich habe hier konkret den VN610SP - eine Art Leistungs-FET mit 
Logikeingang, der 45A schalten kann (werde aber wohl nur 20A nutzen). 
Seine Leistungsgrenze Ptot liegt bei ca. 140W. Wenn er durchschaltet hat 
er einen Widerstand von 0,010 Ohm -> D.h. im Betrieb werden 4W im IC 
verbraten. Im Vergleich zu 140W ist das ja nicht viel ;-)

Wollte das Thema mal ganz gerne anschneiden, weil ich mich bisher nie 
großartig mit der Kühlung beschäftigen musste, aber interessiert bin.

Gruß, André

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Das Ding hat ´ne Kühlfahne, die gehört auf eine Leiterplatte gelötet, 
die die 4Watt abführen kann. Moderne Multilayer mit Thermal-Vias und 
gnügend Kupferfläche können das.

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Ist schon klar, dass ich das Teil ordnungsgemäß auflöte :-)

Sind die Thermal Vias denn notwendig? Wenn ich die Platine fräse löte 
ich mit mit den Vias ja nen Wolf :-) Bisher habe ich sie nie verwendet - 
ist aber auch das erste Mal, dass ich ein Leistungs SMD benutze ^_^

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Eine Kupferfläche alleine ist recht groß für 4 Watt, deshalb nimmt man 2 
oder mehr und verbindet diese durch Vias.

Autor: Obelix (Gast)
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Steht da nicht genaue Anweisungen bzw. Berechnungen im Datenblatt?

Autor: Jens B. (daisho)
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Viel Auswahl hast Du da nicht. Thermal VIAs sind eigentlich zwingend 
notwendig um dieses Teil vernünftig zu kühlen. Blöderweise sollten diese 
VIAs auch genau unter dem zu kühlenden Bauteil liegen und das macht die 
Heimanfertigung einer solche Leiterplatte doch etwas schwieriger. ;)
Es wäre allerdings auch denkbar,daß Du in Deinem Layout eine etwas 
größere Fläche unter dem IC vorsiehst und dann einen Kühlkörper per 
Wärmeleitkleber draufnagelst. Is vielleicht nicht ganz so 
effizient,könnte aber funktionieren.

@Obelix : In Datenblättern wird (wenn überhaupt) ein Referenzlayout 
angegeben,wie groß Kühlflächen sein müssen definitiv nicht.

Autor: Sascha (Gast)
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Ansonten für den extremen Einsatz Leiterplatte aus Aluminium.
Habe ich für den VNH3SP30 gemacht für Automotiv und 
Sicherheitselektronik. Weil die Steuerung auch noch im Brandfall eine 
gewisse Zeit leben muss um Menschenleben zu retten.
Kann nur sagen der Erfolg war super.
Übrigens, die Aluminium Leiterplatte gab es schon in den 70er Jahren.
(Basis Material = Aluminium)
Gruß Sascha

Autor: Lupin (Gast)
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Einfach ein Alu blech hinbiegen und auf die LP löten.

Oder eine große Kupferfläche mit ganz viel Lötzinn drauf (bringt das 
was?)

Autor: Jens B. (daisho)
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> Einfach ein Alu blech hinbiegen und auf die LP löten.
>
Schonmal versucht ein Aluminiumblech ohne Oberflächenbeschichtung zu 
löten? ;)

> Oder eine große Kupferfläche mit ganz viel Lötzinn drauf (bringt das
> was?)
Bringt nix.

Interessant zu wissen wäre,wie groß der fertige Aufbau nachher sein 
darf. Dann kann man wohl ein bissl gezielter über ´ne Lösung nachdenken.

Autor: Karl (Gast)
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Das Lötzinn kann man sich sparen, eine (nicht spiegelnde) Einfärbung des 
Kupfers bringt schon was, weil damit die Abstrahleigenschaften 
verbessert werden. Bei guter Konvektion ist der Effekt natürlich nicht 
mehr so groß.

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Das heisst ich sollte die SMD Variante vergraben und doch auf einen 
TO220 Typ mit Riesenkühlkörper zurückgreifen? Dabei mag ich doch SMD so 
gerne ;-)

Das Datenblatt von VN610SP:
http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/6236.pdf

Auf Seite 13 sind einige Kühlflächen dargestellt - wobei das aber wohl 
nur die Referenzflächen für die Messungen sind, oder?

Auf Seite 16 wird dann auch ein Layout vorgeschlagen, was stark nach den 
Referenzflächen von Seite 13 aussieht... Von Thermal Vias ist da nichts 
zu sehen - aber das kann antürlich auch einfach vorrausgesetzt werden... 
Das Datenblatt ist gelinde gesagt sehr knapp ausgeführt...

Autor: olaf (Gast)
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> VIAs auch genau unter dem zu kühlenden Bauteil liegen und das macht die
> Heimanfertigung einer solche Leiterplatte doch etwas schwieriger. ;)

Das kann in der Tat sehr problematisch werden. Schaut mal hier:

http://www.criseis.ruhr.de/powerbox/powerbox.html

Da musste ich unter dem BQ24108 ein Loch bohren und ein Stueck Kupfer 
mit einloeten weil ich das IC nur so vernuenftig kuehlen konnte. Eine,
gar selbstgemachte, Durchkontaktierung bringt da nicht viel.

Olaf

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Jens B. wrote:
> Interessant zu wissen wäre,wie groß der fertige Aufbau nachher sein
> darf. Dann kann man wohl ein bissl gezielter über ´ne Lösung nachdenken.

Naja, so klein wie möglich... Hatte ja die Hoffnung, dass ich mit den 
SMDs zwei TO220s mit Kühlkörper ersetzen könnte.

Aber so wie es aussieht, bringen die mehr Probleme mit sich als sie 
lösen. Wenn ich Ober- und Unterseite der Platine zur Kühlung nutzen 
muss, dann kann ich auch beim BTS442 bleiben und Kühlkörper auf der 
Platine montieren.

Bei den VN610SP fand ich es ganz gut, dass der Ruhestrum niedriger als 
beim BTS442 ist (15µA vs 25µA). Obwohl es trotzdem noch unerhört viel 
ist, wie mir grad auffällt (sind bei 2 Stk ja 30/50µA) :-( Kennt 
zufällig jemand einen Leistungs-Transistor mit 5V-Logikeingang, der für 
mindestens 20A Dauerstrom ausgelegt ist und im ausgeschalteten Zustand 
extrem wenig Strom verbraucht?

Autor: Jens B. (daisho)
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Nee,bei der SMD-Version kannste ruhig bleiben (gibt´s das Teil überhaupt 
in bedrahteter Form?). Aber wenn ich mir in dem Datenblatt das Diagramm 
auf Seite 13 so anschau,würde ich sagen,daß Du mit einer genügend großen 
Cu-Fläche (vorrausgesetzt Du erfüllst die restlichen Specs,also FR4,open 
box etc.),eigentlich auskommen solltest. Zur Sicherheit würd ich 8 oder 
mehr cm² Cu vorsehen und dann auf den IC noch nen Kühlkörper 
draufkleben. Die große Frage ist dabei eben nur wie groß der gesamte 
Aufbau werden darf/soll.

Autor: Karl (Gast)
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Den KK auf dem Plastikgehäuse kannst du dir auch gleich sparen, weil 
die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs deutlich geringer ist als die der 
dafür vorgesehenen Kupferpatte. Seite 13 und 14 im DB geben doch alle 
nötigen Infos zur Kühlung. Nix mit thermal vias, keine doppelseitige 
Kühlfläche. "Nur" anständig verlöten und für die Verlustleistung 
dimensionierte Kühlflächen und gut ist es.

Autor: Jens B. (daisho)
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Karl wrote:
> Den KK auf dem Plastikgehäuse kannst du dir auch gleich sparen, weil
> die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs deutlich geringer ist als die der
> dafür vorgesehenen Kupferpatte.

Mag ja sein, aber Du übersiehst in dem Falle,daß der KK nur zur 
Sicherheit drin ist. Daß Kunststoff Wärme schlechter leitet als Metall 
ist schon klar,nur lieber ´ne schlechtere Zusatz-Kühlung als keine ist 
mein Motto in dem Fall. ;)

Autor: Karl (Gast)
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Über dieses Thema kann man sich herrlich streiten:
- Der Kühlkörper könnte die Konvektion behindern und dadurch mehr 
Schaden anrichten als Nutzen
- Der Übergangswiderstand CA ist so klein, dass Rth JC schon dominiert
- Abstrahlung des Gehäuses wird behindert
- Definitiv ist Rth J->Cu << Rth JC, damit die eventuelle (s.o.) 
Zusatzkühlung irrelevant
- KK kostet Geld
- KK kostet Bauraum
- KK ist problemlos durch eine geringfügig größere Kühlfläche auf dem 
PCB zu ersetzen

Wenn schon "Pfusch", dann einen KK auf die Kupferfläche. Oder 
Kupferbleche auf die Kühlfläche Löten. Dann aber wohl nur als 
Einzelstück zu realisieren. Eine dickere Cu Auflage als 35µ hat auch 
schon geholfen.

Diese Liste kann man beinahe ewig fortsetzen. Der KK auf dem Gehäuse ist 
wie eine kleine Flasche Benzin auf dem Dach des Autos mit einem Schlauch 
in den Tank: Unsinnig.

Autor: Duck und weg (Gast)
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Nur so nebenbei. Wenn die Verlustleistung kein Feature der Schaltung 
ist, kriegt man die Verlustleistung mit mehreren FETs runter. Bei 2 FET 
hat man noch den halben Widerstand, macht die halbe Leistung auf zwei 
verteilt. Bei 4 FETs ist der Widerstand ein Viertel, die Leistung auch, 
und jeder FET muss noch ein Sechzehntel verbraten. Kosten ja nicht mehr 
viel die dinger.

Autor: Bensch (Gast)
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Es gibt SMD-KK bei Fischer, wenn's denn sein muss.

Autor: Jens B. (daisho)
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Bensch wrote:
> Es gibt SMD-KK bei Fischer, wenn's denn sein muss.

Und von genau denen rede ich. ;)
Aber wie Karl schon schrieb,da kann man sich herrlich drüber streiten. 
Ich hab´ nur eben im Hinterkopf,daß wir vor einiger Zeit mal DIL-8-IC´s 
(Schaltregler von 600V auf 20V oder so) mit Kleinkühlkörpern das 
Abfackeln ausgetrieben haben.

Autor: André Wippich (sefiroth)
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Duck und weg wrote:
> Nur so nebenbei. Wenn die Verlustleistung kein Feature der Schaltung
> ist, kriegt man die Verlustleistung mit mehreren FETs runter. Bei 2 FET
> hat man noch den halben Widerstand, macht die halbe Leistung auf zwei
> verteilt. Bei 4 FETs ist der Widerstand ein Viertel, die Leistung auch,
> und jeder FET muss noch ein Sechzehntel verbraten. Kosten ja nicht mehr
> viel die dinger.

Naja, die Dinger kosten jeweils ihre 5 bis 10 Euro... Und der Ruhestrom 
würde sich bei mehreren Transitoren doch verdoppeln und verdreifachen - 
der wird ja für die interne Versorgung der Logikelemente des 
BTS442/VN610 benötigt... Die Leckströme durch die Last sind im Vergleich 
um den Faktor 10 kleiner.

Nochmal zur Kühlung. Ich weiß nicht so genau was eine FR4 Platine sein 
soll - aber ich kann schon die Voraussetzung mit der offenen Box nicht 
erfüllen. Das Ganze muss in ein Alu-Gehäuse geschraubt werden und das 
wird dann wiederrum in einem größeren Schrank eingebaut. Wärmestau lässt 
grüßen... Und wenn ich da große Kühlflächen drumherum machen und da dann 
auch noch Kühlkörper draufkleben muss, so dass ich gegenüber den TO220 
Bauteilen mit Kühlkörper keinerlei Platzgewin habe, dann kann ich auch 
die günstigeren BTS442 nehmen.

Oder... ich nehm einfach Relais, die 20A schalten können und steuer die 
mit kleinen FETs an. Dann hab ich auch das Ruhestromproblem vom Hals und 
der Platzbedarf wird eltztendlich wahrscheinlich auch noch kleiner 
sein...

Autor: Karl (Gast)
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@Jens B.

Du hast davon geredet, den KK auf das IC Gehäuse zu kleben. Fischer 
sieht den Einsatz entweder auf der Kupferfläche vor oder, in dem Fall, 
dass das IC entsprechende wärmeleitende Elemente zur Oberfläche hat, 
auch auf dem IC. Das aber auch nur in diesem speziellen Fall und der ist 
hier nicht gegeben.

Autor: Jens B. (daisho)
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André Wippich wrote:
>
> Oder... ich nehm einfach Relais, die 20A schalten können und steuer die
> mit kleinen FETs an. Dann hab ich auch das Ruhestromproblem vom Hals und
> der Platzbedarf wird eltztendlich wahrscheinlich auch noch kleiner
> sein...

Manchmal sind die einfachsten Lösungen die Besten... ;)

Autor: 1234 (Gast)
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@Andre,
Bist du sicher, dass der VN610SP die optimale Wahl fuer die Anwendung 
ist ? Kann wenig und ist teuer.

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