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Forum: Platinen Einfluss von thermischen Vias auf den Wärmetransport eines MOSFETs


Autor: Farzam F. (farzam_f)
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Hallo, wie kann ich für einen Power MOSFET [N-ch single 30V<VDSS≤60V] 
richtige Thermal Vias berechnen bzw. [Anzahl, Abstand, Dicke usw...].
Ich will die dauerhafte maximale Verlustleistung des MOSFETs hinkriegen 
[laut Datenblatt PD = 132 W], um Einfluss von thermischen Vias auf den 
Wärmetransport zu analysieren. ich will die Vias [mit Harz gefüllt und 
Kupfer abgedeckt] in das Pad setzen! Übrigens um einen kleinen 
Wärmewiderstand zu bekommen muss der MOSFET an den Kühlkörper 
angeschraubt werden.

Ziel der Untersuchung ist die Optimierung der thermischen Entwärmung für 
einen MOSFET durch Vias!

Für diesen zweck hab ich erst eine Schaltung ''Switching Test Circuit'' 
[laut Datenblatt Fig. 6.2.1] in LTspise simuliert und hab folgende Werte 
[als Spitze] bekommen:

ID = 120 A
VDS = 600 mV
VGS = 10 V
P [MOSFET] = 75 W

Anbei ist das Datenblatt des Mosfets und LTspice-Simulation. Danke...

: Verschoben durch Moderator
Autor: Prometheus (Gast)
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Das gabs vor einigen Jahren mal eine Application Note vom Leiterplatten 
Würth.

Schau doch dort mal nach. Die hatten einige Berechnungen dazu und können 
das nachher auch fertigen.

Wobei 132W durch eine FR4 Platine ducrh nach sehr grenzwertig 
klingt.....

Prometheus

Autor: Farzam F. (farzam_f)
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Prometheus schrieb:
> Das gabs vor einigen Jahren mal eine Application Note vom Leiterplatten
> Würth.
>
> Schau doch dort mal nach. Die hatten einige Berechnungen dazu und können
> das nachher auch fertigen.
>
> Wobei 132W durch eine FR4 Platine ducrh nach sehr grenzwertig
> klingt.....
>
> Prometheus

Ich hab nur diese Dokument gefunden!

: Bearbeitet durch User
Autor: georg (Gast)
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Farzam F. schrieb:
> Ich will die dauerhafte maximale Verlustleistung des MOSFETs hinkriegen
> [laut Datenblatt PD = 132 W]

Laut Datenblatt:

Power Dissipation 3 W bei auflöten auf durchgehende Fläche 25 x 25 mm. 
Grössere Flächen bringen keine erwähnenswerte Verbesserung.

D.h. selbst wenn man mit Vias mit dem Wärmewiderstand 0 (was es nicht 
gibt) die Verlustwärme auf die andere Seite bringt, kann das die 
zulässige Abwärme nur auf weniger als das Doppelte bringen -  in der 
Praxis heisst das, egal wie die Vias aussehen, mehr als 4 W ist 
illusorisch.

Georg

Autor: Mw E. (Firma: fritzler-avr.de) (fritzler)
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Dir ist aber schon bekannt, dass die 132W des Datenblatts niemals 
erreichbar sind?
Die gelten immer für Tchannel = 25°C und das bekommst du nicht hin.
Seidenn du frierst den IC ein.
Denn der thermische Widerstand vom Kanal zur Kühlfläche beträgt schon 
1,13K/W.
Also den FET müssteste auf -125°C kühlen damit das geht ;)

Ansonsten den Wärmeleitwiderstand eines einzelnen Thermal Via berechnen.
Viele von denen ergeben dann eine parallelschaltung wie bei "normalen" 
Widerständen.
Berechner:
http://circuitcalculator.com/wordpress/2006/03/12/pcb-via-calculator/

Dann addierste die Thermischen Widerstände (Reihenschaltung):
Kanal zu FET Gehäuse
vom Lötzinn (FET -> Platine)
den Thermal Vias
dem Übergang von Platine zu Kühlkörper
dem Kühlkörper

Grob gesagt sind mit nem dicken Kühler villeicht 20W machbar.

Autor: Christian B. (luckyfu)
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georg schrieb:
> D.h. selbst wenn man mit Vias mit dem Wärmewiderstand 0 (was es nicht
> gibt) die Verlustwärme auf die andere Seite bringt, kann das die
> zulässige Abwärme nur auf weniger als das Doppelte bringen -  in der
> Praxis heisst das, egal wie die Vias aussehen, mehr als 4 W ist
> illusorisch.

naja, fast.

Mit Vias kann man helfen, die Wärme hin zu anderen Kupferflächen in der 
Platine zu transportieren. d.h. man baut sich ein kleines 
"Speicherreservoir" Wenn in der unmittelbaren Nähe Stecker, 
Befestigungsbauteile oder ähnliches vorhanden ist, können diese zur 
Kühlung beitragen, indem Sie die Wärme tatsächlich abführen. Rein von 
der Platinenoberfläche gelingt das nur sehr schlecht.
Es gibt aber auflötbare Kühlkörper, die man direkt auf das Pad des 
Transistors löten kann. Wenn die dann noch etwas angepustet werden 
kühlen die schon sehr gut und lassen sich mit der SMD bestücken, kosten 
somit kaum was.

z.B. 
https://de.farnell.com/aavid-thermalloy/7106dg/k-hlk-rper-to-263/dp/1611437

Ansonsten gilt das, was meine Vorredner schrieben: Die Werte sind nicht 
erreichbar.

: Bearbeitet durch User
Autor: C. A. Rotwang (Gast)
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Farzam F. schrieb:
> Ziel der Untersuchung ist die Optimierung der thermischen Entwärmung für
> einen MOSFET durch Vias!

Hinweis, bei solchen riesigen Kupferflächen rennt man schnell in das 
Problem der Lötbarkeit, also man bekommt das Lot nicht richtig flüssig, 
weil die Lötwärme über die Pads als Löthitze gleich entschwindet.

Ferner wäre zu überlegen, ob du nicht an PCB mit Metallkern  (MCPCB) 
nehmen musst, also nicht nur die Via's designen sondern auch noch einen 
Spezial layer stack im Auge haben musst.
https://www.bestpcbs.com/public/pdf/Metal-Core-PCB-design-guide.pdf

Beitrag "Metallkern-PCB - günstiger Hersteller"
Beitrag "Hochtemperatur-Platinen"

Autor: Farzam F. (farzam_f)
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So... Danke euch für eure Antworten!
Soweit ich verstanden habe, dass ''Power Dissipation'' in diesem Fall 
[laut Datenblatt Zth(ch-a)=50°C/W] mit den 70um dicken und großen 
Kupferflächen [PD=3W] ist. Nun hab ich nochmal eine Schaltung simuliert 
und folgende Werte erhalten.

IDS = 60 A
VDS = 58 mV
VGS = 10 V
P[MOSFET] = 3.54 W

Also... P[MOSFET] > PD ---> Deswegen muss ich VIAs + Kühlkörper 
benutzen?!
Anbei ist meine LTspise-Simulation-Bild! Danke für eure Hilfe! :)

Autor: georg (Gast)
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Farzam F. schrieb:
> Deswegen muss ich VIAs + Kühlkörper
> benutzen?!

Vias bringen die Wärme auf die andere Seite, haben aber auch einen nicht 
unwesentlichen Wärmewiderstand.

Ich glaube aber nicht dass du den Kühlkörper auf der Unterseite auflöten 
willst, insofern sind die Vias egal. Aber nichts genaues weiss man 
nicht.

Wenigstens sind die 132 W vom Tisch (das hätte auch kein Tisch 
ausgehalten).

Georg

Autor: Sven S. (schrecklicher_sven)
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Mw E. schrieb:
> Die gelten immer für Tchannel = 25°C und das bekommst du nicht hin.
> Seidenn du frierst den IC ein.
> Denn der thermische Widerstand vom Kanal zur Kühlfläche beträgt schon
> 1,13K/W.
> Also den FET müssteste auf -125°C kühlen damit das geht ;)

Was ist ein Tchannel?!?
Du schreibst da einen ganz schönen Schmarrn.

Autor: Mw E. (Firma: fritzler-avr.de) (fritzler)
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@Sven:
Die Temperatur des Channels?
Tc genannt im Datenblatt und als Note 1 auf S.2 ausgeschrieben:
> Ensure that the channel temperature does not exceed 175 °C

Aber schon interessant, du weist das nicht aber unterstellst mir 
Schmarrn zu schreiben.
Troll dich zurück in deine Höhle!

Autor: Sven S. (schrecklicher_sven)
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Mw E. schrieb:
> Die Temperatur des Channels?
> Tc genannt

Nö, das c steht für Case = Gehäuse.

Autor: Mike (Gast)
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Hallo

Farzam F. schrieb:
> Also... P[MOSFET] > PD ---> Deswegen muss ich VIAs + Kühlkörper
> benutzen?!

Im Datenblatt(tph1r104pb) steht unter absolute maximum ratings für P_D 
t=10s 3.0W Note2.
Für mich heißt dass, das eine Verlustleistung von 3W für 10 Sekunden auf 
einer PCB welche durch Note2 in der Fig 5.1 beschrieben erlaubt ist.

Also ja, wenn man 3W Verlustleistung am Transistor dauerhaft haben will, 
dann sollte man den Transistor bzw. die PCB(Fig 5.1) kühlen.

Wärmeableitung mit VIAs.
Ich setze jeweils eine nahe den Drain-und Source-Pads und ein paar links 
und rechts. Wegen der Paste keine unter dem Gehäuse. Das kann ich leider 
nicht besser beschreiben.

Verwendung von planes(Kupferflächen) für Drain und Source.
Ich hab mal gelesen dass eine Kupferfläche welche für
die Wärmeleitung dient bis zu einer Größe von 1 quadrat-inch(also 
2.54cmx2.54cm) ausreichen ist. Eine größer Fläche würde nicht mehr viel 
bringen. Einzig alleine die Größe der Leiterplatte spielt in dieser 
Betrachtung eine Rolle.

mfg
Mike

Autor: Farzam F. (farzam_f)
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georg schrieb:
> Farzam F. schrieb:
>> Deswegen muss ich VIAs + Kühlkörper
>> benutzen?!
>
> Vias bringen die Wärme auf die andere Seite, haben aber auch einen nicht
> unwesentlichen Wärmewiderstand.
>
> Ich glaube aber nicht dass du den Kühlkörper auf der Unterseite auflöten
> willst, insofern sind die Vias egal. Aber nichts genaues weiss man
> nicht.
>
> Wenigstens sind die 132 W vom Tisch (das hätte auch kein Tisch
> ausgehalten).
>
> Georg

Doch ich will unbedingt ein Kühlkörper auf der Unterseite auflöten!:)
Ich verstehe immer noch nicht, warum die 132W des Datenblatts niemals
erreichbar sind! (@fritzler schon gesagt!)

Autor: Farzam F. (farzam_f)
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Mike schrieb:
> Hallo
>
> Farzam F. schrieb:
>> Also... P[MOSFET] > PD ---> Deswegen muss ich VIAs + Kühlkörper
>> benutzen?!
>
> Im Datenblatt(tph1r104pb) steht unter absolute maximum ratings für P_D
> t=10s 3.0W Note2.
> Für mich heißt dass, das eine Verlustleistung von 3W für 10 Sekunden auf
> einer PCB welche durch Note2 in der Fig 5.1 beschrieben erlaubt ist.
>
> Also ja, wenn man 3W Verlustleistung am Transistor dauerhaft haben will,
> dann sollte man den Transistor bzw. die PCB(Fig 5.1) kühlen.
>
> Wärmeableitung mit VIAs.
> Ich setze jeweils eine nahe den Drain-und Source-Pads und ein paar links
> und rechts. Wegen der Paste keine unter dem Gehäuse. Das kann ich leider
> nicht besser beschreiben.
>
> Verwendung von planes(Kupferflächen) für Drain und Source.
> Ich hab mal gelesen dass eine Kupferfläche welche für
> die Wärmeleitung dient bis zu einer Größe von 1 quadrat-inch(also
> 2.54cm x 2.54cm) ausreichen ist. Eine größer Fläche würde nicht mehr viel
> bringen. Einzig alleine die Größe der Leiterplatte spielt in dieser
> Betrachtung eine Rolle.
>
> mfg
> Mike


Hallo Mike,

Danke für deine Hilfe. Genau will ich die Verlustleistung dauerhaft am 
Mosfet haben. laut meine Simulation hab ich [3.54 W] bei Mosfet!

Gibt's kein Formel für Vias-Einsetzen bzw. Vias-Anordnung (Wie viele? Wo 
platziert?! usw.)

Außerdem will ich Plugged & Covered Via direkt unter dem Mosfet 
verwenden.

Autor: Mike (Gast)
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Hallo

Farzam F. schrieb:
> Ich verstehe immer noch nicht, warum die 132W des Datenblatts niemals
> erreichbar sind! (@fritzler schon gesagt!)

Die Verlustleistung ist schon erreichbar aber nur unter bester 
Vorraussätzung einer Kühlung. z.B. mit Flüssigstickstoff meines 
Erachtens.

Die große Frage die sich aber stellt ist: Wieso willst du 130W 
Verlustleistung am Transistor haben ? Das ist sehr ungewöhnlich.
Der Hardwareentwickler ist in der Regel bestrebt die Verlustleistung so
gering wie möglich zu halten.
Wenn die Anforderung kommt max. Drainstrom von 30A, dann 
überlegt/rechnet der HW-Entw. wie hoch die Verlustleistung am Transisor 
werden.
Wenn diese Verlustleistung nur schwer mit Kühlung vom Transistor 
weggeleitet werden kann, ja dann wird ein zweiter Transistor parallel 
geschaltet.
Wegen P=R*I² ergibt sich durch parallel schalten dann (Hr. Simon Ohm sei 
Dank) nur mehr ein viertel! der Gesamtverluste.
Ein Transistor hat x W_tot; 2 Transistoren haben x/4 W_tot


Farzam F. schrieb:
> Gibt's kein Formel für Vias-Einsetzen bzw. Vias-Anordnung (Wie viele? Wo
> platziert?! usw.)
>
> Außerdem will ich Plugged & Covered Via direkt unter dem Mosfet
> verwenden.

Plugged Vias werden u.U. mehr kosten und wird nicht viel zu einer 
besseren Wärmeleitung beitragen.

Covered Vias: Du meinst mit Lötstopplack überdeckt? Wird für eine 
bessere Wärmeleitung m.E. nichts bringen.

Vias unter dem Transistor auf dem Pad des Drain kann Probleme mit der 
Paste beim Reflowprozess entstehen. Lot fliest auf andere PCB-Seite.

mfg
Mike

Autor: Farzam F. (farzam_f)
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Mike schrieb:

> Die große Frage die sich aber stellt ist: Wieso willst du 130W
> Verlustleistung am Transistor haben ? Das ist sehr ungewöhnlich.
> Der Hardwareentwickler ist in der Regel bestrebt die Verlustleistung so
> gering wie möglich zu halten.

Ja du hast vollkommen Recht aber meine Untersuchung geht es um 
''Verbesserung der thermischen kühlung eines Leistungshalbleiters wie 
MOSFETs''
Deswegen hätte ich mehr Verlustleistung (so groß wie möglich) am Mosfet!
Je mehr Verlutleistung im MOSFET entsteht, desto höher muss die 
Wärmeableitung sein! Oder?!

Für diesen Zweck will ich verschiedene Via-Anordnungen [Via neben 
Bauteil und direkt unter dem Bauteil sowie normale Via und mit einem 
Harz gefüllten und mit Kupfer abgedeckten Via usw.] untersuchen! :)

LG!
Farzam

Autor: Mike (Gast)
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Mike schrieb:
> nur mehr ein viertel! der Gesamtverluste.

Sorry die Hälfte ist es.

I_D_gefordert=30A Annahme
Schaltung mit einem Transistor:
P_tot=R_DS_ON*I_D²=1mR*30A*30A=900mW
Schaltung mit zwei Transistoren:
P_tot=2*(R_DS_ON*(I_D/2)²)=2*1mR*15A*15A=450mW

Die Verlustleistung reduziert sich auf die Hälfte.
Zusatz: Man kann MOSFETs parallel schalten weil der R_DS mit steigender 
Temperatur zunimmt und somit ein "durchgehen"(durchbrennen) eines 
Bauteiles nicht möglich ist.

Wenn ich falsch liege, sagt es mir einfach. Ich bin lernfähig.

mfg
mike

Autor: Sebastian (Gast)
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Wenn man soviel Leistung durch die Leiterplatte bringen will, werden so 
genannte Kupferkerne eingesetzt. Man bohrt ein Loch durch die 
Leiterplatte, presst einen Kupferkern ein und montiert von beiden Seiten 
einen Kühlkörper.

Autor: Mike (Gast)
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Hallo


Farzam F. schrieb:
> Deswegen hätte ich mehr Verlustleistung (so groß wie möglich) am Mosfet!
> Je mehr Verlutleistung im MOSFET entsteht, desto höher muss die
> Wärmeableitung sein! Oder?!

Ja, sicher.
Oder auch anders herum. Wenn die Wärmeableitung nicht ausreichend ist, 
dann
steigt die Temperatur im inneren des Transistors bis zu seiner T_j_max 
und
brennt dann durch. T_j_max ... Transistor Junction Maximaltemperatur.
Im datenblatt steht T_c für channel. Channel ist aber ungewöhnlich.

Farzam F. schrieb:
> Verbesserung der thermischen Kühlung eines Leistungshalbleiters wie
> MOSFETs'

Von der Wirksamkeit der Kühlung halte ich einen Ventilator(Fan) am 
geeignetsten wobei der Transistor auf einer PCB mit Kühlkörper sein 
muss.
Eine höhere Anzahl an Durchkontaktierungen bringen m.E. nicht viel.
Man darf nicht vergessen, dass die PCB(ohne Cu) z.B.FR4 selber auch 
Wärme gut leiten kann.
Im extremsten Fall, dass der Kühlkörper zu klein dimensioniert wurde, 
bzw.
ein größere nicht passt(warum auch immer) kann man mit Heatpipes die
Wärme zu einem anderen Kühlkörper transportieren.

Ich hoffe du verstehst, dass 130W Verluste an einem Transistor bei 
vielen
Elektronikern Bauchschmerzen hervorrufen.

mfg
Mike

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Google: mosfet cool pad high power

In die Richtung solltest du mal schauen.

https://www.onsemi.com/pub/Collateral/TND6224-D.PDF

Autor: Farzam F. (farzam_f)
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Mike schrieb:

> Ja, sicher.
> Oder auch anders herum. Wenn die Wärmeableitung nicht ausreichend ist,
> dann
> steigt die Temperatur im inneren des Transistors bis zu seiner T_j_max
> und
> brennt dann durch. T_j_max ... Transistor Junction Maximaltemperatur.
> Im datenblatt steht T_c für channel. Channel ist aber ungewöhnlich.

ja ist es ungewöhnlich aber es ist gleich wie Tj! Oder?!

> Von der Wirksamkeit der Kühlung halte ich einen Ventilator(Fan) am
> geeignetsten wobei der Transistor auf einer PCB mit Kühlkörper sein
> muss.

Ventilator für meine Untersuchung kommt nicht in Frage! :)
bzw. ich muss nur Verschiedene Epoxy-Harz-Vias mit Kühlkörper 
(Unterseite) bei einem FR4-PCB verwenden.

laut meiner Simulation hab ich folgende Werte:

IDS = 60,43 A
VDS = 58,6 mV
VGS = 10 V
P[MOSFET] = 3.54 W

RDS(ON) = 0,97 mOhm

Im datenblatt steht Rth(ch-a) = 50 °C/W

Ich hab Rth für eine FR4-Fläche (25.4 * 25.4 * 1,6 mm) wie folgt 
berechnet:

Rth = [L / (A * λ)] = [1.6 mm / (645,16 mm * 384 W/m*K)] = 0,645 K/W

Außerdem hab ich Rth eines Vias mit folgende Annnahme so berechnet:

Kupferdicke: b = 25 μm
Durchmesser: d = 250 μm
PCB-Dicke:   l = 1,6 mm
Wärmeleitfähigkeit: λcu = 384 W/mK

A = [π * (b + d) * b] = 0,021588 mm^2

Dann Rth = 193 K/W für einzelne Via!

Nun meine Frage:

1)Was soll ich als nächstes berechnen?!
2)Wie kann ich entwickelte Wärme in MOSFETs mit 3.54W berechnen?!
3)Wie viel Wärme kann durch eine Via zum Kühlkörper geleitet werden?!

MFG

Autor: Hilfegeber (Gast)
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Du musst das ein wenig anders betrachten.

Als erstes musst du festlegen wie hoch deine maximale 
Sperrschichttemperatur sein darf. Und aus dieser Angabe kannst du den 
Rest berechnen.

Zu deinen Fragen:

1. Das habe ich schon beantwortet

2. Das hängt von deinen Wärmewiderständen ab d.h. abhängig von der 
Anzahl der Vias, Wärmeübergangswiderstand zwischen MOSFET und Platine 
(Junction-to-Case), Wärmewiderstand des Koppelmediums (z.B. 
Wärmeleitpaste) und deinem Kühlkörper und deinem Kühlkörper. (Für den 
Fall das du einen hast)

3. Du kanns unendlich viel Wärme durch deinen Kühlkörper leiten ;) Die 
Temperatur die sich einstellt hängt von den zuvor genannten Parametern 
in 2. ab!

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