Verstehe ich die markierte Angabe richtig, dass sie bei Montage auf einer Kühlfläche mit 1 Quadrat-Zoll, also 6,5 Quadrat-Zentimeter gilt?
Ich habe noch die Angabe im Kopf, dass so ein Transistor ganz ohne Kühlfläche 250 mW sicher dauerhaft verträgt. Kennt jemand ähnliche Pi-mal-Daumen Werte für kleinere/realistische Kühlflächen?
Das sind alles Pi mal Daumen Schätzungen. Das fängt damit an, das Der Kanalwiderstand bei Ugs 10V angegeben wird, du den aber vermutlich mit Logikpegel ansteuern willst.
Dann kann es in einem geschlossenen Gehäuse zu Wärmestau kommen, weil da vielleicht ein Spannungesregler ist, oder in einem Schaltnetzteil ein gealterter Elko inzwischen nicht mehr low ESR ist und zum Heizkörper mutiert.
Dann kommt noch hinzu, wie dick das Board ist, wieviele Lagen es hat und ob es mit heizt, oder zur Entwärmung beiträgt.
Der Entwurf hat auch was mit Erfahrung und Intuition zu tun.
Wenn es keinen zwingenden Grund für 0,3mm Leiterzüge gibt, dann binde den Transistor entsprechend großzügiger an, damit er über seine Pins Wärme abgeben kann. Bei Drain und Source gerne auch mit ein oder mehreren Dukos kurz hinter dem Pad, um die Wärme auf andere Layer zu verteilen. Wenn das Teil nicht im 3 stelligen khz Bereich taktet, wo dir HF in die Suppe spucken kann, ist das eine gute Idee.
Gerne werden die Flächenangaben im Datenblatt der SMD Leistungshalbleiter noch um einen unauffälligen Zusatz wie "2oz. Copper" ergänzt, also zwei Unzen Kupfer pro Quadratfuß Leiterplattenfläche.
Es kann auch noch drauf ankommen ob 35 oder 70µm Kupfer, und natürlich einseitig oder doppelseitig mit Durchkontaktierungen (und deren Anzahl und Lage). Und dann noch die Einbaulage der Platine...
Verstehe ich die markierte Angabe richtig, dass sie bei Montage auf
einer Kühlfläche mit 1 Quadrat-Zoll, also 6,5 Quadrat-Zentimeter gilt?
Ja, so sehe ich das auch.
Ich vermute mal, das liegt daran, dass Ptot = 1.3W ist und um die Leistung loszuwerden, braucht man zusammen mit der Montageart <100°/W. Das passt dan so etwa für die max. Sperrschichttemperatur bei 20°C Umgebung.
In der auch vermerkten AN-994 ist zwar dieses Gehäuse SOT-23 nicht genannt; beim SOT-223 werden mit der Fläche typ. 27°C/W und max. 60°C/W (ein weiter Bereich!) genannt.
Ganz ohne Fläche max. 86°C/W. Also knapp ein Faktor von 1.5, den man grob auch auf das SOT-23 übertragen könnte.
Man wäre dann bei etwa 150°C/W und dann müsste eigentlich noch rund 1W möglich sein. (Kommt mir trotzdem viel vor).
250mW sind dann schon sehr auf der sicheren Seite mit nicht mal 40K Erhöhung.
Ich vermute mal, das liegt daran, dass Ptot = 1.3W ist und um die
Leistung loszuwerden, braucht man zusammen mit der Montageart <100°/W.
Das passt dan so etwa für die max. Sperrschichttemperatur bei 20°C
Umgebung.
Nein.
Die Datenblätter muss man richtig lesen:
die 1.3W ergeben sich schlicht aus max. Sperrschichttemperatur und der Angabe Rth_junction_anschlussfahne. Schlicht dividiert.
Also ein rein rechnerischer Wert.
Somit in der Praxis klar nicht machbar, da der "infinite heatsink" (früher sehr schön bei DaBla 2N3055 etc in den Tabellen-Fussnoten) halt nicht schaffbar ist .-)
Ist alles schon so lange her, aber da hatte ich einen Artikel gelesen und auch ein Programm zur Berechnung der Vias. Da staunt man Bauklötze was es alles zu beachten gibt. Allein bei der Temperatur. Unterschiede machten (klar machen das Unterschiede, wenn man das vor Augen hat) schon die Vias, ob mit Lötzinn gefüllt oder nicht.
Das beste Stück Arbeit was ich je gesehen habe, und der Mensch, der das entwickelt hatte, wusste mit Temperatur umzugehen, war ein Curtis-Controller.
Anfangs wurden diese Teile für Rollstühle entwickelt und dann kamen sie in Flurföderzeuge. Wenn einer schon mal den Begriff "Ameise" gehört hat, im Zusammenhang mit Gabelstaplern, in solche Geräte.
Na jedenfalls waren die ersten Curtis noch nicht mit Mosfets. Da waren Platinen über Kopf, ineinander verschachtelt. Das Teil wurde nur über die Platte gekühlt, die mit dem Fahrzeug verbunden war. Diese Steuerung machte bis zu 240A. Nur eine Einzige hatte ich defekt. Aber Temperaturprobleme gab es nie bei den Dingern. Selbst bei richtig heißem Wetter nicht.
Früher gab es bestimmt die besseren Entwickler.
Ja, so sehe ich das auch.
Ich vermute mal, das liegt daran, dass Ptot = 1.3W ist und um die
Leistung loszuwerden, braucht man zusammen mit der Montageart <100°/W.
Das passt dan so etwa für die max. Sperrschichttemperatur bei 20°C
Umgebung.
Üblicherweise gelten die Datenblattangaben für 25°C Umgebungstemperatur, aber auch damit passt es in etwa rechnerisch.
Nein.
Die Datenblätter muss man richtig lesen:
die 1.3W ergeben sich schlicht aus max. Sperrschichttemperatur und der
Angabe Rth_junction_anschlussfahne. Schlicht dividiert.
Also ein rein rechnerischer Wert.
Nein, im Datenblatt ist der Wärmewiderstand zur Umgebung (Junction-to-Ambient) bei Montage auf 1 Quadrat-Zoll kupferkaschierter Leiterplatte genannt.
Nein.
Die Datenblätter muss man richtig lesen:
die 1.3W ergeben sich schlicht aus max. Sperrschichttemperatur und der
Angabe Rth_junction_anschlussfahne. Schlicht dividiert.
Also ein rein rechnerischer Wert.
Nein, im Datenblatt ist der Wärmewiderstand zur Umgebung
(Junction-to-Ambient) bei Montage auf 1 Quadrat-Zoll kupferkaschierter
Leiterplatte genannt.
Du musst noch viel lernen, insbesondere Datenblätter zu verstehen.
Ich habe noch die Angabe im Kopf, dass so ein Transistor ganz ohne
Kühlfläche 250 mW sicher dauerhaft verträgt. Kennt jemand ähnliche
Pi-mal-Daumen Werte für kleinere/realistische Kühlflächen?
Ja, 250mW wird ein SOT23-3 wohl schon dauerhaft vertragen, nur sollte man ab einer gewissen Leistung dann lieber doch auf etwas dickeres umsteigen, ich persönlich würde es auf jeden Fall machen, d.h. etwas Robusteres nehmen, wenn ich damit 0,5A oder 1A schalten müsste – so ein Winzling käme für mich dann nicht in Frage, sondern mindestens einer im SOT223- und bei 1A oder mehr vielleicht sogar einer im DPAK-Gehäuse, weil da die Halbleiter in der Regel etwas robuster gestaltet sind; auch eine plötzliche Hitzeentwicklung im Innneren wird in der Regel durch ein größeres Gehäuse besser abgefangen. Meistens werden diese winzigen MOSFETs aber durch ganz andere Dinge entweder sofort oder durch die schleichende Degradation etwas verzögert zerstört – man geht zeitweise in einen Linearbetrieb über, man geht an die Spannungsgrenzen – insbesondere mit der Gatespannung – ohne jeglichen Überspannungsschutz. Man macht sich also um die 250mW und Hitzeableitung sorgen, der MOSFET wird aber wegen nicht Berücksichtung anderer Faktoren/Umstände nicht richtig gewählt und nach einer gewissen Zeit gar nicht durch die Hitze, sondern ein ganz anderes profanes Ereignis erledigt. Bei größeren/dickeren MOSFETs steigt aber in der Regel signifikant die parasitäre Kapazität am Eingang, am Ausgang und auch zwischen Eingang und Ausgang, der Miller-Effekt wird dann immer sichtbarer auf dem Oszilloskop und es wird auch immer problematischer so einen MOSFET adäquat schnell zu schalten – man muss also immer die Vorteile gegenüber den Nachteilen abwägen und bei einem Kompromiss dann irgendwo einen Punkt setzen.
Da waren
Platinen über Kopf, ineinander verschachtelt. Das Teil wurde nur über
die Platte gekühlt, die mit dem Fahrzeug verbunden war. Diese Steuerung
machte bis zu 240A. Nur eine Einzige hatte ich defekt. Aber
Temperaturprobleme gab es nie bei den Dingern. Selbst bei richtig heißem
Wetter nicht.
Die Sandwichbauweise hat Curtis nie aufgegeben und sie haben die Controller völlig vergossen - dankeschön. Meinem Curtis im Auto (60V, 400A) wurde vom Hersteller des Fahrzeugs ein Lüfter mitgegeben, weil es bei längerer Bergfahrt schon mal warm werden kann, obwohl dieser 1221 Controller mit MOSFets ausgestattet ist.
Ein Temperaturabfuhrwunder ist also auch das Aluprofil der Curtis nicht.
Ja, 250mW wird ein SOT23-3 wohl schon dauerhaft vertragen
Mit Rth=400°C/Watt sind das 125 Grad bei Raumtemperatur, ziemlich viel für zuverlässigen Betrieb.
Ein SOT-89 mit 1 cm² Top-Kupfer wird auf einem 6 Lagen Print mit GND Flächen bei 0.3 Watt Verlusstleistung 71°C warm.
Insgesamt sind 3 SOT-89 drauf, mit je 0.3 Watt und zwei DC/DC Regler.
Der Print ist ca. 8 x 10 cm gross, und die obere Hälfte mit den Transistoren wird spürbar warm. Mehr als 1 Watt würde ich nicht über SMD Bauteile verheizen.
125 Grad sind noch deutlich unter den maximal zulässigen 150. Die
größeren MOSFET sind sogar bis 175 °C spezifiziert.
Wo hast du die 400 her? Ist das ein Annäherungswert für SOT23?
Aus dem Datenblatt von Diodes DP350T05. Und Diodes waren die Vorreiter als die Rth Werte in den Datenblätter immer schöner wurden. Für zuverlässigen Dauerbetrieb sind Temperaturzyklen mit mehr als 100°C tödlich, wenn die Bauteile keine elastischen Beine haben um die thermische Ausdehnung zu schlucken.
Mit Rth=400°C/Watt sind das 125 Grad bei Raumtemperatur, ziemlich viel
für zuverlässigen Betrieb.
125 Grad sind noch deutlich unter den maximal zulässigen 150.
dir ist aber klar das im Sommer Raumtemperaturen auf 40°C steigen können, nicht überall sind Klimaanlagen verbaut.
Wer immer mit Raumtemperatur als 21°C rechnet hat schon verloren!
dir ist aber klar das im Sommer Raumtemperaturen auf 40°C steigen
können, nicht überall sind Klimaanlagen verbaut.
Wer immer mit Raumtemperatur als 21°C rechnet hat schon verloren!
Ja sicher. Es ging mir bei den 40 °C um die maximale Belastbarkeit, die unter günstigen Umständen bei Zimmertemperatur realistisch zu erreichen ist. Dass ein solides qualitativ hochwertiges Gerät weit mehr vertragen soll, steht auch für mich außer Frage.
Ich fand allerdings diesen Hinweis gut und wichtig:
Für zuverlässigen Dauerbetrieb sind Temperaturzyklen mit mehr als 100°C
tödlich, wenn die Bauteile keine elastischen Beine haben um die
thermische Ausdehnung zu schlucken.
Wenn man wie ich vorher nur mit bedrahten Bauteilen gearbeitet hat, kann das schnell man in Vergessenheit geraten.
Es ging mir bei den 40 °C um die maximale Belastbarkeit, die
unter günstigen Umständen bei Zimmertemperatur realistisch zu erreichen
ist.
"Günstige Umstände" wäre PCB-Aufbau mit anständigen Cu-Flächen zur Wärmeverteilung und ein solider Lüfter, der für Luftströmung und Zerstörung der Grenzschicht sorgt.
Mehr als 1 Watt würde ich nicht über SMD Bauteile verheizen.
Solange sich das vermeiden lässt, sollte man es auch vermeiden; wenn sich das nicht vermeiden lässt, was auch vorkommen darf und genauso legitim ist, sollte man zu dickeren/größeren Gehäusetypen greifen, was ich ausführlich beschrieben habe – aufwärmen wird sich mit der Zeit aber trotzdem alles entsprechend. Wenn jemand 1-2A durch ein SOT23-Gehäuse durchjagen oder es mit 250mW bespaßen will, wird man das durch Worte nicht verhindern können – er muss es selbst erfahren.
Ich habe gerade eine Lieferung IRLML6344 (N-Kanal) aus China
ausgemessen, meine ersten MOSFET in dieser kleinen SOT-23 Bauform.
Die Transistoren haben bei 3 V Ansteuerung und 1 A Laststrom 30 mV
Spannungsabfall, also nur 30 mW Verlustleistung.
Ich habe einen echten IRLML2502 auf einer kleinen, senkrecht frei an den Leitungen hängenden, einseitig kupferkaschierten Pertinaxplatine etwas stärker gequält.
Bei 4,5V Ansteuerung und 19°C Raumtemperatur:
1A: 26mV, 26mW
4,2A nach mehreren Minuten: 131mV, 0,55W
5A nach mehreren Minuten: 174mA, 0,87W
Da das Netzteil nur max. 5A liefern kann habe ich die Ansteuerspannung auf 3V reduziert. Nach 15 Minuten habe ich den Test abgebrochen weil mich der Netzteillüfter genervt hat. Der Spannungsabfall an der Gate-Source Strecke hatte sich da bei 5A bei 245mV stabilisiert. Die 1,23W Verlustleistung waren mit nah genug am Datenblatt-Maximalwert von 1,25W.
Bei 10V Vgs und weiter 5A Strom fiel der Spannungsabfall auf 135mV.
die 1.3W ergeben sich schlicht aus max. Sperrschichttemperatur und
der Angabe Rth_junction_anschlussfahne. Schlicht dividiert.
Somit in der Praxis klar nicht machbar
Die 1,23W Verlustleistung waren mit nah genug am
Datenblatt-Maximalwert von 1,25W.
Ich habe mir das bei mehreren anderen IRLML Modellen unterschiedlicher Hersteller angeschaut. Bei allen ist es wie du sagst eine schlichte Division. Aber man beachte die Beschriftung "junction-to-ambient" (Umgebung, nicht Anschlussfahne). Die Kühlung durch die Platine in 25°C Luft ist da schon mit drin!
Bei den größeren TO220 Modellen steht an dieser Stelle hingegen ein "junction-to-case" Wert.
Ich habe einen echten IRLML2502 auf einer kleinen kupferkaschierten
Pertinaxplatine etwas stärker gequält.
Sehr schön. Was mir dabei auffällt ist, dass sich deine Kühlfläche je
zur Hälfte auf Drain und Source verteilt.
Das war halt Q&D geschnitzt, billigstes Leiterpattenmaterial und einfchste Flächenaufteilung. Ich hatte ja nicht einmal eine Fläche für das Gate vorgesehen sondern das Beinchen nur etwas hochgebogen und direkt an die Litze gelötet, weshalb ich Q&D gerecht Schmelzkleber als Zugentlastung brauchte.
Die Testbedingungen waren härter als im Datenblatt, der Transistor hat überlebt, das reicht mir als Test.
Alpha & Omega nennt im Datenblatt des AO3400A bei den Thermal Characteristics Werte zu RθJL (Junction-to-Lead) und RθJA (Junction-to-Ambient). Bei RθJA haben sie getrennte Angaben für t≤10s und "Steady-State". Für die Angabe der max. möglichen Verlustleistung nutzen sie natürlich den niedrigeren t≤10s-Wert und kommen so auf einen höheren Wert als IR beim IRLML6344. Ein wenig getrickst wird halt überall.
Die Angaben zu den Testbedingen sind etwas ausführlicher als beim IRLML6344.
Hier z.B. Fußnote A:
"A. The value of RθJA is measured with the device mounted on 1in2 FR-4 board with 2oz. Copper, in a still air environment with TA =25°C. The
value in any given application depends on the user's specific board design."
In der auch vermerkten AN-994 ist zwar dieses Gehäuse SOT-23 nicht
genannt;
IR bezeichnet ihre Variante des SOT23 als Micro3™. In An-994 und auch der aktualisierten AN-0994 wird das als u-3 gelistet.
Der dort aufgeführte Wert von RθJA bei der Messmethode "One square inch" ist mit max. 230°C/W deulich höher als der in den Datenblättern zu IRLML6344 und IRLML2502, steht so aber z.B im Datenblatt des "Fifth Generation HEXFET" IRMLM2803.
Vor AN-994 hatte IR wohl eine andere Messmethode.
Im Design Tip DT 9417 https://www.irf.com/technical-info/designtp/dt94-17.pdf
hatten sie Angaben zum "industry standard test board" gemacht, aber auch darauf hingewiesen, dass sie für Micro3 Typen einen neuen Standard einführen, der näher an den realen Einsatzbedingungen ist: Standard Footprint auf einem PCB mit 35µm Kupfer.
Nach AN-994 muss IR es geschafft haben RθJL von den dort genannten 139°C/W deutlich zu senken und so sogar unter unter einfacheren Anforderungen an das Board auf max. 100°C/W RθJA zu kommen wie z.B. beim IRLML6401 unter Note 3 genannt.
So richtig zusammenpassen wollen die verschiedenen Wert für mich allerdings nicht.
Ich habe mit googles Bildersuche Fotos und Zeichnungen vom inneren Aufbau der SOT23 Bauteile gefunden.
Einige kleben das Silizium auf den Drain Anschluss, andere kleben es auf Plastik und verbinden ihn nur elektrisch (nicht thermisch) mit den Anschlüssen.
Das könnte den Unterschied zwischen 100 und 230 K/W erklären.
Ich habe von LCSC AO3004A von Alpha & Omega Semicon und von UMW(Youtai Semiconductor Co., Ltd.) bekommen, die billig genug waren, um einmal nachzusehen wie sie aufgebaut sind.
Das Gehäuse des A&O AO3400A ist deutlich größer als das des UMW und die Anschlüsse treten weiter oben daraus heraus.
Mit einem scharfen Seitenschneider direkt über den Anschlüssen durchgeknipst sieht man bei dem A&O die blanke Oberseite des Leadframes, das Die muss kopfüber am Drainanschluss hängen. Ich habe ihn nicht weiter zerlegt, weil ich sonst die so gut erkennbare Anordnung der erstaunlich großen Metallteile zerstört hätte.
Beim UMW hat sich beim Durchknipsen das Oberteil mit dem eingetteten Die vom Drain-Pad gelöst, der Source-Pin und kleine Gehäuseteile sind verloren gegangen. Im Oberteil sieht man 6 abgerissene Source-Bonddrähte.
Für so preiswerte Bauteile scheint man bei beiden einen doch erheblichen Aufwand zur elektrischen und thermischen Ankopplung getrieben zu haben.
Mehr als 1 Watt würde ich nicht über SMD Bauteile verheizen.
Das mag für einlagige FR4 eine brauchbare Faustregel sein ;-)
Auf IMS und mit exposed Pad hast du da schon etwas mehr Spielraum.
Aus dem Gehäuse muss die Wärme natürlich trotzdem raus.
Schick mal je ein Exemplar an Richi, der hat im Sezieren von Chips mehr
Erfahrung ;-)
Mach ich gerne, falls er Interesse und Zeit hat. Ich warte gerade noch auf Infineon/IR IRLML6344 und "Nachbauten" und kann ihm dann eine kleine Sammlung von u.a. SOT23 MOSFETs anbieten. Ich fürchte aber, seine Warteschlange ist lang und gut gefüllt.
Ich selbst habe weder das Geschick noch die Geduld zum Sezieren dieser kleinen Bauteile, feineres Werkzeug als ein Super Knips ist nichts für mich. Ohne Teppichklebeband hätte ich spätestens beim Fotografieren nicht nur kleine Bruchstücke sonden die ganzen MOSFETs verloren.
Ich habe doch noch einen der UMW AO3400A geopfert, bei nur etwa 2 Cent pro Stück kein großer Verlust.
Ich habe einen dicken Kupferdraht plattgedrückt, den MOSFET aufgelötet und nach dem Abkühlen aufgeknipst. Ich habe viel zu viel Lot genommen, der MOSFET war anfangs regelrecht aufgeschwommen, und habe mit einigen Minuten bei 370°C wohl auch nicht lange und hoch genug geheizt. An der rechten Kante ist beim Aufknipsen etwas vom Die abgebrochen aber die Größe ist noch recht gut erkennbar.
Für des Foto mit dem Messmikroskop hat mir mindestens eine Hand gefehlt: Kamera, Objekt und Taschenlampe gleichzeitig zu halten und bedienen war nicht einfach.
2024-03-15_09-43.png
(350 KB)
