Disipacin trmicaComo se ha visto en otros captulos, la temperatura de la unin ejerce un efecto decisivo sobre el comportamiento de la misma, por lo que ser ste un parmetro importante de controlar, debido a que la unin, podr destruirse debido a un exceso de temperatura de la misma, adems de que una mayor temperatura de la misma, hace variar sus caractersticas de conduccin, lo que tambin la puede llevar a la destruccin.Es muy importante, por lo tanto, que el calor que en un funcionamiento normal se produce en la unin, pueda ser evacuado al exterior (al aire circundante) mediante el uso de disipadores, bien sea con ventilacin natural (por conveccin) o bien mediante ventilacin forzada (con ventiladores). De esta forma, el semiconductor , podr soportar una mayor potencia, un mayor paso de corriente a travs de l sin que quede destruido, adems de ser ms estable ante las variaciones puntuales de intensidad.IntroduccinEl estudio trmico de los dispositivos de potencia es fundamental para un rendimiento ptimo de los mismos. Esto es debido a que en todo semiconductor, el flujo de la corriente elctrica produce una prdida de energa que se transforma en calor.El calor produce un incremento de la temperatura del dispositivo. Si este incremento es excesivo e incontrolado, inicialmente provocar una reduccin de la vida til del elemento y en el peor de los casos lo destruir.En electrnica de Potencia larefrigeracinjuega un papel muy importante en la optimizacin del funcionamiento y vida til del semiconductor de potencia.Propagacin del calorEn todo semiconductor el flujo de la corriente elctrica produce una prdida de energa que se transforma en calor. Esto es debido al movimiento desordenado en la estructura interna de la unin. El calor elevar la energa cintica de las molculas dando lugar a un aumento de temperatura en el dispositivo; si este aumento es excesivo e incontrolado provocar una reduccin de la vida til del dispositivo y en el peor de los casos su destruccin.Es por ello que la evacuacin del calor generado en el semiconductor es una cuestin de gran importancia para asegurar el correcto funcionamiento y duracin del dispositivo.La capacidad de evacuacin del calor al medio ambiente podr variar segn el tipo de cpsula pero en cualquier caso ser demasiado pequea, por lo que necesita una ayuda adicional para transferir el calor disipado mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie conocido como disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cpsula al medio ambiente.Formas de transmisin del calorLa experiencia demuestra que el calor producido por un foco calorfico se propaga por todo el espacio que lo rodea. Esta transmisin del calor puede producirse de tres formas:1. Conduccin:Es el principal medio de transferencia de calor. Se realiza por la transferencia de energa cintica entre molculas, es decir, se transmite por el interior del cuerpo establecindose una circulacin de calor. La mxima cantidad de calor que atravesar dicho cuerpo ser aquella para la cual se consigue una temperatura estable en todos los puntos del cuerpo. En este tipo de transmisin se debe tener en cuenta la conductividad trmica de las sustancias (cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura).2. Conveccin:El calor de un elemento slido se transmite mediante la circulacin de un fluido que le rodea y este lo transporta a otro lugar, a este proceso se le llama conveccin natural. Si la circulacin del fluido est provocada por un medio externo se denomina conveccin forzada.3. Radiacin:El calor se transfiere mediante emisiones electromagnticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a cero grados Kelvin. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Las superficies mates son ms favorables que las pulidas y los cuerpos negros son los de mayor poder de radiacin, por este motivo se efecta un ennegrecimiento de la superficie radiante. La transferencia de calor por radiacin no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas a las que se trabaja, sta es despreciable.Parmetros que intervienen en el clculoPara que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la unin por debajo del mximo indicado por el fabricante.

El paso de la corriente elctrica produce un aumento de la temperatura de la unin (Tj). Si sta se quiere mantener a un nivel seguro, debemos evacuar al exterior la energa calorfica generada por la unin. Para que se produzca un flujo de energa calorfica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasar del punto ms caliente al ms fro, pero aparecen factores que dificultan este paso. A estos factores se les denomina resistencias trmicas.Por lo tanto, aprovechando la ley de ohm realizamos la siguiente comparacin elctrica mostrada en la figura adjunta. Asemejaremos las temperaturas a tensiones, las resistencias trmicas a las resistencias hmicas.Al igual que en un circuito elctrico, se puede decir que:

De la figura se obtiene la expresin:

Resistencias trmicasEn la siguiente figura se muestra la igualdad entre el circuito equivalente de resistencias trmicas y los elementos en un montaje real:

Rjc: Resistencia unin-contenedor. Rcd: Resistencia contenedor-disipador. Rd: Resistencia del disipador. Tj: Temperatura de la unin. Tc: Temperatura del contenedor. Td: Temperatura del disipador. Ta: Temperatura ambiente.Resistencia Unin-Contenedor (Rjc)En este caso el foco calorfico se genera en la unin del propio cristal semiconductor, de tal forma que el calor debe pasar desde este punto al exterior del encapsulado.Generalmente este dato lo suministra el fabricante, y depender del tipo de cpsula del dispositivo. Aparecer bien directamente o indirectamente en forma de curva de reduccin de potencia. En la figura siguiente se muestra este tipo de curva.

Esta muestra la potencia en funcin de la temperatura del contenedor. En ella la pendiente de la recta dada es la resistencia unin contenedor. La frmula que se utiliza para el clculo de esta resistencia es:

Donde estos datos se obtienen de la curva de reduccin de potencia, que ser propia de cada dispositivo. Deberemos de tener en cuenta que Pdes la dada por el fabricante y no la que disipar el dispositivo en el circuito. Normalmente Tcvale 25 C.Si tomamos de un manual los datos correspondientes a un 2N3055 sern:

Sustituyendo estos valores en la siguiente ecuacin, se obtiene el valor de la Rjc:

y sta es, precisamente, la Rjc indicada en los manuales para el 2N3055.Resistencia Contenedor-Disipador (Rcd)Es la resistencia trmica entre el semiconductor y el disipador. Este valor depende del sistema de fijacin del disipador y el componente, y del estado de planitud y paralelismo de las superficies de contacto, puesto que a nivel microscpico, solo contactan por unos puntos, quedando huecos de aire que entorpecen la transmisin del calor.Tambin depende del tipo de material que se interponga entre ambas superficies de contacto. Los elementos que se sitan entre la cpsula y el disipador pueden ser de dos tipos:a. Pastas conductoras de calor, que pueden ser o no ser conductoras de la electricidad.b. Lminas aislantes elctricas que se pueden emplear conjuntamente con siliconas conductoras de calor como mica, kelafilm, etc. Tambin las hay conductoras de calor que no precisan pasta de silicona.El tipo de contacto entre cpsula y disipador podr ser: Directo. Directo ms pasta de silicona. Directo ms mica aislante. Directo ms mica aislante ms pasta de silicona.El valor de esta resistencia trmica influye notablemente en el clculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que aplicaremos al dispositivo a refrigerar. Cuanto ms baja es Rcdmenor ser la longitud y superficie de la aleta requerida.Por ejemplo, para una cpsula TO.3 se tiene que con contacto directo ms pasta de silicona la Rcd= 0,12 C/W, que con contacto directo Rcd= 0,25 C/W, que con contacto directo ms mica y ms pasta de silicona Rcd= 0,4 C/W, y que con contacto directo ms mica Rcd= 0,8 C/W.Por lo tanto podemos decir, que cuando no sea necesario aislar el dispositivo, el tipo de contacto que ms interesa es el directo ms pasta de silicona, ya que da el menor valor de Rcdy si hubiese que aislar con mica interesa montar mica ms pasta de silicona ya que la Rcdes menor que si se monta solo con mica. Por ello podemos obtener la siguiente conclusin: La mica aumenta la Rcdmientras que la pasta de silicona la disminuye y como se ha dicho cuanto ms pequea sea la Rcdmenor superficie de aleta refrigeradora.Resistencia del disipador (Rd)Representa el paso por conveccin al aire del flujo calorfico a travs del elemento disipador. Este dato ser, en la prctica, la incgnita principal de nuestro problema, puesto que segn el valor que nos de el clculo, as ser el tipo de aleta a emplear. Depende de muchos factores: potencia a disipar, condiciones de la superficie, posicin de montaje y en el caso de disipadores planos factores como el grosor del material y el tipo de encapsulado. Para el clculo de la resistencia se pueden utilizar las siguientes frmulas:

Este valor de Rjano es el que da el fabricante ya que ste la suministra sin disipador, y la que hay que utilizar es con disipador. El fabricante la facilita como suma de Rjcy Rcapuesto que ignora el tipo de disipador que utilizaremos.Una vez calculada la Rdse pasa a elegir la aleta refrigeradora. Para la eleccin de la aleta, habr que tener en cuenta que el tipo de encapsulado del dispositivo a refrigerar sea el adecuado para su montaje en la aleta disipadora que se haya elegido. Despus de cumplir la condicin anterior hay que calcular la longitud o la superficie del disipador elegido. Para ello es necesario disponer de uno de los dos tipos de grficas que ofrecen los fabricantes de disipadores, la Rd-longitud y la Rd- superficie. Segn la grfica de que se disponga se obtendr un valor de longitud o un valor de superficie de disipador que hay que montar para refrigerar adecuadamente el dispositivo semiconductor.Resistencia Unin-Ambiente (Rja)

Como su nombre indica es la resistencia que existe entre la unin del semiconductor y el ambiente. Con esta resistencia deberemos de distinguir dos casos, el de resistencia unin ambiente con disipador y sin disipador. Cuando se habla de resistencia unin ambiente sin disipador, nos referimos a la resistencia unin contenedor junto con la contenedor ambiente:

Este valor es suministrado por el fabricante en funcin del tipo de contenedor. Cuando se habla de la resistencia unin ambiente con disipador nos referimos a la suma de la resistencia unin contenedor (Rjc), la resistencia contenedor disipador (Rcd) y la resistencia disipador ambiente (Rd):

Este valor no es conocido ya que vara segn el tipo de disipador que se utilice. El valor de Rjadepender de los valores de Rdy de Rcd. Como no es un valor fijo, no existe una tabla de valores tpicos.TemperaturasTemperatura de la unin (Tj)La temperatura mxima de la unin es el lmite superior de temperatura a la que no se debe llegar y menos sobrepasar si queremos evitar la destruccin de la unin. Este dato es un valor que se suele suministrar, normalmente, en los manuales de los fabricantes de semiconductores. Si este valor no se reflejara en dichos manuales o, simplemente, no se encuentra, podremos adoptar unos valores tpicos en funcin del dispositivo a refrigerar como los mostrados en la tabla que se expone a continuacin:DispositivoRango de TTjmax

de unin de GermanioEntre 100 y 125C

de unin de Silicioentre 150 y 200C

JFETentre 150 y 175C

MOSFETentre 175 y 200C

Tiristoresentre 100 y 125C

Transistores de Uninentre 100 y 125C

Diodos de Silicioentre 150 y 200C

Diodos Zenerentre 150 y 175C

En algunas ocasiones, en lugar de la temperatura de la unin se suministra elOPERATING TEMPERATURE RANGEque es el rango de valores entre los que puede funcionar el semiconductor, pero que no tiene relacin con la temperatura de la unin. Se debe distinguir entre la temperatura mxima de la unin permitida para un dispositivo y la temperatura real de la unin a la que se pretende que trabaje dicho elemento o dispositivo que, lgicamente, siempre ser menor que la mxima permitida. El objetivo del que disea ser mantener la temperatura de la unin por debajo de la mxima. Para ello se utiliza un coeficiente (K) de seguridad cuyo valor dar una temperatura de la unin comprendida entre el 50% y el 70% de la mxima. Por lo tanto K estar comprendido entre 0,5 y 0,7. Le asignamos el valor segn el margen de seguridad que queremos que tenga el dispositivo. La temperatura de la unin que se utilizar en los clculos ser:

Las condiciones de funcionamiento en funcin de k sern: Para valores de k=0.5. Dispositivo poco caliente. Mximo margen de seguridad, pero el tamao de la aleta refrigeradora ser mayor. Para valores de k=0.6. Dimensin menor de la aleta refrigeradora sin que el dispositivo se caliente demasiado. Para valores de k=0.7. Mximo riesgo para el dispositivo, mxima economa en el tamao de la aleta refrigeradora. Este coeficiente de seguridad exige que la aleta se site en el exterior.Temperatura de la Cpsula (Tc)Este dato no se suministra en los manuales ya que depende del valor de la potencia que disipa el dispositivo, de la resistencia del disipador y de la temperatura ambiente. Por lo tanto slo podemos calcularla cuando conozcamos todos los datos reflejados en alguna de las siguientes expresiones:

Temperatura del disipador (Td)Este valor se obtiene a partir de la potencia disipada Pd, de la resistencia trmica de la aleta Rdy finalmente de la temperatura ambiente Ta. Se calcular con cualquiera de estas expresiones:

La temperatura obtenida ser siempre inferior a la temperatura de la cpsula aunque ser lo suficientemente alta en la mayora de los casos como para no poder tocar el disipador con las manos. Esto, sin embargo, no es motivo de preocupacin ya que se han tomado las medidas necesarias como para que la temperatura de la unin disponga de un margen de seguridad dentro de los mrgenes ya explicados. Puede suceder que la temperatura de la aleta sea bastante elevada, tanto que si se toca con un dedo notaramos que quema. Pero en todo momento la temperatura de la unin entrar con amplio margen dentro de los lmites permitidos. No obstante, si se quiere disminuir esta temperatura, solo hay que calcular de nuevo la resistencia trmica Rdde la aleta, poniendo esta vez 0,5 como factor (k) necesario para determinar Tj. Ello llevar a adoptar una aleta ms grande, pero tanto la Tc, como la Tddisminuirn como se desea.Temperatura ambiente (Ta)En la interpretacin de este dato puede haber alguna confusin ya que se puede tomar su valor como la temperatura del medio ambiente,cuando en realidad es la temperatura existente en el entorno donde est ubicado el disipador.Potencia disipadaLa potencia mxima es un dato que nos dar el fabricante. Este dato es para las mejores condiciones de funcionamiento del dispositivo, es decir, para una temperatura del contenedor de 25 C y un disipador adecuado. Por ejemplo, si de un determinado transistor nos dice el fabricante que puede disipar un mximo de 116 Watios, a primera vista se puede pensar que disipando 90 Watios no se corre ningn riesgo puesto que hay un margen con respecto al mximo y no se necesita disipador. Si conocemos que la temperatura de la unin es de 200 C y Rja de 35 C/W se tiene:

Esta es la mxima potencia disipable sin disipador. Se puede ver que este valor se queda muy por debajo del indicado por el fabricante. Si consideramos una aleta con una buena resistencia trmica como puede ser una de 0.6 C/W y unas resistencias trmicas contenedor-disipador (Rcd) y unin-contenedor (Rjc) de 0.12 C/W y de 1.5 C/W respectivamente, ambos valores tambin bastante adecuados, se tendr:

Si hiciramos disipar 90 W como pretendamos se destruira la unin. Como se puede observar la potencia obtenida es superior a la disipable sin disipador e inferior a la que nos suministra el fabricante. Ello es debido a que el fabricante ha calculado la Pdmaxmanteniendo la temperatura del contenedor a 25 C, cosa que en la prctica es imposible:

Como se ha dicho este dato de 116 W es para las mejores condiciones de funcionamiento y el fabricante debe indicar en cuales se realiz esa medida.Resumiendo, es importante saber interpretar adecuadamente los datos suministrados por el fabricante, de lo contrario pueden aparecer sorpresas desagradables. Sabemos que la mxima potencia que se puede hacer disipar a un semiconductor sin disipador viene dada por el cociente entre el incremento de la temperatura y la resistencia trmica unin ambiente:

Donde Rjaes la que nos suministra el fabricante que no incluye Rd. Cuando se utiliza un disipador, la resistencia trmica se divide en tres parmetros: la resistencia entre la unin y el contenedor (Rjc), entre el contenedor y el disipador (Rcd) y entre el disipador y el ambiente (Rd):

Refrigeracin ms eficaz. Con disipadores de calor PLANSEE.Lasdensidades de potencia cada vez mayoresencomponentes electrnicos cada vez ms pequeosplantean grandes retos a nivel de la gestin trmica. Una refrigeracin insuficiente perjudica la fiabilidad de los elementos semiconductores. Si falla un componente electrnico, la culpa es frecuentemente de influencias trmicas.Los componentes electrnicos se montan en substratos y placas base que pueden dispiar el calor generado. Solo pocos materiales tienen laconductividad trmicay laexpansin trmicaque son necesarias para la disipacin fiable del calor en componentes electrnicos. La figura muestra la estructura bsica de un conjunto electrnico hermticamente cerrado.

Consltenos.Tenemos el material ideal.Los laminados de MoCu, WCu, Cu-Mo-Cu y Cu-MoCu-Cudisipan con seguridad el calor en componentes elctricosy ayudan a mantener frescos sus mdulos IGBT, conjuntos RF, chips de LED y otros productos. Nuestros materiales combinan labaja expansin trmicadel molibdeno y del tungsteno con la excelente conductividad trmica del cobre. Hemos adaptado la composicin de estos materiales compuestos de forma ptima para corresponder a los requisitos de materiales semiconductores basados en silicio, GaAs y GaN.

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MolibdenoMo 99.97%10.222C5.5/20-800C5.7xyz142

TungstenoW 99.95%19.322C4.5/20-800C4.8xyz165

MoCuMo-30% Cu9.722C7.1/20-800C7.8xyz205

WCuW-10% Cu17.122C6.4xyz195

WCuW-15% Cu16.422C7.3xyz215

WCuW-20% Cu15.522C8.3xyz235

Cu/Mo-30Cu/Cu(CPC)1:4:1 /Mo-52%Cu9.4-9.620-150C7-8/20-800C6.5-8.5xy280/z170

Cu/Mo/Cu(CMC)1:1:1 /Mo-66%Cu9.322C8.3/20-800C6.4xy305/z250

Cu/Mo/Cu/.../Cu(S-CMC)5:1:5:1:5 /Mo-87%Cu9.2200C12.8/20-800C6.1xy350/z295

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