Bei miniaturisierten oberflächenmontierten Dünnschichtwiderständen wird die Wärme, die im Widerstand entsteht, auf folgende Weise an die Umgebung abgegeben: Ableitung von der Widerstandsschicht oder dem Kontakt über den Chipkörper zu den Lötpads, Verteilung durch Wärmeleitung innerhalb der Leiterplatte und Konvektion von der Leiterplatte an die Umgebungsluft.
Thermisches Modell für Dünnschichtwiderstände
Um den für Dünnschichtwiderstände in Hochtemperaturapplikationen widrigen Bedingungen gerecht zu werden, müssen die Temperaturen an den Kontakten und Lötstellen sorgfältig überwacht werden, um reversible und irreversible Widerstandsänderungen zu minimieren. Der Beitrag erklärt zwei Arten von oberflächenmontierten Dünnschichtwiderständen: Wraparound-Chip-Widerstände und Arrays, die durch Reflow-Löten oder mit leitfähigem Kleber angebracht werden können, sowie blanke Chipwiderstände und Schaltungen zum Drahtbonden.
Bild 1 zeigt ein sehr einfaches, aber anerkanntes Modell, wobei: Tj die Temperatur der Widerstandsschicht oder der Lötstelle, Ta die Umgebungstemperatur um die Leiterplatte und Tsp die Temperatur des Lötpads unter der Lötung ist. Pd gibt die Verlustleistung des Widerstandes an, Rth ja den thermischen Widerstand zwischen der Widerstandsschicht und der Umgebung, Rth jsp den thermischen Widerstand zwischen der Widerstandsschicht und der Lötung, Rth spa den thermischen Widerstand zwischen der Lötung und der Umgebung. Rth spa berücksichtigt die Wärmeleitung innerhalb der Leiterplatte und die Konvektion von der Platine an die Umgebungsluft.
Komponentenhersteller können lediglich für Rth jsp Sorge tragen, um alle anderen Parameter, nämlich Ta, Pd und Rth spa, müssen sich die Kons-trukteure des Kunden kümmern. Die Konstrukteure müssen dabei das Material der Leiterplatte, die Dicke und das Layout der Leiterbahnen, das Kühlsystem und die Wechselwirkung zwischen den umliegenden Komponenten berücksichtigen. Ein schlechtes Temperaturmanagement kann beispielsweise folgende negative Auswirkungen haben: Schmelzende Lötungen, mangelnde Zuverlässigkeit der Lötungen, Verlust der Leiterplattenqualität bis zum Durchbrennen sowie Verlust der Chipwiderstandsleistung, vor allem aufgrund hoher reversibler oder irreversibler Änderungen.
Thermische Daten
Um es den Konstrukteuren zu ermöglichen, das obige thermische Modell zu nutzen, gibt Vishay den Rth jsp für Normteile und Teile mit vergrößerten Anschlüssen sowie relevante Versuchsdaten von Chipwiderständen in Standardgrößen, montiert auf verschiedenen Leiterplatten. Die Tabellen geben die relevanten thermischen Widerstandswerte für verschiedene Komponentenkombinationen und Leiterplatten wieder. Erläuterung der Abkürzungen in den Tabellen:
- sCu-Leiterplatte: Stärke 1,6 mm, beidseitig, Kupferstärke 35 μm (mindestens), mindestens 50 % Kupferbedeckung auf beiden Seiten.
- MCu-Leiterplatte: Stärke 1,6 mm, beidseitig, Kupferstärke 70 μm (mindestens), mindestens 80 % Kupferbedeckung auf beiden Seiten.
- MCM: Aluminiumoxid-Substrate mit Dickschichtmetallisierung und mindestens 50 % Leitfläche. Wärmeableitung entspricht MCu.
- W/A: Erweiterte Wraparound-Chipwiderstände mit Bodenmetallisierung auf der Rückseite mit Ausnahme einer 0,5 mm breiten Isolierbahn.
Aussagekräftige Leistungsminderungskurve
Die Leistungsminderungskurve in Bild 2 ist die Darstellung eines thermischen Grundmodells: Tc = Ta + Rth x Pd, Tc = zu regelnde Temperatur, Ta = Umgebungstemperatur, Pd = maximal zulässige Verlustleistung, Rth = Wärmewiderstand zwischen Punkt c bei Temperatur Tc und der Umgebung. Als Formel:
Pd = (Tc – Ta)/Rth
Dieses thermische Modell beschreibt die maximal zulässige Verlustleistung Pd bei einer gegebenen Umgebungstemperatur Ta und einem bestimmten thermischen Weg (Rth). Anhand einer solchen Leistungsminderungskurve kann man Tj kontrollieren. Im vorliegenden Fall kann Tj als gleich Tc und Rth ja als gleich Rth betrachtet werden. Man kann anhand der Kurve auch die Größe Tsp, die ebenfalls von vorrangiger Bedeutung ist, kontrollieren. In diesem Fall gilt Tsp = Tc und Rth = Rth spa.
Chipwiderstände der Größe P2010
Für Bild 3 gilt nach der Tabelle: Rth ja = 52 °C/W (P 2010 auf einer MCu-Leiterplatte) und Rth ja = 95 °C/W (P 2010 auf einer sCu-Leiterplatte). Es gibt verschiedene Arten, diese Leistungsminderungskurve anzuwenden: Bei Tj max = + 230 °C beträgt die maximale Verlustleistung des Widerstandes bei Ta = + 200 °C: 0,57 W für Rthp = 52 °C/W (beste Montageanordnung) und 0,32 W für Rthp = 52 °C/W (Standard-Montageanordnung).
Aus der selben Leistungsminderungskurve kann man ersehen, dass eine Verlustleistung von 0,32 W bei bester Montageanordnung (Rth ja = 52 °C/W) den Wert von Tj auf + 215 °C begrenzt und somit die Widerstandsänderung beträchtlich einschränkt.
Chipwiderstände der Größe P0603
Für Bild 4 gilt nach der Tabelle: Rth ja = 67 °C/W (P 0603 auf einer MCu-Leiterplatte) und Rth ja = 200 °C/W (P 0603 auf einer sCu-Leiterplatte). Bei Tj max = + 230 °C beträgt die maximale Verlustleistung des Widerstandes bei Ta = + 200 °C: 0,447 W für Rthp = 67 °C/W (beste Montageanordnung) und 0,15 W für Rthp = 200 °C/W.
Fazit
Um Konstrukteuren von Leistungselektronik die Begrenzung von Tj zu erleichtern, hat Vishay ein thermisches Modell ausgearbeitet und die thermischen Widerstandswerte, die zum Gebrauch dieses Modells benötigt werden, definiert. Vishay zeigt mit den Leistungsminderungskurven, wie ein gutes Temperaturmanagement Widerstandsschwankungen während der Volllast-Lebensdauer auf ein Minimum reduziert. Der nächste Schritt für die Hersteller ist die Optimierung ihrer Konstruktionen und Prozesse, so dass die Tj-Begrenzung auf + 230 °C überwunden werden kann.
Dr. Claude Flassayer
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