З точки зору методів і конструктивних рішень проблеми відведення тепла всі корпуси для напівпровідникових приладів та ІМС силової електроніки можна розділити на три групи (рис. 6.2):

1) корпусу, що не передбачають посадку приладу на тепловідвід (радіатор). Ці рішення зазвичай застосовуються для малопотужних приладів, які не потребують спеціальних заходів охолодження. Це пластмасові корпусу типу DIP, SO (SOIC), ТО-92 (КТ-26), метало-керамічні корпусу з планарним розташуванням висновків та ін .;

2) корпусу, що передбачають посадку приладів на тепловідвід (радіатор). Застосовуються для потужних силових приладів, для яких необхідні спеціальні заходи охолодження. Зазвичай це пластмасові корпуси типу ТО-218, ТО-220, ТО-3, ТО-258, SIL-9 та ін .;

корпусу, що використовують як радіатора доріжку металізації друкованої плати. До цієї групи відносяться SO (з «відкритим» крісталлодержателя), SOT-223, SOT-23 та ін.

Рис. 6.2. Основні типи корпусів для напівпровідникових приладів та ІМС силової електроніки

Спостерігається постійна тенденція мініатюризації корпусів, в тому числі і для ІМС силової електроніки. Для мініатюрних корпусів силової електроніки наступного покоління характерне використання в якості тепловідведення доріжок металізації друкованої плати.

У табл. 6.1 наведені позначення найбільш часто використовуваних корпусів і значення теплових опорів кристал – корпус Л ,. і кристал – середовище ^ ТКР-ср Д ™ основнПерші типів корпусів, використовуваних для напівпровідникових приладів та ІМС силової електроніки.

Таблиця 6.1. Перелік позначень основних типів корпусів для напівпровідникових приладів та ІМС силової електроніки [114]

Тип корпусу

Число висновків

Яг κρ-κορι С / Вт

Яг кр-ср »С / ВТ

DIP

8

50

150

16

39

117

SO

8

56

157

14

52

143

16

29

130

SOT-23

3

140

370

SOT-223

4

17

164

ТО-92

3

125

208

ТО-220 (без тепловідводу)

3, 5,7

3-5

50-65

SIL-9 (без тепловідводу)

9

3-5

40

ТО-218 (без тепловідводу)

3

1-3

35-50

ТО-3 (без тепловідводу)

3

0,5-2,5

35

ТО-257, 258 (без тепловідводу)

3

0,5

175

На рис. 6.3 показані основні шляхи відводу тепла в ІМС або напівпровідником приладі. Найбільш ефективний шлях відведення тепла: «кристал – посадковий майданчик – радіатор – навколишнє середовище». Другий шлях – «посадкова майданчик – корпус – висновки – друкована плата – навколишнє середовище ». Теплова енергія також відводиться по шляху «корпус – повітряний прошарок навколо корпусу – навколишнє середовище».

На рис. 6.4 наведена залежність допустимої потужності розсіювання напівпровідникових приладів та ІМС силової електроніки від температури навколишнього середовища для різних умов тепловідводу (корпус ТО-220). Допустиму потужність можна знайти з формули 2.1, знаючи гранично допустиму температуру кристала (150 ° С) і тепловий опір кристал – середовище для конкретних умов. Слід зазначити, що будь-який прилад або ІМС характеризується двома крайніми значеннями теплових опорів: кристал – корпус і кри Сталл – середовище JL ·

Нижня лінія графіка побудована виходячи з того, що прилад не посаджений на радіатор і тепловідвід визначається тільки тепловим опором «крісталлсреда» без радіатора = 65 ° С / Вт. Дві середніх лінії побудовані для випадку використання додаткового тепловідводу – радіатора = 20 і 10 ° С / Вт).

Рис. 6.3. Шляхи відводу тепла в ІМС або напівпровідником приладі

Рис. 6.4. Залежність допустимої потужності розсіювання напівпровідникових приладів та ІМС силової електроніки від температури середовища для різних умов тепловідводу (корпус ТО-220)

Верхня лінія може бути досягнута при ідеальному відвід тепла від корпусу, наприклад, з використанням термостатирования корпусу ІМС або приладу. У цьому випадку значення теплового опору «кристал – Середовище »наблизиться до значення теплового опору« кристал – корпус ».

Будь корпус також характеризується максимально допустимою потужністю. Для корпусу ТО-220 ця потужність складає 15 Вт. Характеристики, показані на рис. 6.4, можуть бути побудовані для ІМС або напівпровідникового приладу в будь-якому іншому корпусі. Для цього треба знати значення гранично допустимої температури кристала, гранично допустимої потужності для корпусу і значення теплових опорів кристал – середовище Rj , Кристал – корпус /?Ткр кор.

На рис. 6.5-6.7 наведені довідкові залежності, які можуть корисні розробникам апаратури [113, 114].

Так, графіки на рис. 6.5 характеризують залежність нормованого теплового опору від величини швидкості повітряного потоку в разі використання примусової вентиляції для корпусу DIP 16.

На рис. 6.6 для цього ж типу корпусу представлені типові залежності величини теплового опору від площі кристала у випадку використання різних матеріалів крісталлодержателя (а), а також від способу монтажу (б). Як видно з цих залежностей, найменше значення Rj. забезпечує мідний крісталлодержателя і спосіб монтажу – пайка на друковану плату.

Рис. 6.7. Типова залежність температури кристала (p-η переходу) від розсіювання потужності при різних умовах охолодження: 1 – прилад без тепловідведення; 2 – тепловідвід-пластина 60 х 60 мм; 3 – тепловідвід голковий 60 х 60 х 34 мм; 4 – тепловідвід голковий 60 х 60 х 34 мм плюс примусове повітряне охолодження зі швидкістю обдування 2 м / с [113]

На рис. 6.7 представлені типові залежності температури кристала (р-п переходу) від величини потужності, що розсіюється для різних умов відведення тепла. Крива 1 характеризує прилад без тепловідводу, крива 2 побудована для випадку використання в якості тепловідводу пластини 60 х 60 мм, крива 3 – для використання Голковий тепловідведення 60 х 60 х 34 мм, а крива 4 з мінімальним значенням Ткр побудована для випадку використання як Голковий тепловідведення 60 х 60 х 34 мм, так і примусового повітряного охолодження зі швидкістю обдування 2 м / с.

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.