Køling af elektronik-komponenter

Køling af elektronikkomponenter
Køling af elektronik-komponenter
Når der løber strøm i ledninger og elektroniske komponenter, afsættes der energi. Et billede af dette
kan opnås, idet man forestiller sig elektronerne i bevægelse på grund af et elektrisk felt skabt af
forsyningsspændingen. Den positive pol har højere elektrontryk, lig højere spænding, og elektronerne
løber ligesom vand nedad.
Når elektronerne er påvirket af det elektriske kraftfelt, accelereres de, og opnår en kinetisk energi.
Formlen for kinetisk energi er:
E
Kin
1
2
m
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 1 af 12
2
Joule
Altså, 1/2 gange massen gange hastigheden i anden potens.
Men elektronerne støder ind i de atomer, der udgør den leder, elektronerne løber i. Herved bremses
de, og afgiver deres bevægelsesenergi. Denne bevægelsesenergi afgives som varme.
Den energi, der afsættes stiger med tiden, dvs. lidt energi afsat hele tiden i lang tid giver meget
energi afsat. Afsat energi kan findes af:
2
2 U
E Varme U I t Volt Ampere Sekund I R t t Joule
R
Energien afgivet – eller afsat – i løbet af et sekund, eller pr. sek. kaldes effekten, og den kan udtrykkes
med følgende formler
P Varme
P
P
Varme
Varme
Effekt er energi pr sekund, med enheden [ Watt ].
I
2
U
U
R
R
2
I Watt
I elektroniske komponenter, fx. i en transistor eller en spændingsregulator, afsættes der energi ved
ladningernes gnidningsmodstand mod atom-strukturen. Energien afsættes som varme, og komponenten
bliver varm. Og de fleste komponenter kan ikke tåle at blive varmere end ca. 125 grader inde
på selve silicium-chippen.
Hvor varm, den bliver, afhænger selvfølgelig af start-temperaturen, men i høj grad af varmetransporten
til omgivelserne.
Der vil indstille sig en ligevægt, således, at mængden af tilført energi er lig med energi, der føres
væk til omgivelserne.
Watt
Watt

Køling af elektronikkomponenter
Transporten af energi væk fra komponenten kan ske som varmeledning, eller infrarød stråling.
Den afsatte / tilførte energi pr sek., = effekt, kan udregnes som P = U I, og måles i [Watt], altså
energi pr sekund.
Bliver chippens temperatur for høj, må der tages forholdsregler for at undgå ødelæggelse. Mange
moderne komponenter har temperaturmåling indbygget, og de lukker simpelthen for strømmen, ved
for høje temperaturer.
Sidder en komponent indesluttet i en kasse, er den i realiteten godt isoleret, idet varmetransporten til
den omgivende luft er bremset ret godt. Luften omkring er i realiteten den eneste aftager af varmen.
Så jo bedre, komponenten er isoleret fra luften omkring apparatet, jo højere kan en komponents
temperatur blive, og jo lettere vil den ødelægges. Ved arbejde med store strømme er det helt essentielt
at vurdere varmeforholdene.
I tilfældet af fx en CPU, er der på et lille areal samlet millioner af transistorer, samtidig med at store
ladningsmængder = strøm, skal transporteres på kort tid. Ved skift fra lav til høj, eller høj til lav,
skal der flyttes ladninger, og når ladninger flyttes, løber der strøm. Jo hurtigere dette sker, jo større
strøm skal løbe, og jo større energi afsættes. Altså jo hurtigere en processor skal arbejde, jo mere
varme produceres, og jo mere køling er nødvendig. Det kan være nødvendigt aktivt at øge varmeafledningen
med en blæser.
Med blæseren tilfører man hele tiden nyt – koldt – luft, så varmen transporteres væk.
Nogle steder er der ligefrem brugt vandkøling for at transportere varme nok væk. !!
For andre komponenter kan det være tilstrækkeligt, hvis man blot kan forøge varmetransporten væk
fra chippen med en køleplade. Med en køleplade lettes varmetransporten fra chippen til luften. Man
kan sige, at varmemodstanden fra komponenten til luften bliver mindre.
En IC-chip kan tåle en max. temperatur, kaldet “Junctiontemperaturen”
eller Tj. Denne temperatur kan aflæses i databladet.
Hvis ikke, kan der regnes med at Tj max. må være 125 C.
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 2 af 12

Varmens vej fra chippen
Køling af elektronikkomponenter
På skitserne vises hvordan varmen transporteres væk fra chippen. Venstre skitse er et eksempel, hvor der ikke bruges
køleplade. Varmen transporteres fra chippen via “Bond-tråde” til IC-pin-ene (loddeterminalerne ) videre via loddetin til
kobber-laget på printudlægget og videre til omgivelserne. Til højre er der vist en køleplade. På selve IC’en er der en
metal-plade, der kan spændes på en større køleplade.
De fleste komponenter er pakket godt ind i beskyttende plastik. Men den varme, der produceres på
chippen skal stadig ledes væk.
For komponenter uden indbygget køleplade går varmetransporten enten via plastikken til husets
overflade og videre til luften, eller via ”Bond-trådene” til IC’ens ben, og herfra til luften, evt hjulpet
af printpladen.
I nogle tilfælde, fx for en transistor, BC547, opgives data for komponenter med fx. max. 2 mm.
tilledninger ned til printpladen
Ovenfor er til venstre vist nogle køleplader, der kan spændes på fx IC’en til højre. IC’en er lavet på en metalplade,
hvor der øverst er et hul til fastspænding.
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 3 af 12

Køling af elektronikkomponenter
Bruges ekstern køleplade, fx bagsiden af et apparat, må man tage højde for, at metal-pladen på
IC’en kan have elektrisk forbindelse til elektronikken. Dette kan bevirke, at man må isolere komponent
og køleplade mod elektriske strømme, men helst ikke isolere for varmetransporten.
For komponenter, der skal håndtere store effekter, er den væsentligste varmetransport fra chippen til
hus-overfladen normalt via et stykke metal, der også kan bruges til fastspænding af komponenten.
Varmetransporten kan gå videre gennem en glimmer-isolering til en påspændt køleplade, og herfra
videre til omgivelserne. Varmemodstandene fra chip til hus, gennem evt. glimmerisolering og fra
køleplade til omgivelserne - kan alle adderes, idet de jo er i serie.
Varmemodstanden fra chip til hus aflæses i datablade. Ligeledes for glimmer og for kølepladen.
Køleplade for IC
Når man arbejder med varme, kan det være en fordel at opfatte forholdene som om det drejer sig
om strøm, spænding og modstand. Der gælder de samme love, som for Ohms lov ! Dvs. der er analogi.
Kølepasta:
Når transistor og køleplade monteres
sammen, vil de på det mikroskopiske plan
ikke slutte komplet sammen. De to overflader
er ikke helt plane. Der vil blive efterladt
små hulrum, med fanget luft. Luft
virker som isolering. For at forhindre dette,
bruges kølepasta ! Såkaldt
Thermal Compound. Der skal bruges så
lidt, som muligt !!!
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 4 af 12

Køling af elektronikkomponenter
Flg. oversigt viser sammenhænge mellem begreber, der hører til emnet..
Der er lidt forvirring angående de forskellige formelsymboler, idet der er hhv. engelske og tyske
benævnelser i kilderne. Derfor flere navne på begreberne.
Formel Begreb Forklaring Formeltegn Enhed
Pw = T/Rth
Varmespænding
Varmemodstand,
Termisk modstand
Varmestrøm,
Verlustleistung
Forskellen mellem 2
temperaturer, fx.
Tj - Tamb.
Varmemodstand er et udtryk
for hvor godt eller
dårligt et materiale leder
varme. Specifik varmemodstand.
Varmestrøm er den mængde
varme ( den afsatte
effekt ), der skal ledes væk
hvert sekund.
Tj, Tu, Tamb,
j = junktion,
u=umgebunge
n
amb = ambient
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 5 af 12
Rth
Rtermisk
Pw, Ptot
C, K
C/W, K/W
Varme og varmetransport kan opfattes som hhv. elektrisk spænding og strøm (analogi). Varmespænding
er forskellen mellem to temperaturer, Temp1 minus Temp2, svarende til en spændingsforskel.
Den energi pr sekund ( effekt ), der skal bortledes, svarer til strømmen, og varmemodstanden
er modstanden mod varmestrømmen.
Er varmemodstanden for en køleplade fx. 4 [K/W] betyder det, at dens temperatur vil stige 4 grader
i forhold til omgivelserne for hver Joule / sekund ( Watt ) der afsættes i den.
Når der borttransporteres varme kan der være tale om flere begreber:
Varmestrømning:
Varmestråling:
Watt
Varmestrømning kaldes også ”Konvektion”. Fx. konvektionen fra køleplade til luft.
Luften løber forbi en køleplades køleribber, og opvarmes. Herved fjernes varme fra
kølepladen. Den varme luft er lettere end koldere luft, og stiger automatisk opad, og
erstattes af koldere luft. Derfor skal kølepladens køleribber monteres lodret, så luften
kan stige opad.
Varme kan fjernes vha. IR-stråling. Såkaldt emission. Alle legemer udstråler infrarødt

Varmeledning:
Køling af elektronikkomponenter
lys. Jo varmere, legemet er, jo mere stråling udsender det. Og jo mørkere materiale, jo
højere emisionsgrad. Derfor er køleplader normalt sorte.
Den relevante størrelse er ”emisionsgraden” ε. ( Epsilon )
Varmestrømmen, der udstråles fra et legeme kan bestemmes af:
A T
4
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 6 af 12
Watt
8 W
σ ( Sigma ) er Stefan-Bolzmann-konstanten: 5,
67032 10 2 4
m K
Overflade Temperatur, Grader C ε ( Epsilon)
Mat sort 1
Alu, blank poleret 20 0,039
Kobber, Blank poleret 20 0,030
Kobber, sort oxideret 20 0,78
Is, glat 0 0,97
Træ 20 ~ 0,9
Glas 20 0,93
Praktisk eksempel: Det antages, at en komponent skal køles kun ved varmestråling fra
en fastspændt køleplade: ( Det ville fx være tilfældet, hvis anordningen befandt sig i
vakuum.
Den varmebelastning, eller varmemængde pr sekund, der skal fjernes ved stråling er
50 Watt. Kølepladens overflade er 200 cm 2 . Emisionsgraden er 0,9
Kølepladens temperatur beregnes af:
2 4
50
Wm K
T 4
4
470K
197
8
4
2
A 5,
67 10 0,
9 200 10 Wm
Dette er under ideelle betingelser, der forudsætter, at hele arealet af kølepladen har
kontakt til komponenten, der skal køles.
Det ses også, at var der valgt ikke sort aluminium, ville temperaturen være ca. dobbelt
så høj.
Det må også indses, at hvis kølepladen har plader, der står over for hinanden, absorberes
jo en stor del af strålingen igen, idet den rammer en af de andre plader.
Når der eksisterer to temperaturer vil der naturligt foregå en energiudligning mellem
C

Oversigt
Køling af elektronikkomponenter
de to energiniveauer, fra det materiale med en høj temperatur til det eller de materialer
med en lavere temperatur. Varmeledning foregår fx. via metal, eller anden materiale,
der har en god “varmeledningsevne”.
Et materiales evne til at lede varme afhænger af materialet selv. Den specifikke varmeledningsevne
kaldes λ ( lambda ) og er udtrykt ved:
Pth er varmebelastningen i Watt
l er materialets længde i meter
ΔT er temperaturdifferencen i Kelvin
A er materialets areal i m 2 .
W
K m
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 7 af 12
P th
T
En god varmeledningsevne bevirker altså et lille fald i temperaturen hen igennem fx
en stang.
Varmeledningsevne for nogle materialer:
Materiale, 20 grader C Varmeledningsevne i
Vand O,595
Luft 0,0257
Aluminium 226
Sølv 422
Kobber 402
l
A
W
K m
Der opereres med forskellige navne, for forskellige varmetransport strækninger. Her gives en oversigt,
idet der startes med de vigtigste:
Forkortelse / formeltegn
Tj
Tu, Tamb
Rth-g
Rth j-mb
Forklaring
Junction temperatur, dvs. Chip temperaturen.
Maxværdi fx. for 2N3055 = 200 , 150 for BD140, 125 for 7812.
Temperatur ( Umgebungen / Ambient ) Normalt regnes med 25 grader.
Varmemodstand, chip til hus ( Gehause ). mb = Mount Base. Bruges ved
kølepladeanvendelse.
Ses i datablad. Fx. 1,5 K/W for 2N3055, 35 K/W for BC140, 10 K/W for BD140, 4 K/W for 7812

Rth U
Rth k
Rth h-amb
Køling af elektronikkomponenter
Varmemodstand mellem chip og omgivelser uden kølepladeanvendelse.
Rth U er for BC140 = 200 K/W, for 7812 = 50 K/W, for BD140 = 110 K/W
Kølepladens varmemodstand fra køleplade til luft. Aflæses i datablad.
I komponent-datablade opgives normalt varmemodstandsværdier for komponenter uden påmonteret
køleplade (Rth U). Dvs. en sum af varmemodstande fra chip til hus, og fra hus til luft. Og der opgives
en værdi til brug ved køleplademontage, (Rth j-mb), altså fra chip til husoverflade.
Der findes yderligere et par begreber:
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 8 af 12

Forkortelse / formeltegn
Rth
Rth GK
Rth mb-h
Rth m ( montage )
Rth GU
Køling af elektronikkomponenter
Forklaring
Flg. viser et par beregningseksempler:
Samlede modstand. Rth = “Resistance thermal”
Varmemodstand fra IC-hus via. isolermateriale ( glimmer ) til køleplade.
Bruges kølepasta er den meget lille, kan evt. udelades. Værdier fra 0,3 til 5
[K/W].
Varmemodstand Gehause til Umgebung. Værdi gældende uden køleplade.
Bruges køleplade er kølepladens værdi gældende. Rth GU = Rth k
Formlen T T R P
j u th tot med analogi til U R I anvendes:
Transistor BD140
Eksemplet drejer sig om en effekttransistor, og der undersøges hvor meget effekt der kan afsættes i
den i forskellige situationer, uden at chiptemperaturen Tj bliver for høj.
Flg. data gælder: Transistor. BD140, Tj = 150 C, Ta = 40 C, Rth G = 10 [K/W], Rth U = 110 [K/W].
Fandtes et køleaggregat, der kunne holde hustemperaturen nede på 25 C ville regnestykket se således ud, idet der kun
skulle regnes med varmemodstanden “Chip - Hus”
150 25
Max effekt tilladt at afsætte: Ptot 12, 5W!
10
Under normale omstændigheder ser det anderledes ud. Først uden kølepladeanvendelse. Der skal
regnes med varmemodstanden “Chip - Umgebungen” Rth: U
P P
W tot
T T
j U
R
thU
150 40
110
ikke skal overskride Tj max = 150 C
Med køleplade
1 W !. Dvs. der max må afsættes 1 W i transistoren for at den
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 9 af 12

P P
W tot
Køling af elektronikkomponenter
Tj TU
150 40 110
R R R R 10 4 20
th thG thGK thK
3, 2W!
Samlede Rth er nu Chip til husoverflade, (Rth G) + Glimmermodstanden (Rth GK) + Køleplade til
Luftmodstanden (Rth K), henholdsvis 10, 4 og 20 [K/W]
Eksempel med 7812
Følgende eksempel er med en spændingsregulator 7812. Tj er 125 C, Tu er 25 C, Rth G = 4 [K/W],
Rth U = 50 [K/W]. Der er ingen køling: Uind er 22 Volt, Uout er 12 Volt, altså et spændingsfald over
kredsen på 10 [Volt]
Anvendes ingen køleplade, bruges Rth U der er på 50 [K/W]
Max effekt der må afsættes er: P
P U I I
tot
max
125 25
50K
/ W
W 2 !. Dette betyder, når:
Ptot
2
at den maksimale strøm der må trækkes bliver: I max
0, 2 [ A]
U
22 10
Er Uin kun 15 Volt, fås et mindre spændingsfald over kredsen og derfor også en mindre effekt ved
samme strøm, eller en større max strøm, der kan trækkes:
2
I max 0, 66 [ A]
15 12
Det skal bemærkes, at U over 7812 skal mindst være ca. 3 Volt.
Anvendes køleplade findes ved Uin = 22 [Volt] og med en køleplade på 20 [K/W] (glimmermodstanden
er udeladt!)
Tj Tamb
125 25
4, 2
Pmax
4, 2 [ W]
! Dette giver en max strøm på I max
0, 42 [ A]
R R 4 20
22 12
thG thK
4,
2
I eller kredsens max. strøm på 1 [A]
15 12
Er Uin 16 V fås ca. max 1,
4 [ A]
Køleplade-beregninger
Der kan også regnes på kølepladens max. temperatur: Ønskes denne til ca. 100 C findes den maksimale
effekt der kan afsættes, hvis pladens varmemodstand = 4 [K/W] og Tamb = 20 C
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 10 af 12

Køling af elektronikkomponenter
( 100 20)
C
Max afsat effekt i køleplade =
4K
/ W
20[
]
W !
Som det ses i datablade for køleplader er for nogle typer i en graf angivet varmemodstand ved forskellige
længder..
Værdier for nogle komponenter:
Følgende gives en samlet oversigt over nogle komponenters varmeforhold.
Komponent Uden Køling
Rth U, Rth j-a
Chip til omgivelser
[K/W]
2N3055
BD136-140
7812
BC140
BD675-682
BC546-550
BC337, BC327
Glimmerskiver
Med Køling
Rth G
Rth j-mb
Chip til hus
[K/W]
1,5
Max Chiptemp
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 11 af 12
Tj
[ C] eller [K]
200
110 10 150
50 4 125
200 35
3,13 150
250 150 Ptot = 500 mW
med tilledning = max.
2 mm.
200 i fri luft
156 på pcb, LoddeØ
= min. 10x10 mmpå
collector-ben.
For glimmerskiver opgives flg. varmemodstande :
150 Ptot = 800 mW
Tykkelse [mm] Uden varmepasta [K/W] Med varmepasta [K/W]
0,05 1,2 0,5
0,1 1,5 0,8
Varmeledningsevne:
Varmeledningsevne for nogle materialer:

Køling af elektronikkomponenter
Materiale Værdi [W/(cm*K)]
Kobber 3,5
Aluminium 2,1
Messing 1,0
Jern 0,5
Flg. tegning illustrerer hvordan varmetransmissionen kan opfattes:
Illustrationen. viser et
eksempel med glimmerskive
og køleplade.
Pw er den effekt der afsættes
på chippen. Den
transporteres til
husoverfladen, videre
via glimmerskive til
kølepladen, og herfra til
luften.
Temperaturen må stige
fra omgivelserne og ind
mod chippen.
Af: Valle Thorø Køling af komponenter Side - 12 af 12