Ficha de referencia
Gestión térmica
Tj, θJA, y cuándo una pieza necesita cobre o un disipador
Fundamentos de gestión térmica
La hoja de datos de una pieza da tres temperaturas distintas y no son intercambiables. La temperatura de unión (Tj) es la temperatura real del chip y la que protege el máximo nominal de la pieza, pero casi nunca se puede medir directamente. La temperatura de cápsula (Tc) sí se puede medir, en la superficie exterior del encapsulado, y la temperatura ambiente (Ta) es la del aire que lo rodea. Tj siempre está por encima de Tc, que está por encima de Ta, y las diferencias entre ellas son lo que describen los valores de resistencia térmica.
Un valor de resistencia térmica, escrito como theta (θ) en grados C por vatio, indica simplemente cuántos grados sube la temperatura por cada vatio de potencia que atraviesa esa parte del camino térmico. θJA cubre todo el camino unión-ambiente sin disipador añadido; θJC cubre solo unión-cápsula. La estimación rápida que casi todo el mundo usa es Tj ≈ Ta + P × θJA: introduce tu peor temperatura ambiente y la potencia que la pieza disipa realmente, y compara el resultado con la Tj máxima nominal de la pieza, dejando un margen real en lugar de diseñar justo en el límite.
Lo que una pieza necesita realmente, en orden creciente de esfuerzo, suele ser primero un plano de cobre, después un material de interfaz térmica más un disipador, y solo después un diseño basado en la curva de reducción del fabricante o en una limitación térmica activa. Un CI lógico pequeño o un regulador poco cargado suele ir bien solo con cobre; un encapsulado con pad expuesto necesita vías térmicas hasta ese cobre para sacarle algún beneficio; y cuando los números dicen que una pieza funcionará cerca de su Tj máx a la peor temperatura ambiente, un disipador de verdad, dimensionado a partir del aumento de temperatura calculado y no a ojo, es lo que cierra la diferencia.
| Término | Qué significa | Valor típico / regla práctica | Consejos prácticos |
|---|---|---|---|
| Temperatura de unión (Tj) | La temperatura en el punto más caliente dentro del propio chip: el número que todos los demás valores nominales existen para proteger. | La Tj máxima absoluta suele ser de 125–150°C para silicio comercial/industrial estándar, hasta 175°C en piezas de grado automoción (AEC-Q100); consulta siempre la hoja de datos concreta, varía según fabricante y proceso. | En la mayoría de diseños no puedes medir Tj directamente; se calcula a partir de la potencia disipada y la resistencia térmica, o a veces se lee de un sensor interno en piezas más avanzadas. |
| Temperatura ambiente (Ta) | La temperatura del aire que rodea realmente a la pieza dentro de su caja final: no la condición de prueba de 25°C de la hoja de datos, ni la temperatura de la sala donde haces las pruebas. | Las especificaciones de la hoja de datos suelen darse a Ta = 25°C; los rangos de funcionamiento reales suelen ser de 0–70°C (grado comercial) o de −40 a 85°C (grado industrial). | Usa el peor caso que esperes en servicio (dentro de una caja cerrada, al sol directo, junto a otro componente caliente), no las condiciones del banco de pruebas. |
| Temperatura de cápsula (Tc) | La temperatura en la superficie exterior del encapsulado (a menudo la parte superior moldeada o una pestaña/pad metálico expuesto), unos grados por debajo de Tj. | Está entre Tj y Ta; lo cerca que esté de Tj depende de que θJC sea pequeña respecto al resto del camino. | La única temperatura que realmente puedes medir en el banco, con un termopar o un termómetro IR: úsala para contrastar una estimación de θJA con la realidad. |
| θJA: resistencia térmica unión-ambiente | Resistencia total al flujo de calor desde la unión hasta el aire circundante, sin disipador añadido, en °C por vatio disipado. | Aproximadamente 150–300°C/W para un SOT-23 sin más, ~100–160°C/W para un SOIC-8, ~60–65°C/W para un TO-220 al aire, ~30–45°C/W para un QFN/DFN con pad expuesto y buenas vías térmicas; las cifras varían mucho según el fabricante y la placa de prueba. | La θJA de la hoja de datos se mide en una PCB de prueba estándar concreta (a menudo un diseño de referencia JEDEC) con un área de cobre definida: el cobre, el número de capas y el flujo de aire de tu propia placa pueden alejar mucho el valor real en cualquier dirección. |
| θJC: resistencia térmica unión-cápsula | Resistencia desde la unión hasta la superficie de la cápsula solamente: excluye el camino cápsula-ambiente, por lo que siempre es un número mucho menor que θJA. | Normalmente 1–5°C/W para un encapsulado tipo TO-220, a menudo menos de 1°C/W para pestañas más grandes como TO-247 o D2PAK; siempre depende del dispositivo. | Se usa al añadir un disipador externo: la resistencia total pasa a ser θJC + θCS (material de interfaz) + θSA (disipador a aire), sumadas en serie. |
| Estimación aproximada del aumento de temperatura | La fórmula rápida para saber cuánto se calienta una pieza: Tj ≈ Ta + (potencia disipada × θJA). | Ejemplo: 0.5 W en un SOIC-8 de 150°C/W a 40°C ambiente ≈ 40 + 0.5×150 = 115°C de temperatura de unión. | Tómalo como una estimación en régimen permanente, no como una garantía: ignora la masa térmica y los transitorios y supone el área de cobre de la placa de prueba de la hoja de datos, así que deja un margen real por debajo del máximo absoluto en lugar de diseñar pegado a él. |
| Plano de cobre como difusor de calor | Usar el propio cobre de la PCB (cara superior, inferior o un plano interno) para evacuar el calor de un encapsulado en lugar de añadir una pieza aparte. | Eficaz hasta aproximadamente 1–2 W en encapsulados pequeños; un área de cobre mayor (varios cm², sobre todo unida a un plano interno de tierra/alimentación) reduce de forma medible la θJA. | La solución térmica más barata que existe, y a menudo suficiente por sí sola para CI lógicos, reguladores pequeños y MOSFET de baja potencia: pruébala antes de recurrir a un disipador. |
| Vías térmicas | Una matriz de pequeñas vías metalizadas bajo un pad térmico expuesto (encapsulados QFN, DFN, tipo PowerPAD) que conducen el calor a través de la placa hasta el cobre de otra capa. | Normalmente una cuadrícula de vías de unos 0.3 mm con un paso de aproximadamente 1–1.2 mm, a veces rellenas para que la soldadura no se escape por ellas durante el reflujo. | Sigue la nota de aplicación de la huella de la pieza para el número y la separación de vías: pocas vías, o un pad expuesto sin conectar, es una razón muy común de que un QFN se caliente más de lo que sugiere la θJA de su hoja de datos. |
| Material de interfaz térmica (TIM) / almohadilla térmica | Una capa de relleno (almohadilla de silicona, grasa/pasta, lámina de grafito) entre un componente y un disipador o chasis, que sustituye al hueco de aire que, si no, dominaría el camino térmico. | La conductividad térmica suele estar aproximadamente entre 1–8 W/m·K para las almohadillas y pastas habituales; los materiales especiales pueden llegar más alto. La conductividad varía enormemente según el producto, así que consulta la hoja de datos concreta. | Un TIM no es un disipador por sí mismo: solo reduce la resistencia de contacto en una interfaz, así que se usa junto con un disipador o una caja metálica que pueda evacuar realmente el calor, no en su lugar. |
| Disipador dedicado | Una pieza metálica añadida, con aletas o extruida, que aumenta la superficie expuesta al aire y reduce la resistencia cápsula/placa-ambiente (θSA). | Los disipadores pequeños de clip o adhesivos suelen rondar 5–30°C/W en convección natural (más pequeño / menos aletas = número más alto); añadir un ventilador suele reducirlo a la mitad o más. | Necesario cuando la estimación con plano de cobre/TIM sigue llevando Tj cerca o por encima del máximo nominal de la pieza a la peor temperatura ambiente: dimensiónalo a partir del aumento de temperatura calculado, con margen, no según lo que quepa físicamente. |
| Curva de reducción de potencia | Un gráfico de la hoja de datos que muestra cómo baja la disipación de potencia máxima permitida al subir la temperatura ambiente, en lugar de un único valor de θJA. | A menudo plana (potencia nominal completa) hasta cierta temperatura ambiente, p. ej. 25–50°C, y luego una reducción casi lineal hasta potencia permitida cero en Tj máx. | Esta curva es la herramienta de diseño más precisa en cuanto trabajas cerca del extremo superior del rango de temperatura ambiente de una pieza: un único valor de θJA no es más que una aproximación cómoda de un punto de ella. |
| Limitación térmica activa | Protección en funcionamiento integrada en muchas piezas digitales/de potencia (MCU, convertidores, drivers de motor) que reduce la velocidad de reloj, la corriente de salida o el ciclo de trabajo cuando Tj se acerca a su límite, en lugar de dejar que la pieza falle directamente. | Los umbrales y el comportamiento dependen de cada componente — algunos reducen su rendimiento por etapas, otros simplemente se apagan (apagado térmico / OTP) a una Tj fija y se reinician tras enfriarse, con histéresis. | La limitación protege el silicio, no tu aplicación: un diseño que depende de ella para mantenerse dentro de su presupuesto térmico simplemente rendirá peor (más lento, menos corriente de salida) justo cuando se necesitaba el máximo rendimiento. |
Los valores θJA de una hoja de datos se miden en una placa de prueba estándar concreta (a menudo un diseño de referencia JEDEC): el área de cobre, el número de capas y el flujo de aire de tu propia placa pueden alejar mucho el valor real de esa cifra, así que toma cualquier estimación de Tj como punto de partida y compruébala con una medida real con termopar o IR bajo carga real.
