Einem unlängst veröffentlichten Bericht von Price Waterhouse Coopers (PWC) zufolge belaufen sich die Halbleiterumsätze im Kraftfahrzeugbereich im Jahre 2016 auf ungefähr 37,4 Mrd. USD, das entspricht 10% des gesamten Halbleiterumsatzes. Damit hätte der Automotive-Bereich das größte Wachstum, ungefähr 9,4% – getrieben sowohl durch die ungeheure Nachfrage nach Automobilen in Schwellenländern als auch durch den steigenden Elektronikanteil im Kfz. Eine weitergehende Analyse durch PWC zeigte, dass Halbleiter derzeit ungefähr ein Drittel der Gesamtkosten eines Autos ausmachen und bis zum Jahre 2030 dieser Anteil auf die Hälfte der Gesamtkosten ansteigen wird.

Eckdaten

Das neue ATPAK-Gehäusedesign von On Semiconductors MOSFETs ersetzt die klassischen Bonddrähte durch massive Kupfer-Clips und erreicht bei 35 % weniger Bauvolumen gegenüber dem DPAK eine deutlich verbesserte thermische und elektrische Belastbarkeit. Verglichen mit einer Diode weisen ATPAK-MOSFETs nur ein Zehntel des RDS(on) auf und verringern damit ihre Verlustleistung immens.

Zunehmend komplexere Elektronik im Fahrzeug

Mit dem Fortschritt der Technologie sind Autos in der Lage, ihre Umgebung wahrzunehmen, und moderne Fahrerassistenzsysteme vermindern die Wahrscheinlichkeit von Unfällen durch Systeme wie automatische Bremsen, Spurverlassenswarnungen sowie Abstandsregel-Tempomaten. Die Automobile können Straßenverkehrszeichen lesen und mit der Welt um sie herum kommunizieren – einschließlich der intelligenten Infrastruktur, die in vielen Ländern installiert werden soll.

Die Umgebung von Kraftfahrzeugelektronik unter der Motorhaube oder in Aufhängungssystemen ist rau. Vibrationen, hohe Temperaturdynamik, Staub und Schmutz treten teilweise selbst im Fahrgastraum und fordern robuste zuverlässige Bauteile, die aber auch kostengünstig sein müssen.

Parallel zur Weiterentwicklung der Leistungseigenschaften von MOSFETs erfolgen auch im Bereich des Gehäuse-Designs Innovationen mit fundamentalen Verbesserungen.

Flaches ATPAK-Design mit weniger Bauvolumen

Bild 1: ATPAK ist 35% niedriger als DPAK, die Montagefläche um 60% kleiner als beim D2PAK.

Bild 1: ATPAK ist 35% niedriger als DPAK, die Montagefläche um 60% kleiner als beim D2PAK. On Semiconductor

Derzeitiger Standard für MOSFETs das DPAK-Gehäuse – ein oberflächenmontierbarer Baustein mit drei Pins sowie einer großen Montage-Lasche zur Wärmeableitung und mechanischen Verstärkung. Doch trotz seiner hohen Verbreitung weist das DPAK einige Nachteile auf. Der beengte Bauraum vieler Anwendungen erfordert Bauteile, die eine beträchtlich geringere Bauhöhe haben als die 2,3 mm der DPAKs. Zudem begrenzen die etwa 70 µm starken Bond-Drähte zwischen Chip und Träger die thermische und elektrische Leitfähigkeit, selbst, wenn mehrere parallel zum Einsatz kommen. Diese Verbindungsmethode verursacht ohmsche und induktive Widerstände, welche ein schnelles Schalten wie auch einen geringen Durchgangswiderstand RDS(on) verhindern.

Das neue ATPAK-Gehäuse (Advanced Thin Package), entwickelt von On Semiconductor, überwindet diese Einschränkungen. Bei gleichem Footprint nimmt das 1,5 mm hohe ATPAK im Vergleich zum 2,3 mm dicken DPAK ein um 35 % geringeres Bauvolumen ein und bleibt rückwärts-kompatibel mit vorhandenen Entwicklungen, die das DPAK verwenden.

Strombelastbarkeit und thermisches Verhalten verbessert

Bild 2: Anstelle der klassischen Bond-Drähte verbessert der neue Kupfer-Clip die Strombelastbarkeit, das thermische Verhalten und den R<sub>DS(on)<sub></sub>.

Bild 2: Anstelle der klassischen Bond-Drähte verbessert der neue Kupfer-Clip die Strombelastbarkeit, das thermische Verhalten und den R<sub>DS(on)<sub></sub>. DS(on). On Semiconductor

Ein neuer Kupfer-Clip im ATPAK ersetzt die Draht-Bonds des DPAK vorteilhafter. Als hervorragender Wärmeleiter verbessert Kupfer die Wärmeübertragung zwischen dem Halbleiter-Chip und den Gehäuseanschlüssen. Mit dem verringerten Wärmewiderstand RTHJ+A des Gehäuses, werden deutlich höhere Leistungsdichten bei Stromversorgungen möglich.

Darüber hinaus ist der Kupfer-Clip durch eine wesentlich größere Querschnittsfläche gekennzeichnet als die 70-µm-Draht-Bonds. Das minimiert den RDS(on) eines ATPAK-basierten MOSFETs, steigert die Effizienz und senkt Leistungsverluste und damit die Wärmeerzeugung. Außerdem erhöht die größere Querschnittsfläche des Clips die max. Strombelastbarkeit auf 100 A – ein Wert, der bislang nur durch das D2PAK erzielbar war, dessen Volumen 7,5-mal höher ist als das des neuen ATPAK.

On Semiconductor führte Benchmark-Tests zum Vergleich der Wärmeleitung des DPAK mit dem neuen ATPAK durch, um die Vorteile des neuen Gehäuses zu demonstrieren. DPAK- und ATPAK-Bausteine wurden auf getrennte, jedoch identische Leiterplatten montiert und auf eine Verlustleistung von je 1,44 W geregelt.

Bild 3: Wärme-Benchmark-Tests zeigten die Vorteile des ATPAK-Designs eindeutig auf.

Bild 3: Wärme-Benchmark-Tests zeigten die Vorteile des ATPAK-Designs eindeutig auf. On Semiconductor

Oberflächen- und Sperrschichttemperatur

Messungen der Oberflächentemperaturen mit einem Thermographen ergaben eine Gehäusetemperatur von 80 ℃ für das DPAK und von 74,8℃ für das ATPAK. Die Sperrschichttemperaturen jedes Bausteins wurden mithilfe des Wärmewiderstands für jedes Gehäuse berechnet und ergaben 82,2 ℃ für das DPAK sowie  76,0 °C für das ATPAK.

Die im ATPAK eingesetzte Clip-Bonding-Technik verbesserte die Wärmeleitung und -abstrahlunggegenüber dem DPAK. Trotz eines um 35 % geringeren Volumens erreicht das ATPAK eine um 6,2 K niedrigere Sperrschichttemperatur.

Mit den niedrigen RDS(on) Werten, die bei den ATPAK-MOSFETs von ON Semiconductor zur Verfügung stehen, lässt sich beispielsweise in Kraftfahrzeugschaltungen ein Verpolschutz mit weniger Spannungsabfall und damit geringerer Verlustleistung realisieren, als mit herkömmlichen Dioden.

Nur ein Zehntel der Verlustleistung von Dioden

Bei der Dioden-Lösung kann die Verlustleistung selbst bei relativ geringen Strömen signifikant sein – etwa 2,4 W sind das bereits bei 3 A Laststrom. Das ist nicht nur hinsichtlich des Leistungsverlusts ineffizient, sondern macht zudem einen Kühlkörper erforderlich, der wertvollen Platz beansprucht und die Materialkosten erhöht.

Bild 4: Vergleich einer Verpolschutz-Schaltung unter Verwendung einer Diode oder eines MOSFETs

Bild 4: Vergleich einer Verpolschutz-Schaltung unter Verwendung einer Diode oder eines MOSFETs On Semiconductor

Die Verwendung eines P-Kanal-MOSFETs in einem SOT23-Gehäuse zeigt tatsächlich eine Verringerung der Leistungsverluste, die sich jedoch bei Lastströmen um die 3 A nur unwesentlich von der Diodenlösung unterscheiden. Mit dem sehr niedrigeren RDS(on) in einem ATPAK-MOSFET ergeben sich beim selben Laststrom wesentlich kleinere Verlustleistungen – nur etwa ein Zehntel dessen einer Diode oder eines SOT23-MOSFETs. Das steigert die Schaltungseffizienz, spart Kosten und den Platz, den man für einen Kühlkörper bräuchte.

Für eine Vielzahl von Fahrzeugapplikationen bietet ON Semiconductor ein umfassendes Portfolio an Automotive-ATPAK-MOSFETs. In Zukunft werden neue N- und P-Kanal-Bausteine auf den Markt gebracht, die mit Strömen von bis zu 120 A (ID max) belastbar sind und einen RDS(on) im Sub-5-Milli-Ohmbereich besitzen. Sämtliche der derzeitigen und künftigen Bausteine sind bleifrei/RoHS-konform und halogenfrei, sie bestehen PPAP (Produktions-Freigabe-Verfahren) und sind für den Einsatz im Automobil AEC-qualifiziert.