Verbessertes Wärmemanagement mit Dual-Cool-Konzept für Power-Trench-MOSFETs

Elektronikprodukte werden immer kleiner und leistungsfähiger, allerdings steht für die abzuleitende Verlustwärme kaum Platz zur Verfügung und das Wärmemanagement gestaltet sich daher schwierig. Eine Zwangskühlung per Lüfter verbraucht Energie, erzeugt Lärm und zieht Staub an, der zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen kann. Passives Kühlen mit Kühlkörpern ist zwar zuverlässig, benötigt aber Platz und bedeutet mehr Gewicht, was besonders bei portablen Geräten häufig inakzeptabel ist.

Ein erfolgreiches Wärmemanagement führt nicht allein die entstandene Wärme ab, sondern verfolgt einen wirkungsvolleren Ansatz, Verlustwärme von vornherein zu vermeiden. Die Wahl einer geeigneten Topologie und entsprechend effizienter Leistungselektronik-Komponenten ist dabei entscheidend. Gänzlich vermeiden lässt sich Abwärme allerdings auch in sehr effizienten Systemen nicht.

Mit schrumpfender Größe der Leistungsbauteile verringert sich die Möglichkeit einer passiven Konvektionskühlung. Bauteilhersteller müssen also neue Wege finden, die Wärme vom Halbleiterübergang über das Gehäuse in die Umgebung zu verteilen. Entscheidend für die Entwicklung des Bauteilgehäuses ist jedoch nicht nur die Kühlleistung. Auch die Geometrie der Anschlussleitungen spielt eine wichtige Rolle, denn längere Leitungen erzeugen parasitäre Effekte in der Schaltung, die sowohl die Schaltgeschwindigkeit als auch die Effizienz nachteilig beeinflussen können.

Zweiseitige Entwärmung

Für eine bessere Kühlung in aktuellen Schaltungsdesigns hat ON Semiconductor spezielle Einhausungen für Leistungselektronikbauteile entwickelt. Die Dual-Cool-Technologie basiert auf einem PQFN-Gehäuse (Power Quad Flat-No-Lead) und bildet einen direkten Wärmepfad von den Drain- und Source-Flächen der vertikalen MOSFET-Chipstruktur zu den äußeren Gehäuseanschlussflächen auf der Ober- und Unterseite. Neben der direkten Wärmeabgabe in die Leiterplatte erleichtert dieser Aufbau das Hinzufügen eines externen Kühlkörpers.

Das Dual-Cool-Konzept basiert auf dem etablierten PQFN-Gehäuse, ist jedoch um zusätzliche Funktionen erweitert. Weil dabei die Abmessungen und Pinbelegungen von Power33 und Power56 erhalten blieben, können Entwickler ohne eine Änderung des Leiterplattenlayout die Schaltungseffizienz verbessern. Damit sind auch flexible Bestückungszenarien zwischen Power88 und Power88DC möglich.

Kupferclips statt Bonddrähte: damit punktet die Dual-Cool-Technologie von ON Semiconductor. Mehr dazu auf der folgenden Seite.

Bild 1: Das 3D-Modell eines PQFN-Gehäuses mit Dual-Cool-Technologie für verbessertes Wärmemanagement lässt die beidseitige Wärmeableitung vom Siliziumchip erkennen. ON Semiconductor

Kupferclips statt Bonddrähte

An den Leadframes ersetzen großflächige Kupferclips die Bonddrähte (Bild 1), womit die Dual-Cool-Technologie die Wärme- und Stromleitfähigkeit des Gehäuses verbessert und dadurch die Leistungsdichte erhöht. Bereits ein konventionelles PQFN-Gehäuse mit Clips bietet eine 13,9 Prozent bessere Wärmeleitfähigkeit als ein PQFN-Gehäuse mit Bonddrähten. Mit Dual-Cool-Technik erhöht sich dieser Wert auf 57,5 Prozent (Bild 2).

Letztere verwendet 0,1016 mm dünnes Silizium, was etwa der Hälfte der normalerweise üblichen MOSFET-Dicke entspricht, wodurch sich die thermische und elektrische Leistungsfähigkeit weiter verbessert. Die obere und untere Oberfläche des Chips sind beschichtet, um Lötverbindungen des Drain-Leadframes an der Unterseite und der Source- und Gate-Clips an der Oberseite zu ermöglichen. Um die Wärmeübertragung vom Chip zur Oberseite des Gehäuses zu verbessern, wird ein wärmeleitendes Element (Heat Slug) an den Source-Clip gelötet. Die Lötverbindung des Siliziums an den Leadframe (mit optimierten Kupferclips) verringert elektrische und thermische Störeffekte zusätzlich.

Den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (θ_JC) bestimmen zwei Parameter, der eine zwischen Sperrschicht und Drain-Tab (R_th Junction – case) und der andere zum oberen Wärmeableiter (Bild 3). Das Datenblatt führt diese Werte für jeden Baustein auf und bietet somit ein Maß für die zwei effizientesten Wärmepfade aus dem Bauteil heraus. Leistungselektronikentwickler können hierüber die passende Option für das Kühlungskonzept für Schaltungen mit hohen Leistungsdichten auswählen.

Dual Cool für Power-Trench-MOSFETs

Bild 2: Die Wärmeleitfähigkeit des Dual-Cool-Gehäuses ist um mehr als 60 % besser als die des Standard-PQFN. ON Semiconductor

Die Power-Trench-MOSFETs von ON Semiconductor bieten sehr gute elektrische Eigenschaften, einschließlich sehr niedriger R_DS(on)-Werte, wodurch sie gut mit dem Dual-Cool-Gehäusekonzept für optimiertes Wärmemanagement kombinierbar sind. Mit integrierter monolithischer Sync-FET-Schottky-Bodydiode eignen sich diese Bausteine ideal für Leistungselektronikanwendungen. Die Kombination aus Dual Cool und Power Trench hat bei gleichem Platzbedarf wie PQFN-Jedec-Standardbausteine eine um mehr als 60 Prozent bessere Wärmeleitfähigkeit.

Dual-Cool-Power-Trench-MOSFETs mit Kühlungsflächen auf der Oberseite (Bild 4) haben eine weitaus bessere Wärmekopplung zur Oberseite des Bausteins. In vielen Fällen kommen sie ohne einen zusätzlichen Kühlkörper zum Einsatz, was Größe, Kosten und Gewicht der Baugruppe oder des Systems verringert. Mit der fortschrittlichen Zwei-Wege-Wärmeableitung und den verbesserten parasitären Eigenschaften gegenüber herkömmlichen verdrahteten Bausteinen bieten sich beim Einsatz eines Kühlkörpers sogar noch bessere Ergebnisse.

Labortests haben gezeigt, dass Kühlkörper zusammen mit dem Dual-Cool-Gehäuse bei einem synchronen Abwärtswandler einen höheren Ausgangsstrom und eine höhere Leistungsdichte liefern. Mit ON Semiconductors Trench-Silicon-Technologie bietet Dual Cool beste Ergebnisse in Bezug auf die Leistungsdichte, die Wärmeableitung und damit beim Wärmemanagement.

Auf der folgenden Seite erfahren Sie, welche Gehäuse und Kühlkörper in Dual-Cool-Technologie zur Verfügung stehen.

Dual-Cool-Gehäuse und Kühlkörper

Das Dual-Cool-Angebot von ON Semiconductor umfasst mehr als 20 Bausteine mit BV_DSS-Werten von 25 bis 150 V und mehreren Optionen für R_DS(on)-Werte und Gehäusegrößen. Alle Dual-Cool-Bausteine sind bleifrei, RoHS-konform und in PQFN-Gehäusen mit den Abmessungen 3,3 × 3,3 mm², 5 × 6 mm² und 8 × 8 mm² erhältlich.

Bild 3: Kombiniert mit einem Kühlkörper bewirkt das Dual-Cool-Gehäuse eine hocheffiziente platzsparende Entwärmung. ON Semiconductor

Kühlkörper verbessern die Wärmeableitung und damit das Wärmemanagement weiterhin – insbesondere wenn Luft über die Oberfläche strömt. Je nach Anwendung, verfügbarem Platz und abzuführender Wärmemenge sind viele Arten und Formen von Kühlkörpern einsetzbar. Die entsprechende Befestigungsmethode wie Löten, Push-Pin, Thermoband, Schrauben oder Kleben hängt dabei von den Anforderungen der Endanwendung und den verfügbaren Fertigungsprozessen ab.

Wärmeschnittstellenmaterialien (TIM; Thermal Interface Materials) wie Wärmeleitpaste, Isolier-Pad, PCM (Phase Change Material), Thermoband, Gap-Filler-Material oder Gel sowie wärmeleitfähige Kleber können den thermischen Kontakt zwischen dem Dual-Cool-Gehäuse und dem Kühlkörper verbessern. Sie eliminieren unter anderem Lufteinschlüsse in der Schnittstelle, die andernfalls die Wärmeableitung einschränken.

Der Anwendungsfall entscheidet

Tests und Evaluierungen von ON Semiconductor zeigen, dass Wärmeleitpaste, vor allem aufgrund der dünnen Spaltmaße, besser geeignet ist als Gap-Filler. Gebondete Gehäuse zeigen 10 Prozent bessere Werte mit Wärmeleitpaste als mit Gap-Pads. Dieser Wert steigt auf 12 Prozent bei Gehäusen mit Clips. Bei Dual Cool zeigt sich eine um 21 Prozent bessere Wärmeableitung.

Ein Baustein, der beispielsweise 5,8 W über ein Thermal Gap-Pad abführt, kann dann ohne weitere Anpassungen 7 W mit Wärmeleitpaste abführen. Bezüglich der Wärmeableitung mag Wärmeleitpaste zwar besser geeignet sein – diese lässt sich jedoch schwieriger aufbringen, nachbearbeiten und bietet nicht die elektrischen Isoliereigenschaften eines Pads. Der Anwendungsfall entscheidet daher, welche Eigenschaften Priorität haben.

Werden Kühlkörper festgeschraubt, mit Push-Pin-Technik oder per Löten befestigt, wirken mechanische Drucklasten auf das Bauteil. Tests und Simulationen am Dual-Cool-Gehäuse PQFN mit 8 × 8 mm² bestätigen, dass diese hohen Druckbelastungen von bis zu 1500 N standhalten, ohne dass es zu einem elektrischen oder mechanischen Versagen kommt.

Details zum Leiterplattenlayout mit Dual-Cool-Gehäusen beschreibt der Artikel auf der nächsten Seite.

Leiterplattenlayout und Fertigung

PQFN-Gehäuse sind aufgrund der geringen Größe und niedrigen Bauhöhe eine platzsparende Alternative zu klassischen Bauteilgehäusen. Darüber hinaus bietet das Dual-Cool-PQFN einen Größenvorteil gegenüber dem branchenüblichen D2PAK-SMD-Gehäuse.

Da sich die Source- und Gate-Pads zum Anschluss hin verjüngen, ergibt sich eine saubere Kehlfüllung des Lots. Die breiteren Pads erlauben größere Toleranzen von bis zu 0,1 mm bei der Leiterplattenfertigung und Bauteilplatzierung während der Montage.

Sind PCB-Pads und Gehäuse-Pads von gleicher Geometrie, kann die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots ein leicht schief platziertes Bauteil gerade ziehen und dieses perfekt zum Land-Pad ausrichten. Dieser Prozess stellt sicher, dass die Dual-Cool-Gehäuse bei der Montage einheitlich und korrekt positioniert sind.

Platine und Leiterbahnen kühlen mit

In Leistungselektronik-Anwendungen, in denen erhebliche Wärme entsteht und das Wärmemanagement daher ausschlaggebend ist, wirken die PCB-Pads als lokaler Kühlkörper und übertragen Wärmeenergie in die Platine. Die thermische Charakterisierung von PQFN-8×8-Dual-Cool-Gehäusen zeigt, dass sich der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Umgebung durch ein größeres, mit dem Land-Pad verbundenes Kupfer-Pad mit beispielsweise 2,54 mm² Kontaktfläche deutlich verbessert. Dieser Ansatz wird für das Drain-Pad empfohlen.

Eine Kombination von Dual-Cool-Gehäusen mit leistungsfähiger Power-Trench-Technologie bringt effiziente Leistungshalbleiterbausteine mit bereits sehr geringer Wärmeentwicklung hervor, die zudem eine sehr geringem Wärmeleitwiderstand zum Gehäuserand ausweisen. Die Effizienz der Dual-Cool-Power-Trench-Bausteine macht Kühlkörper in vielen Anwendungen entbehrlich, was Größe, Kosten und Gewicht von Baugruppen wie auch Systemen verringert.

(jwa)