Detailéiert Erklärung vum héicheffiziente MOSFET Top-Hëtztofleedungspaket

Déi meescht MOSFETs, déi a Stroumversuergungsapplikatioune benotzt ginn, si Surface Mount-Geräter (SMD), dorënner Packagen wéi SO8FL, u8FL an LFPAK. De Grond, firwat dës SMDs normalerweis gewielt ginn, ass datt se eng gutt Leeschtungskapazitéit an eng méi kleng Gréisst hunn, wat hëlleft méi kompakt Léisungen z'erreechen. Och wann dës Geräter eng gutt Leeschtungskapazitéit hunn, ass den Hëtztofleedungseffekt heiansdo net ideal.

Wéinst der direkter Läitung vum Leadframe (inklusiv fräigeluechten Drain-Pads) vum Apparat op de kupferbeschichtete Beräich, gëtt d'Hëtzt haaptsächlech iwwer d'PCB iwwerdroen. De Rescht vum Apparat ass an enger Plastikverpackung agebonnen a kann d'Hëtzt nëmmen duerch Loftkonvektioun ofleeden. Dofir hänkt d'Hëtztiwwerdroungseffizienz gréisstendeels vun den Eegeschafte vun der Leiterplack of: der Gréisst vun der Kupferbeschichtungsfläch, der Unzuel vun de Schichten, der Déckt an dem Layout. Dës Situatioun ka virkommen, egal ob d'Leiterplack um Kühlkierper installéiert ass oder net. Déi maximal Leeschtung vun typeschen Apparater kann net dat optimalt Niveau erreechen, well PCBs am Allgemengen keng héich Wärmeleitfäegkeet an thermesch Mass hunn. Fir dëst Problem unzegoen an d'Applikatiounsgréisst weider ze reduzéieren, huet d'Industrie en neit MOSFET-Gehäuse entwéckelt, dat de MOSFET-Leadframe (Drain) uewen um Gehäuse fräileet (wéi an der Figur 1 gewisen).

Figur 1 iewescht Hëtzofleedungspaket

1. Layoutvirdeeler vun der ieweschter Hëtztofléisung

Och wann traditionell Power-SMD virdeelhaft ass fir Miniaturiséierungsléisungen z'erreechen, erfuerderen se keng aner Komponenten op der Récksäit vun der Leiterplatte drënner placéiert wéinst Hëtzofleedungsbedéngungen. E bësse Plaz op der Leiterplatte kann net benotzt ginn, wat zu enger méi grousser Gesamtgréisst vun der fäerdeger Leiterplatte féiert. An déi iewescht Kühlkierperkomponent kann dëst Problem ëmgoen: hir Hëtzofleedung gëtt iwwer d'Spëtzt vum Apparat duerchgefouert. Op dës Manéier kënnen d'Komponenten op der Platte ënner dem MOSFET placéiert ginn.

Dëse Raum kann benotzt ginn fir déi folgend Komponenten ze arrangéieren (awer net limitéiert op):

Stroumgerät

Gate-Undriffsschaltung

Ënnerstëtzungskomponenten (Kondensatoren, Puffer, etc.)

Am Géigendeel kann et och d'Gréisst vun der Leiterplatte reduzéieren, de Wee vun de Gate-Undriffssignaler verkierzen an eng méi ideal Léisung erreechen.

Figur 2 Plasma vum PCB-Gerät

Am Verglach mat Standard-SMD-Geräter bidden d'Komponenten vum ieweschten Hëtzesénk net nëmmen méi Layoutplaz, mä reduzéieren och d'Iwwerlappung vun der Hëtzt. De gréissten Deel vun der Hëtztausbreedung vum ieweschten Hëtzofleedungspaket kënnt direkt an de Hëtzesénk, sou datt d'PCB manner Hëtzt absorbéiert. Dëst hëlleft d'Betribstemperatur vun den Ëmgéigend-Geräter ze reduzéieren.

2. De Virdeel vun der thermescher Leeschtung duerch déi bescht Hëtztofléisung

Am Géigesaz zu traditionelle MOSFETs bei Uewerflächenmontage erlaabt den ieweschten Hëtzoflafkapazitéit et, de Kühlkierper direkt mam Leadframe vum Apparat ze verbannen. Wéinst der héijer Wärmeleitfäegkeet vu Metaller sinn d'Materialien fir Kühlkierper normalerweis aus Metaller gemaach. Zum Beispill sinn déi meescht Kühlkierper aus Aluminium gemaach, mat enger Wärmeleitfäegkeet tëscht 100-210 W/mk. Am Verglach mat der konventioneller Method vun der Hëtzoflaf iwwer PCB reduzéiert dës Method vun der Hëtzoflaf duerch Materialien mat héijer Wärmeleitfäegkeet den Wärmewidderstand däitlech. D'Wärmeleitfäegkeet an d'Materialgréisst si Schlësselfaktoren, déi den Wärmewidderstand bestëmmen. Wat méi niddreg den Wärmewidderstand ass, wat besser d'Wärmeäntwert ass.

R θ = absoluten thermesche Widderstand

Δ X = Materialdicke parallel zum Hëtztfloss

A = Querschnittsfläch senkrecht zum Hëtzestroum

K = thermesch Konduktivitéit

Nieft der Verbesserung vun der Wärmeleitfäegkeet bidden Hëtzkierper och eng méi grouss thermesch Mass - wat hëlleft, Sättigung ze vermeiden oder eng méi grouss thermesch Zäitkonstant ze bidden. Dëst läit dorun, datt d'Gréisst vum ieweschten Heizkierper geännert ka ginn. Fir eng gewëssen Quantitéit un thermescher Energie ass d'thermesch Mass oder d'Hëtzkapazitéit direkt proportional zu der gegebener Temperaturännerung.

Cth = Hëtztkapazitéit, J/K

Q=Thermesch Energie, J

ΔT = Temperaturännerung, K

PCBs hunn dacks ënnerschiddlech Layouten, a wann d'Déckt vun der Kupferfolie kleng ass, kann dat zu enger méi niddreger thermescher Mass (Hëtzekapazitéit) an enger schlechter Hëtztausbreedung féieren. All dës Faktoren maachen et Standard Uewerflächenmontage-MOSFETs net fäeg, eng optimal thermesch Äntwert während dem Gebrauch z'erreechen. Theoreetesch huet den ieweschten Hëtzeofleedungspak de Virdeel, d'Hëtzt direkt duerch eng Quell mat héijer thermescher Mass an héijer thermescher Leetfäegkeet ofzeféieren, sou datt seng thermesch Äntwert (Zth (℃/W)) besser ass. Ënner enger gewësser Erhéijung vun der Kräizungstemperatur ënnerstëtzt eng besser thermesch Äntwert eng méi héich Leeschtung. Op dës Manéier hunn Chips mat enger ieweschter Hëtzeofleedungspakung fir deeselwechte MOSFET-Chip méi héich Stroum- a Leeschtungskapazitéiten wéi Chips mat enger Standard SMD-Pakung.

Figur 3 D'Hëtztofleedungsweeër vum ieweschten Hëtztofleedungspaket (uewen) an dem SO8FL-Pak (ënnen)

3. Testopstellung fir de Verglach vun der thermescher Leeschtung

Fir d'Virdeeler vun der thermescher Leeschtung vun der héijer Wärmeverdeelung ze demonstréieren an ze validéieren, hu mir Tester duerchgefouert, déi den Temperaturanstieg vum Chip an d'thermesch Äntwert vun den TCPAK57- an SO8FL-Komponenten ënner de selwechten thermesche Randbedingungen vergläichen. Fir d'Effektivitéit ze garantéieren, goufen zwou Komponenten ënner de selwechten elektresche Konditiounen an thermesche Grenzen getest. Den Ënnerscheed ass, datt de Kühlkierper vum TCPAK57 iwwer dem Komponent installéiert ass, während de Kühlkierper vum SO8FL-Komponent um Enn vun der PCB installéiert ass, direkt ënner dem MOSFET-Beräich (Figur 3). Dëst ass eng Reproduktioun vun der Notzung vum Komponent a Feldanwendungen. Wärend der Testperiod goufen och verschidden Déckte vun thermeschen Interfacematerialien (TIMs) benotzt fir ze verifizéieren, wéi eng Komponentenverpackung mat verschiddenen thermesche Grenzen optimiséiert ka ginn. Déi allgemeng Tester ginn wéi follegt duerchgefouert: e fixe Stroum (dofir eng fix Leeschtung) gëtt op dës zwou Komponenten ugewannt, an dann gëtt d'Ännerung vun der Junctiontemperatur iwwerwaacht fir ze bestëmmen, wéi en Komponent besser leeschtet.

4、 Auswiel vun Apparater a PCB-Layout

Wat d'Auswiel vun den Apparater ugeet, hunn d'MOSFETs an all Package déiselwecht Chipgréisst a benotzen déiselwecht Technologie. Dëst ass fir sécherzestellen, datt all Apparat deeselwechte Stroumverbrauch bei engem bestëmmte Stroum huet an fir eng konsequent thermesch Äntwert op Packageniveau ze garantéieren. Op dës Manéier kënne mir sécher sinn, datt déi gemoossen Ënnerscheeder an der thermescher Äntwert op Ënnerscheeder an der Package zréckzeféieren sinn. Aus dëse Grënn hu mir eis fir TCPAK57 an SO8FL entscheet. Si benotzen liicht ënnerschiddlech Klemm- an Leadframe-Designen, een mat Leitungen (TCPAK57) an een ouni Leitungen (SO8FL). Et sollt een feststellen, datt dës Ënnerscheeder kleng sinn an keen signifikanten Impakt op d'thermesch Äntwert am stationären Zoustand hunn, sou datt se ignoréiert kënne ginn. Nodeems d'Parameteren uginn goufen, sinn déi ausgewielten Apparater wéi follegt:

NVMFS5C410N SO8FL

NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

Fir weider sécherzestellen, datt all aner thermesch Grenzen gläichwäerteg bleiwen, hu mir zwou identesch PCBs entwéckelt fir SO8FL- oder TCPAK57-Gehäuse z'ënnerbréngen. Den PCB-Design besteet aus 4 Schichten, déi all 1 Unz Koffer enthalen. D'Gréisst ass 122 mm x 7 mm. D'SO8FL-Plat huet keng thermesch Vias, déi den Drainpad mat anere leitfäege Schichten vun der Leiterplatt verbannen (wat net dat Bescht fir d'Hëtztofleedung ass); An dësem Vergläich kann et als de schlëmmste Fall vun der Hëtztofleedungsszenario benotzt ginn.

Figur 5 All Schicht vun der PCB (Schicht 1 gëtt an der ieweschter lénkser Ecke ugewisen, Schicht 2 gëtt an der ieweschter rietser Ecke ugewisen, Schicht 3 gëtt an der ënneschter lénkser Ecke ugewisen, a Schicht 4 gëtt an der ënneschter rietser Ecke ugewisen)

5. Heizkierper a Materialien fir thermesch Grenzflächen (TIM)

De Kühlkierper, deen während dem Testprozess benotzt gëtt, ass aus Aluminium a speziell fir d'Installatioun op der PCB entwéckelt. Den 107mm × 144mm Kühlkierper ass flësseg gekillt, mat enger Hëtzofleedungsfläch vun 35mm × 38mm direkt ënner der MOSFET-Positioun. D'Flëssegkeet, déi duerch de Kühler fléisst, ass Waasser. Waasser ass e gängeg benotzte Killmëttel a Feldanwendungen. Fir all Testszenarie gëtt de Flossrate op e fixe Wäert vun 0,5 gpm festgeluecht. Waasser kann zousätzlech Hëtzkapazitéit liwweren, andeems et d'Hëtzt vum Kühler op d'Waasserversuergungssystem iwwerdroe gëtt, wat hëlleft d'Temperatur vum Apparat ze reduzéieren.

Figur 6 Applikatiounsastellungen

Fir d'Hëtztofleedung vun der MOSFET-Grenzfläch besser ze fërderen, sollten Thermalspaltfüller benotzt ginn. Dëst hëlleft potenziell Mängel op der Grenzflächenuewerfläch ze fëllen. Loft, als schlechten Thermalleiter, erhéicht den Thermalwiderstand bei all Loftspalt. Den TIM, deen fir d'Tester benotzt gëtt, ass de Bergquist 4500CVO Dichtstoff, mat enger Thermalleitfäegkeet vu 4,5 W/mK. Benotzt verschidde Méiglechkeeten fir d'Optimiséierung vun der Thermalantwort ze demonstréieren. Déi fix Déckt gëtt duerch d'Benotzung vu Präzisiounsdichtungen tëscht der Leiterplatte an dem Kühlkierper erreecht. Déi Zildéckt, déi benotzt gëtt, ass: ~200 µm ~700 µm

6、Testkreesser a Heiz-/Miessmethoden

Déi gewielten Onboard-Schaltungskonfiguratioun ass en Hallefbréck-Setup, well se eng universell Feldanwendung duerstellt. D'Noperschaft vun zwee Apparater zueneen reflektéiert genee den Opbau virun Ort, well méi kuerz Verkabelung hëlleft parasitär Effekter ze reduzéieren. Wéinst der thermescher Iwwerlappung tëscht den Apparater spillt dëst eng gewëssen Roll an der thermescher Äntwert.

Fir eng relevant Heizung bei engem méi niddrege Stroumwäert duerchzeféieren, geet de Stroum duerch d'Kierperdiod vum MOSFET. Fir sécherzestellen, datt dëst ëmmer de Fall ass, kuerzschléisst de Gate- op d'Source-Pins. Déi thermesch Äntwert vun engem bestëmmten Apparat gëtt kritt andeems een als éischt den Hallefbréck-FET bis zur stationärer Junction-Temperatur erhëtzt (d'Temperatur klëmmt net méi), an dann d'Source-Drain-Spannung (Vsd) duerch eng kleng 10 mA Signalquell iwwerwaacht, während d'Junction-Temperatur op d'Ofkillungstemperatur zréckkënnt. D'Zäit, déi néideg ass fir den thermesche stationären Zoustand während dem Heizprozess z'erreechen, ass gläich wéi d'Zäit, déi néideg ass fir an en Zoustand ouni Elektrizitéit zréckzekommen. D'Vsd vun der Kierperdiod ass linear mat der Junction-Temperatur verbonnen, sou datt e konstante Verhältnis (mV/℃) (bestëmmt duerch d'Charakteriséierung vun all Apparat) benotzt ka ginn, fir et mat ΔTj ze korreléieren. Dann deelt den ΔTj während der ganzer Ofkillungsperiod duerch de Stroumverbrauch um Enn vun der Heizphase, fir déi thermesch Äntwert (Zth) vum bestëmmte System ze kréien.

D'Miessung vun der 2A Stroumversuergung, der 10 mA Stroumversuergung a vum Vsd gëtt all vum T3ster veraarbecht. Den T3ster ass en kommerziellen Testgerät, deen speziell fir d'Iwwerwaachung vun der thermescher Äntwert entwéckelt gouf. E benotzt déi uewe genannte Method fir d'thermesch Äntwert ze berechnen.

Figur 7 Schaltplang

7. Vergläichsresultater mat héijen Intensitéiten

Mooss d'Resultater vun der thermescher Äntwert vun all Apparat ënner zwou Konditiounen:

200 μm TIM

700 μm TIM

Den Zweck vun dësen zwou Miessunge ass et ze bestëmmen, wéi eng Verpackung an engem bestëmmte kontrolléierte System eng besser thermesch Äntwert huet, a wéi eng thermesch Äntwert vu wéi engem Apparat duerch extern Hëtztofleedungsmethoden optimiséiert ka ginn. Et muss een feststellen, datt dës Resultater net op all Uwendungen uwendbar sinn, mä spezifesch fir déi genannten thermesch Grenzen sinn.

Vergläich vun der Verpackung mat 200 μm TIM, deen um Kühlkierper installéiert ass.

Fir den éischten Testoperatioun gëtt all Apparat op engem waassergekillte Kühlkierper mat engem 200 μm TIM installéiert. All Apparat kritt en 2A Impuls bis en e stationären Zoustand erreecht. Den T3ster iwwerwaacht d'Vsd während der Wärmeofleedung a korreléiert se ëmgedréint mat der thermescher Äntwertkurve vum System. De stationäre thermesche Äntwertwäert vun der ieweschter Wärmeofleedung ass ~4,13 ℃/W, während de Wäert vum SO8FL ~25,27 ℃/W ass. Dësen signifikanten Ënnerscheed entsprécht den erwaarten Resultater, well dat iewescht Wärmeofleedungspaket direkt op engem Kühlkierper mat héijer thermescher Leetfäegkeet a grousser Wärmekapazitéit montéiert ass, wat eng gutt Wärmeverbreedung erreecht. Fir SO8FL ass den thermesche Leetfäegkeetseffekt wéinst der schlechter thermescher Leetfäegkeet vun der PCB schlecht.

Fir ze verstoen, wéi dës Virdeeler an Uwendungen ausgenotzt kënne ginn, kann de Wäert vun der thermescher Äntwert mat der Leeschtung verbonne ginn, déi all Apparat aushale kann. D'Leeschtung, déi néideg ass, fir den Tj vun enger Killmëtteltemperatur vun 23 ℃ op eng maximal Betribstemperatur vun 175 ℃ ze erhéijen, gëtt wéi follegt berechent:

Bemierkung: Dësen Ënnerscheed an der Leeschtung ass an dësem spezifesche thermesche System erwaart.

An dësem thermesche System kann déi iewescht Wärmeofleedungseenheet déi 6-fach sou héich Leeschtung wéi SO8FL handhaben. An Uwendungen op der Plaz kann dëst op verschidde Weeër benotzt ginn. Hei sinn e puer vu senge Virdeeler:

Wann de gewënschte Stroum konstant ass, kann, wéinst der verbesserter Leeschtungsleistung, e méi klenge Kühlkierper am Verglach zum SO8FL benotzt ginn. Dëst kann zu Käschtenerspuernisser féieren.

Fir Schaltmodus-Stroumversuergungsanwendungen kann d'Schaltfrequenz erhéicht ginn, während eng ähnlech thermesch Marge erhale bleift.

Kann fir Uwendungen mat méi héijer Leeschtung benotzt ginn, déi ursprénglech net fir SO8FL gëeegent waren.

Wann d'Chipgréisst konstant ass, huet déi iewescht Kühlkierperkomponent eng méi héich Sécherheetsmarge am Verglach zum SO8FL, a funktionéiert bei enger méi niddreger Temperatur ënner engem bestëmmte Stroumbedarf.

Figur 8 Thermesch Äntwertkurv mat 200 μm TIM

Figur 9 Temperaturvariatiounskurve mat 200 μm TIM

     

Vergläich vun der Verpackung mat 700 μm TIM, deen um Kühlkierper installéiert ass.

En aneren Test gouf mat enger TIM-Déckt vun 700 μm duerchgefouert. Dëst ass fir d'Ännerungen vun der thermescher Äntwert mat 200 μm TIM-Tester ze vergläichen, fir den Impakt vun externen Hëtzofléisungsmethoden op all Gehäuse ze verifizéieren. Den Test huet déi folgend thermesch Äntwertresultater erginn: déi iewescht Hëtzekipperkomponent war 6,51 ℃/W, an SO8FL war 25,57 ℃/W. Fir déi iewescht Hëtzofléisung ass den Ënnerscheed tëscht zwou TIM-Operatiounen 2,38 ℃/W, während den Ënnerscheed tëscht SO8FL 0,3 ℃/W ass. Dëst bedeit, datt déi extern Hëtzofléisungsmethod e wesentlechen Impakt op déi iewescht Hëtzekipperkomponenten huet, awer wéineg Effekt op SO8FL. Dëst ass och erwaart, well d'thermesch Äntwert vum ieweschten Hëtzofléisungsapparat haaptsächlech op dem thermesche Widderstand vun der TIM-Schicht baséiert. Am Verglach mat Hëtzekipper huet TIM eng méi niddreg thermesch Konduktivitéit. Dofir, mat der Zounimm vun der Déckt, wäert den thermesche Widderstand eropgoen, wat zu engem méi héije Rth féiert.

D'Ännerung vum SO8FL TIM geschitt tëscht der Leiterplatte an dem Kühlkierper. D'Hëtzt vun de Komponenten muss sech duerch d'Leiterplatte ausbreeden, fir den TIM an den Kühlkierper z'erreechen, sou datt d'Variatioun vun der Déckt wéineg Afloss op den thermesche Widderstand vum Haapthëtzwee huet. Dofir ass d'Ännerung vun der thermescher Äntwert ganz kleng.

D'Ännerungen an der thermescher Äntwert, déi duerch d'Dickevariatioun vum TIM verursaacht ginn, weisen den allgemenge Virdeel vun enger Top-Wärmeofleedungsverpackung. Den TCPAK57 huet e fräigeluechte Leadframe uewen um Verpackung, wat eng besser Kontroll vum thermesche Widderstand vum Hëtzwee erméiglecht. Fir spezifesch Uwendungen an Hëtzofleedungsmethoden kann dës Funktioun benotzt ginn, fir d'thermesch Äntwert ze optimiséieren. Dëst wäert dann eng méi kontrolléierbar a virdeelhaft Leeschtungskapazitéit ubidden. SO8FL an ähnlech SMD-Geräter hunn et schwéier, Hëtzt duerch d'Leiterplatine, op där se sinn, ofzeleeën, ofhängeg vun den Eegeschafte vun der PCB. Dëst ass e Faktor, deen net kontrolléierbar ass, well et vill aner Variablen ze berécksiichtegen gëtt, nieft der Hëtzofleedung, beim PCB-Design.

Figur 10 Temperaturvariatiounskurve mat 700 μm TIM

Figur 11 Temperaturvariatiounskurve mat 700 μm TIM

8. Zesummefassung vun de Schlësselpunkten

Déi iewescht Hëtzofleedungspackung kann d'Hëtzofleedung duerch d'PCB vermeiden, de Wärmewee vum Chip bis zum Hëtzofleedungsapparat verkierzen an doduerch den thermesche Widderstand vum Apparat reduzéieren. Den thermesche Widderstand hänkt direkt mat de Charakteristike vun de Kühlkierper an den thermesche Grenzflächematerialien zesummen. En niddrege thermesche Widderstand kann vill Applikatiounsvirdeeler mat sech bréngen, wéi zum Beispill:

Wann de gewënschte Stroum konstant ass, kënnen, wéinst der verbesserter Leeschtungskapazitéit, méi kleng Hëtzeofleedungselementer uewen am Verglach mat Standard-SMD benotzt ginn. Am Géigendeel, kann dat och zu Käschtenerspuernisser féieren.

Fir Schaltmodus-Stroumversuergungsanwendungen kann d'Schaltfrequenz erhéicht ginn, während eng ähnlech thermesch Marge erhale bleift.

Kann fir Uwendungen mat méi héijer Leeschtung benotzt ginn, wou Standard-SMD net gëeegent ass.

Wann d'Chipgréisst konstant ass, huet déi iewescht Kühlkierperkomponent eng méi héich Sécherheetsmarge am Verglach mat gläichwäertege SMD-Apparater a funktionéiert bei enger méi niddreger Temperatur ënner engem bestëmmte Stroumbedarf.

Eng méi staark Optimiséierungsfäegkeet vun der thermescher Äntwert. Dëst gëtt erreecht andeems d'Material an/oder d'Dicke vum thermeschen Interface geännert gëtt. Wat dënn den TIM an/oder wat besser d'thermesch Leetfäegkeet ass, wat méi niddreg d'thermesch Äntwert ass. D'thermesch Äntwert kann och geännert ginn andeems d'Charakteristike vum Kühlkierper geännert ginn. Den ieweschten Hëtzofleedungspak kann d'Hëtztausbreedung duerch d'PCB reduzéieren, wouduerch d'Hëtztiwwerlappung tëscht den Apparater reduzéiert gëtt. Déi iewescht Hëtzofleedung eliminéiert d'Noutwennegkeet, e Kühlkierper un d'Récksäit vun der PCB unzeschléissen, wat eng méi kompakt Anordnung vun de Komponenten op der PCB erméiglecht.