Thermischer Herausforderung begegnen Neue Power-MOSFET-Generation

Bei neueren Halbleitertechnologien wie dem Dünnen der Wafer bei Leistungs-MOSFETs ist stets zu hinterfragen: Entstehen durch die Verbesserung einiger Parameter, zum Beispiel beim Einschaltwiderstand, in anderen Bereichen Nachteile, beispielsweise beim thermischen Management? Exemplarisch wird hier für einen realistischen Belastungspuls gezeigt, was in einem modernen Power-MOSFET an Temperaturen zu erwarten ist.

Thermische Probleme begleiten fast jede Elektronikentwicklung. Insbesondere Belastungs-fälle, die nicht durch die Datenblatt-Parameter erfasst werden können, bereiten häufig Kopfzerbrechen. Bei der Entwicklung einer neuen MOSFET-Generation wird im Allgemeinen der flächenskalierte Einschaltwiderstand (RDS(on) x Fläche) deutlich verringert, man erreicht also bei gleicher Chipfläche einen dramatisch reduzierten RDS(on) für den Baustein. Um dies zu erreichen, sind viele Optimierungen notwendig.

Die Zellenstrukturen werden verändert und die Dotierung einzelner Bereiche variiert. Meist reduziert man auch die Dicke des Siliziums, was aber auch das thermische Verhalten verschieben kann. Zwar sinkt der thermische Widerstand, doch gleichzeitig steht nun natürlich auch ein geringeres Siliziumvolumen für kurzfristig höhere Belastungen zur Verfügung. Der Entwickler steht nun vor der Aufgabe, diese Veränderungen im thermischen Verhalten applikationsspezifisch zu bestimmen und gegebenenfalls Optimierungen zu starten.

Datenblattwerte und PSPICE-Bibliothek stellen für Spezialfälle wie Kurzzeitbelastungen unter Umständen nicht genügend Anhaltspunkte zur Verfügung, und die Ana-lyse mit einer Thermokamera liefert für solch schnelle Vorgänge keine verlässlichen Werte für die Temperaturen im Gehäuse selbst. Exemplarisch wird hier für einen realistischen Belastungspuls gezeigt, was im Silizium an Temperaturen zu erwarten ist. Die Ergebnisse beziehen sich zwar auf einen speziellen Anwendungszweck, lassen sich aber mit leichten Anpassungen auch auf viele andere Applikationen anwenden.

Bei Infineons neuer Power-MOSFET-Generation »OptiMOS« mit 40 V und 60 V Sperrspannung, die der Hersteller Anfang 2012 auf den Markt gebracht hat, konnte der Einschaltwiderstand (bei unveränderter Chipgröße) etwa halbiert werden. Dies ließ sich nur durch Dünnen des Chips erreichen. Chipdicken in diesem Spannungsbereich liegen typischerweise nur noch im Bereich von zehntel Millimetern.

Bekannte Anwendungen für diese Spannungsklassen sind neben klassischen Schaltnetzteilen (etwa Synchrongleichrichter auf der Sekundärseite) auch Elektromotoren in Akkuschraubern und Ähnlichem. Typisch für diese ist, dass sie kurzfristig sehr stark belastbar sind und dies in der Praxis auch ausgenutzt wird. So ist es völlig normal, dass für eine Sekunde lang ein Mehrfaches des Nennstromes zugelassen wird, um beispielsweise eine Schraube komplett und sicher in das Material eindrehen zu können. Die dabei entstehenden Verluste in den MOSFETs sind kurzfristig sehr viel höher als im Nennbetrieb.

Eine mögliche Lösung wäre natürlich, über eine eventuell massive Parallelisierung die Verluste ausreichend zu verringern, doch ist dies aus Kosten- und Platzgründen nicht erwünscht beziehungsweise oft auch gar nicht möglich. Andererseits ist dieser Überlastfall aus thermischer Sicht ein »einmaliger« Vorgang, denn erst viele Sekunden später ist eine Wiederholung zu erwarten, nämlich bei der nächsten Schraube.

»Zwischenspeichern« keine Option mehr

Nun gibt es aber immer die Möglichkeit, die in diesem kurzen Belastungsfall entstehende Verlustleistung »zwischenzuspeichern« und in der längeren Zeit vor dem nächsten Leistungsimpuls langsam abzuführen. Dazu bieten sich auf Bauteilebene das Silizium und auch ein Kupfer-Leadframe an. Mit zunehmender Miniaturisierung ist aber beides mittlerweile sehr stark verkleinert worden; insbesondere High-Performance-Bauformen beispielsweise im SuperSO8-Gehäuse haben aufgrund ihres geringen Volumens natürlich auch reduzierte Möglichkeiten, Energie zwischenzuspeichern.

Für solche SMD-Bauteile bieten sich spezielle Platinenformen an, beispielsweise eine IMS (Insulated Metal Substrate), die im Prinzip aus einem Aluminium- oder Kupfer-träger besteht (meist zwischen 0,5 mm und 3 mm stark) und auf die eine sehr dünne Isolationsschicht (angereichertes Epoxy) laminiert ist. Darauf befinden sich dann die Kupferleiterbahnen und auch die SMD-Bauteile.

Der Metallträger kann hier als »thermischer Tank« zum Zwischenspeichern der Verlustleistung dienen. Eine nähere Beschreibung der für die thermische Simulation vereinfachten Situation findet sich weiter unten. Zunächst einmal bietet sich eine genauere Betrachtung der Datenblattbereiche an, in denen ein thermisches Verhalten in Abhängigkeit von Zeit und Verlustleistung zu identifizieren ist.

Dies sind das SOA- und das Zth,JC-Diagramm, in Bild 1a und b für den untersuchten MOSFET »BSC014N04LS« (1,4 mΩ/40 V im SuperSO8, 5 mm x 6 mm) der neuen 40-V-Generation dargestellt. Leicht ist hier zu sehen, dass für den Baustein bereits jenseits der 10 ms ein quasistatischer Zustand erreicht ist. Betrachtet man nun parallel dazu das thermische Ersatzschaltbild der unterschiedlichen Chip-Generationen, so erkennt man sehr schnell, dass ausschließlich für sehr kurze Vorgänge unterhalb 100 µs das Chipvolumen eine Rolle spielt.

Bereits bei recht kurzen Belastungspulsen kann die Energie nicht mehr im Chip zwischengespeichert werden, sondern muss zunächst einmal an das Lot und den Leadframe und spätestens nach einigen Millisekunden an die Umgebung abgegeben werden. Für einen Puls von einer Sekunde Länge spielt also das Chipvolumen keine messbare Rolle. Dies wird auch schnell klar, wenn man sich die thermischen Eigenschaften der Materialien (Silizium, Lot, Kupfer) in Kombination mit ihrem Volumen betrachtet. Dies wird auch im thermischen Ersatzschaltbild beziehungsweise den PSPICE-Parametern widergespiegelt.

Betrachtet man nun die gesamte thermische Situation, also ein SuperSO8 (BSC014N04LS) auf einem preislich akzeptablen IMS (spezifische thermische Leitfähigkeit der Isolierschicht 1,3 W/mK; Schichtdicke 76 µm), so ergibt sich Bild 2.

Berechnet man nun die Temperaturerhöhung des gesamten Systems, so ergibt sich (bei theoretisch homogener Energieverteilung) ein Wert, der mit einem ∆T von 51 K meist akzeptabel ist. Im realen System spielen jedoch die Zeitkonstanten eine große Rolle. Rein rechnerisch ergeben sich hier ein Rth x Cth von 4,43 K/W x 0,4865 Ws/K = 2,155 s. Eine inhomogene Verteilung der Temperatur ist hier also zu erwarten. Tatsächlich ist das reale Verhalten, also die Durchwärmung der einzelnen Bestandteile des Systems, sehr weit vom Idealen entfernt.

Analyse per Finite-Elemente-Methode

Nun bietet die Finite-Elemente-Methode (FEM) aber die Möglichkeit, für jeden einzelnen Punkt einer solchen Situation realitätsnahe Werte zu erhalten und diese auch zu visualisieren. In Bild 3 ist zu sehen, wie sich die Temperatur im Laufe der einen Sekunde bei angenommenen 25 W (dies entspricht deutlich mehr als 100 A bei angenommenem 100% Einschaltverhältnis, also einer typischen Mehrbelastung beim Festdrehen einer Schraube) verändert.

In der Bilderreihe von Bild 3 ist unten sehr gut zu sehen, wie bereits nach einigen hundert Millisekunden das Plastikgehäuse des MOSFET heiß wird, das Aluminiumprofil jedoch deutlich kühler bleibt und sich inhomogen durchwärmt. Am Ende der Sekunde ist dann die äußere Gehäusetemperatur mit mehr als +120 °C schon deutlich erhöht und erreicht die Nähe des zulässigen Wertes. Sieht man sich die Unterseite des Bauteils an (obere Bilderreihe), so sieht man bereits eine Temperatur von etwas mehr als +130 °C.

Noch detaillierter sieht man den Temperaturverlauf im Zeitdiagramm (Bild 4). Aufgrund der sehr guten thermischen Anbindung der MOSFET-Zellen an das Kupfer-Leadframe beträgt der maximale Temperaturunterschied zwischen Chip und Leadframe nur etwa 4 K (dunkelrote bzw. orange Linie). Hier ist auch sehr gut zu erkennen, dass es einen sehr kurzen nicht-linearen Bereich gibt (bis etwa 100 ms), danach aber alle Temperaturverläufe recht linear verlaufen. Dies liegt an den bereits erwähnten kurzen Zeitkonstanten innerhalb des Bauteils, wie in Bild 1 bereits dargestellt.

Bild 4 zeigt auch, dass ein Transfer auf eine andere Situation (Verlustleistung, Einschaltverhältnis, Starttemperatur, Pulsdauer, etc.) sehr einfach mit genügender Genauigkeit erfolgen kann. Bei geringerer Verlustleistung oder geringerem Einschaltverhältnis kann die Linie entsprechend parallel nach unten verschoben werden, bei höherer Verlustleistung ist eine Verschiebung nach oben notwendig. Eine längere Pulsdauer ist durch einfache Verlängerung der Linien darzustellen.

Das gezeigte Beispiel bewegt sich mit seinen Ergebnissen von +143 °C nahe an den zulässigen thermischen Grenzen des BSC014N04LS (TJ,max = +150 °C). Zusätzliche Sicherheit bietet die Tatsache, dass für die Simulation die Worst-Case-Werte zum Einsatz kamen. Problematisch wird es natürlich dann, wenn gegebenenfalls die Pulslänge größer wird oder sogar mehr als 25 W Verlustleistung entstehen, weil gegebenenfalls ohne Änderung des Aufbaus die Zuverlässigkeit der Anwendung reduziert sein könnte. Die Lebensdauer könnte sich in nicht akzeptablem Maße verkürzen.

Thermische Situation verbessern

Betrachtet man die Aufgabenstellung im Detail, so ergeben sich diverse Möglichkeiten, die thermische Situation zu verbessern. Wegen der inhomogenen Temperaturverteilung auf dem Aluminiumprofil ist es wenig sinnvoll, die Fläche zu vergrößern. Zudem ist gegebenenfalls das Einbauvolumen dann nicht mehr akzeptabel und zusätzlich steigen die Kosten.

Viel sinnvoller ist eine Vergrößerung der Profilstärke. Die Effektivität dieses »thermischen Tanks« würde für diesen kurzen Puls deutlich erhöht. Doch auch hier ergeben sich Nachteile bezüglich Kosten und Platzbedarf. Eine weitere Lösung ist ein IMS-Material mit besserer thermischer Leitfähigkeit. Nachteilig sind allerdings die stark ansteigenden Kosten für dieses Spezialmaterial.

Eine weitere Möglichkeit bietet sich durch das umfangreiche Bauteilangebot von Infineon an. Hier sollte der Entwickler eine passende Kombination von Kosten und Performance finden. In dem oben erwähnten Aufbau wäre ein MOSFET mit einem niedrigeren RDS(on), zum Beispiel der »BSC010N04LS«, eine sehr gute Lösung. Dieser bietet einem Einschaltwiderstand von maximal 1 mΩ bei 40 V Sperrspannung und zeigt zusätzlich auch Vorteile beim Schaltverhalten.

Darüber hinaus ist auch ein 40-V-Baustein mit monolithisch integrierter Schottky-ähnlicher Diode - der »BSC010N04LSI« - erhältlich, der aufgrund der speziellen internen Strukturen besonders Vorteile beim schnellen Schalten bietet.

Über den Autor:

Ralf Walter ist Application Engineer Low Voltage Drives bei Infineon Technologies Austria.