29. Juli 2022, 14:03 Uhr |
Von Brian Terng, Senior Market Development Manager für Automotive-MOSFETs bei Vishay
Bond-Wireless-Verbindungen ersetzen in SMD-Leistungshalbleitergehäusen zunehmend die klassischen Aluminium-Bonddrähte im Gehäuseaufbau. Oberseitig gekühlte PowerPak-Gehäuse erleichtern die Abführung der Abwärme nach oben zum Kühlkörper. Gullwing-Anschlüsse sorgen zudem für maximale Zugentlastung.
▶Diesen Artikel anhören
Zwar verringert die Elektrifizierung von Fahrzeugen den Kohlendioxidausstoß im Vergleich zu Verbrennungsmotoren (engl. Internal Combustion Engines, ICE), allerdings erhöht die steigende Anzahl an elektronischen Verbrauchern auch die benötigte elektrische Leistung. Um den steigenden Stromverbrauch zu bewältigen, ist daher ein umfangreicheres Netz von Stromversorgungen erforderlich, die mit hoher Leistungsdichte und Effizienz arbeiten.
Da MOSFETs kritische Schaltfunktionen in Power Management Designs übernehmen, ist die Wahl eines Bauelements mit einem optimierten Gleichgewicht aus physischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften entscheidend für die Erhöhung der Leistungsdichte. In diesem Artikel werden die neuesten Innovationen bei Leistungs-MOSFET-Gehäusen vorgestellt, die eine höhere Leistung und Robustheit bei extrem kompakten Formfaktoren bieten.
Minimierung des On-Widerstands
Ältere Transistor-Outline-Gehäuse (TO-Gehäuse) haben sich in Anwendungen im Antriebsstrang bewährt, die Leistungen von mehreren hundert bis hin zu Tausenden von Watt erfordern. Bei Komponenten in TO-Gehäusen werden häufig Aluminiumdrähte verwendet, um die Source des MOSFET-Siliziums mit den Anschlüssen zu verbinden. Diese Bauweise hat ihre Grenzen, insbesondere bei den neuesten Technologien, die eine sehr geringe RDS-Fläche aufweisen.
Beispielsweise weist das modernste 40-V-Bauelement in einem 7-poligen D2Pak mit Al-Drähten eine Verteilung von 33 Prozent zu 67 Prozent zwischen Silizium- und Gehäusewiderstand auf (Bild 1). Somit ist die intrinsische Beschränkung zu einem Hindernis für die Entwicklung besserer MOSFET-Produkte geworden. Durch die verbesserte Leistungsdichte neuer Chiptechnologien in der Halbleiterindustrie sind Gehäuseinnovationen unerlässlich, um das Silizium bestmöglich zu nutzen. Im neuesten Gehäuseaufbau werden Al-Bonddrähte durch Bond-Wireless(BWL)-Verbindungen in den SMD-Gehäusen ersetzt. Bei der BWL-Architektur sind Source und Gate des MOSFET über zwei Metallclips mit den Anschlüssen verbunden.
Diese Source-Clips vergrößern die Querschnittsfläche für die Leitung des elektrischen Stroms und ermöglichen so einen Gehäusewiderstand von nur 0,1 mΩ, wodurch der Beitrag des Gehäuses zum Gesamtwiderstand auf 23 Prozent oder weniger reduziert wird. In Verbindung mit modernsten Siliziumtechnologien können Niederspannungsbauelemente RDS(ON)-Werte im Mikroohmbereich erreichen. Zudem dienen die Source-Metallclips als Wärmeleitblech, um die Wärmeübertragung des Gehäuses zu verbessern. Darüber hinaus werden die für BWL-Gehäuse verwendeten Wafer auf eine Dicke von 50 µm geschliffen, um sowohl einen niedrigeren RDS(ON) als auch eine bessere thermische Leistung zu erzielen. Wegen P = I2*R lässt sich die Leitungsverlustleistung (P) bei einem gegebenen Strom (I) insbesondere durch niedrige RDS(ON)-Werte reduzieren. Bei Anwendungen im Antriebsstrang, wie beispielsweise Flüssigkeitspumpen oder Servolenkungen, führt ein geringerer Leitungsverlust zu kühleren Betriebstemperaturen und reduziert die Komplexität der Wärmemanagementsysteme, was wiederum Kosten spart.
Derzeit ist die BWL-Konstruktion für eine Vielzahl von SMD-Gehäusetypen qualifiziert, darunter PowerPak 8x8L, 8x8LR, SO-8L und 1212-8SLW. Diese Gehäuse haben freiliegende Drain Pads, entweder an der Unter- oder Oberseite des Gehäuses, um eine bessere Wärmeübertragung zu ermöglichen. Typischerweise reicht die Grundfläche dieser Gehäuse von 80,34 mm2 für das 8x8LR bis 10,89 mm2 für das 1212-8SLW.
Im Vergleich zu herkömmlichen TO-Gehäusen erfordert das Design mit PowerPak-Gehäusen weniger Platz auf der Leiterplatte für MOSFETs. Für Hochleistungsanwendungen oberhalb des Kilowatt-Bereichs werden in der Regel mehrere MOSFETs mit großen Chips wie beispielsweise D2Paks benötigt.
