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Höhere Leistungsdichte in der Automobilelektronik

29. Juli 2022, 14:03 Uhr | Von Brian Terng, Senior Market Development Manager für Automotive-MOSFETs bei Vishay

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Besonderheit Gullwing-Anschlüsse

Diese TO-Gehäuse haben eine Größe von mindestens 160 mm2 und nehmen bei einer parallelen Konfiguration viel Platz auf der Leiterplatte ein. Im Vergleich dazu hat der PowerPak 8x8L nur eine Grundfläche von 64,8 mm2. Diese Vorteile der kleinen Größe und des geringeren Gewichts des Gehäuses werden noch bedeutsamer, wenn sich mehrere Dutzend dieser Bauelemente auf einer Leiterplatte befinden.

Das oberseitig gekühlte PowerPak 8x8LR hat eine etwas größere Grundfläche von 83,36 mm2 und benötigt dennoch 50 Prozent weniger Platz auf der Leiterplatte als ein D2Pak. Durch das freiliegende Drain Pad auf der Oberseite des Gehäuses kann die Wärme direkt nach oben zum Kühlkörper oder zum Modulgehäuse abfließen.

Eine Besonderheit der neuen PowerPaks sind die Gullwing-Anschlüsse, die für eine maximale Zugentlastung und überragende Zuverlässigkeit auf Leiterplattenebene ausgelegt sind. Während der Entwicklungsphase wurden die Gehäuse strengen Alterungs- und Belastungstests unterzogen, wie etwa Temperaturwechsel im Betrieb oder Vibrationstests auf Test-Boards. Dabei zeichnet sich die proprietäre Vergussmasse des Gehäuses durch maßgeschneiderte Eigenschaften aus, um CTE-Fehlanpassungen zu minimieren und die Belastung durch Temperaturwechsel zu reduzieren. Gullwing-Anschlüsse sorgen zudem für eine bestmögliche mechanische Entlastung, sodass das Gehäuse über eine deutlich verbesserte »Board-Level Reliability« verfügt und somit die Anzahl der Rückläufer reduziert wird.

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Oberseitig gekühlte Gehäuse

Für ausgewählte Anwendungen im Antriebsstrang, die mit hohen Strömen arbeiten, müssen oft Metallgehäuse oder Kühlkörper verwendet werden, um die durch die Verlustleistung der Komponenten entstehende Wärme abzuführen. Um ein solches Wärmemanagement-Design zu nutzen, sollte der ideale MOSFET eine Schnittstelle zum Kühlkörper mit niedrigem Wärmewiderstand aufweisen. Eine Lösung ist das neueste PowerPak-8x8LR-Gehäuse, das einen Anschluss zur Kühlung auf der Oberseite bietet und für die Wärmeableitung optimiert ist (Bild 3).

Mittels Wärmeleitpaste oder Spaltfüller bietet das sich an der Oberseite des Gehäuses befindliche Drain Pad an der Schnittstelle einen direkten Wärmepfad von der Oberseite des Gehäuses zum Kühlkörper. Da für gewöhnlich mit die höchsten Leistungen an den MOSFETs anliegen, bedeutet die Wärmeabfuhr nach oben einen weiteren Vorteil in der geringeren Wärmebelastung der Leiterplatte. Deshalb kann die Leitplatte auch dichter mit weiteren Bauteilen bestückt werden. Außerdem ermöglicht die effiziente und direkte Anschlusslösung nach oben den Betrieb bei höheren Leistungsdichten.

Bei herkömmlichen MOSFET-Gehäusen mit dem Drain-Anschluss auf der Unterseite wird die Wärme über das Drain Pad in die Leiterplatte geführt und dann zum Kühlkörper abgeleitet. Dieser Pfad umfasst verschiedene Materialien mit entsprechenden Wärmewiderständen in Reihe und ist in Summe aufgrund des Gesamtwärmewiderstandes weniger effizient. Zudem benötigt der Leiterplattenbereich unterhalb des MOSFET Durchkontaktierungen, um die Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Als weiteren Pluspunkt verfügt der neue, oberseitig gekühlte Gehäusetyp ebenfalls über Gullwing-Anschlüsse, die für eine bestmögliche Spannungsentlastung sorgen. Die Flexibilität der Anschlüsse ermöglicht eine Ausdehnung und Kontraktion bei thermischen und mechanischen Belastungen. Obwohl das Gehäuse einen niedrigen On-Widerstand von nur 0,54 mΩ (8x8LR, VDS = 40 V) aufweist, ist die Gesamtkonstruktion robust und weist eine hohe Board-Level Reliability auf, was die Anzahl der Feldrückläufer reduziert.