IMS statt PCB
Optimale Entwärmung von GaN-Bauelementen auf Systemebene
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Statische thermische Analyse
Die thermischen Eigenschaften eines Bausteins hängen davon ab, wie schnell die Wärme von der Wärmequelle abtransportiert wird. In vereinfachter Form lassen sich die thermischen Modelle des GS66516B auf einem PCB (Gleichung 1) und einem IMS (Gleichung 2) wie folgt beschreiben:
PCB: RJHS = RJC + RSolder + RPCB + RTIM (1)
IMS: RJHS = RJC + RSolder + RIMS + RGrease (2)
Darin ist RJHS der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Kühlkörper, RJC der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse, RSolder der thermische Widerstand des Lots, RPCB der thermische Widerstand des PCB, RTIM der thermische Widerstand des Wärmeleitmaterials, RlMS der thermische Widerstand des IMS und RGrease der thermische Widerstand der Wärmeleitpaste.
Bei der Montage des Bausteins auf dem PCB werden die thermischen Eigenschaften in erster Linie von zwei thermischen Widerständen bestimmt, nämlich von RPCB und RTIM. RPCB hängt vom Werkstoff der Leiterplatte, der Anzahl und Stärke der Kupferlagen sowie den Thermal Vias ab. Traditionell wird FR4 als PCB-Material verwendet, weil es eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,3 W/m·K aufweist.
Der Wärmewiderstand des PCB lässt sich verringern, indem man zusätzliche Kupferlagen hinzufügt. Das PCB-Layout wurde in [6] analysiert. Bei Hochspannungs-Transistoren (650 V) muss das Wärmeleitmaterial zwischen PCB und Kühlkörper die Source-Anschlüsse der verschiedenen Bausteine voneinander isolieren. Wie hoch der Wert von RTIM ist, richtet sich nach der Wärmeleitfähigkeit und der Stärke des Materials und dem aufgewandten Druck.
Wie aus Bild 1 hervorgeht, stellt die elektrische Isolierschicht den thermischen Engpass der IMS-Baugruppe dar. Mit 0,03 mm bis 0,1 mm ist diese Schicht relativ dünn. Da das IMS bereits eine dielektrische Schicht besitzt, ist die Verwendung eines Wärmeleitmaterials mit großer Dicke und dementsprechend geringer Wärmeleitfähigkeit nicht erforderlich. Anstelle eines TIM kann zwischen IMS-Baugruppe und Kühlkörper eine dünne Schicht Wärmeleitpaste aufgetragen werden.
Ein weiterer Faktor, der sich auf die thermischen Eigenschaften von PCB und IMS auswirkt, ist der (thermische) Widerstand des Lots. Die Simulation wurde unter der Annahme durchgeführt, dass die Oberfläche des Entwärmungs-Pad des Bausteins mit einer gleichmäßigen Lotschicht bedeckt ist. Etwaige Lufteinschlüsse wurden dabei nicht berücksichtigt. Diese aber können in realen Anwendungen dafür sorgen, dass sich der Wärmewiderstand des Systems erhöht.
Abhängig von der Lage der Lufteinschlüsse kann die Zunahme des thermischen Widerstands in einigen Fällen erheblich sein. Diesem Problem sollte deshalb unbedingt Beachtung geschenkt werden, um eine Blockierung des Wärmetransfers zu verhindern. Da dies allerdings für alle Substratvarianten – d.h. für PCB, IMS und sogar Module auf DBC – gilt, wurden die Lufteinschlüsse in dieser Analyse nicht eingerechnet.
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Bild 3 zeigt die Temperaturverteilung und die Aufschlüsselung des thermischen Widerstands für PCB- und IMS-Baugruppen. Wie man erkennt, ist die Sperrschichttemperatur des Halbleiterbausteins bei der IMS-Lösung deutlich geringer, nämlich um 76,5 °C bei IMS 1 und sogar um 86 °C bei IMS 2. Das IMS verbesserte den thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Kühlkörper gegenüber dem traditionellen PCB um den Faktor 3,3 (IMS 1) bzw. 4,7 (IMS 2).
Bild 3 bestätigt ferner, dass sich die thermischen Eigenschaften des IMS weiter verbessern lassen, indem man ein dünneres Dielektrikum verwendet. Hierdurch reduzierte sich der thermische Widerstand RJHS von IMS 2 um 42 % gegenüber dem Wert von IMS 1.
- Optimale Entwärmung von GaN-Bauelementen auf Systemebene
- Eigenschaften der Substrate
- Vorbereitung der thermischen Analyse
- Statische thermische Analyse
- Instationäre thermische Analyse
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