Die Entwicklung hin zu höheren Leistungsdichten in elektronischen Anwendungen stellt immer höhere Anforderungen an das Wärmemanagement: Es wird zu einem entscheidenden Faktor, um Leistung, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zu gewährleisten – insbesondere bei Hochleistungsanwendungen wie industriellen Antrieben, Automobilsystemen und Stromversorgungen.
MOSFETs werden traditionell über die Lötverbindung zwischen der Unterseite des Gehäuses und der Leiterplatte gekühlt (Bottom-Side-Cooling). Dabei wird die vom Halbleiterchip erzeugte Wärme über die Drain-Pad-Anbindung an die Leiterplatte und von dort an einen Kühlkörper oder eine thermische Ebene, in der Regel über thermische Durchkontaktierungen, übertragen. Diese Methode bringt einige Einschränkungen mit sich, insbesondere einen vergleichsweise hohen Wärmewiderstand. Dieser entsteht durch mehrere Übergänge – vom Chip zum Gehäuse, vom Gehäuse zur Leiterplatte und von dort zum Kühlkörper – und hängt stark vom verwendeten Platinenmaterial (z. B. FR4) sowie von Anzahl und Platzierung der Thermovias ab. Weiterhin wirken sich Platinenfläche und Platinenlayout maßgeblich auf die Wärmeableitung aus.
Eine Möglichkeit, die Wärmeableitung zu verbessern, ist die Kühlung über beide Gehäuseseiten. Dabei wird die Wärme sowohl über die Unterseite des Gehäuses zur Platine als auch über die Oberseite des Gehäuses zu einem Kühlkörper abgeleitet. Diese Lösung bringt aber einige Nachteile mit sich:
- Die Komplexität bei der mechanischen Integration und dem Lötprozess erhöht sich, da zusätzliche Kühlkörper oder Wärmeleitpads erforderlich sind.
- Durch die zusätzlichen Kühlmaßnahmen entstehen höhere Kosten.
- Der Platzbedarf erhöht sich.
- Die mechanische Belastung steigt, da die Wärmeausdehnung auf beiden Seiten des Bauelements unterschiedlich ist.
Vorteile von Top-Side-Cooling
Oberseitengekühlte MOSFETs sind so konstruiert, dass der Drain auf der Oberseite des Gehäuses freiliegt. Dadurch ist ein direkter Kontakt mit einer Wärmesenke wie einer Kühlplatte möglich, was den Wärmewiderstand deutlich reduziert.
Dieser Ansatz hat mehrere entscheidende Vorteile: Erstens ist der Gesamtwärmewiderstand geringer, da der Wärmepfad kürzer und mit höherer Wärmeleitfähigkeit ausgeführt ist, da z. B. keine thermischen Vias benötigt werden, um die Wärmesenke anzuschließen (siehe Abb. 1). Zweitens können Entwicklerinnen und Entwickler aufgrund der verbesserten Kühleffizienz die Ausgangsleistung erhöhen, ohne die thermischen Grenzen zu überschreiten, wodurch sich die Leistungsdichte verbessert. Drittens vereinfacht das Top-Side-Cooling das Design der Leiterplatte, da die Unterseite vollständig für elektrische Verbindungen genutzt werden kann und nicht für komplexe thermische Durchgangsstrukturen benötigt wird.
Niedrigere Betriebstemperaturen tragen zudem zu einer längeren Lebensdauer der Komponenten und einer verbesserten Zuverlässigkeit des Gesamtsystems bei. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Kühlkörper mechanisch von der Leiterplatte entkoppelt werden kann. Dadurch wird die Belastung der Lötstellen reduziert und Verformungen oder Risse bei Temperaturwechseln werden reduziert.
Erprobte Vorteile im Vergleich
Das oberflächengekühlte PowerPAK-8x8LR-Gehäuse von Vishay nutzt „Power Clips“ statt Bonddrähten, um sowohl den elektrischen als auch den thermischen Widerstand zu minimieren. Zudem verfügt es über Gullwing-Anschlüsse, die für eine mechanische Entlastung (Zugentlastung) sorgen (siehe Abb. 2). Der freiliegende „Drain Clip“ auf der Oberseite des Gehäuses bietet einen Wärmepfad mit geringem Wärmewiderstand und ist die Grundlage für die Top-Side-Cooling-Eigenschaft. Hierdurch kann das Bauteil eine höhere Leistung erzielen, wenn ein Kühlkörper auf der Oberseite montiert ist. Da die Wärme direkt an den Kühlkörper abgeleitet wird, ist die Leiterplatte nicht mehr der dominierende Wärmepfad. Zudem können die thermischen Durchkontaktierungen im Bereich des MOSFETs auf der Leiterplatte vermieden werden. In Kombination mit einer Miniaturisierung der übrigen Komponenten ermöglicht dies Leiterplatten mit weniger Kupferanteil und somit geringeren Kosten.
Der direkte Vergleich verschiedener Kühlkonzepte zeigt die Vorteile der Oberseitenkühlung deutlich (siehe Abb. 3). In einem Versuchsaufbau wurden drei Kühlkonzepte gegenübergestellt: ein herkömmliches MOSFET-Gehäuse mit Kühlung über die Oberseite (Heat Sink und Airflow), dasselbe Gehäuse mit zusätzlicher Kühlanbindung an die Platine mittels Wärmeleitpad (17 W/mK), sowie das Top-Side-Cooled-Gehäuse PowerPAK 8x8LR mit optimierter Oberseitenkühlung. Während bei niedrigen Strömen keine Unterschiede zwischen den Kühlkonzepten zu erkennen sind, zeigt sich bei höheren Strömen ein deutlicher Vorteil des Top-Side-Cooling-Ansatzes. Bei 110 A erreicht das Standardgehäuse mit lediglich oberseitiger Kühlung rund 115 °C, mit zusätzlicher PCB-Kühlung etwa 105 °C. Das PowerPAK 8x8LR mit Top-Side-Cooling hingegen nur etwas über 80 °C. Die Ergebnisse belegen: Die gezielte Abfuhr der Verlustwärme über das freiliegende Drain-Pad auf der Oberseite ist wesentlich effizienter als die klassische Entwärmung über die Leiterplatte. Somit kann die Leistungsgrenze des Systems ohne zusätzliche thermische Maßnahmen erhöht werden.
Um die Integrität der Verbindung zur Leiterplatte und eine hohe Zuverlässigkeit auf Leiterplattenebene zu gewährleisten, wurde das Gehäuse außerdem strengen Belastungstests unterzogen. Eine maximale Sperrschichttemperatur von bis zu 175 °C führt zu einer längeren Lebensdauer als bei Bauteilen mit niedrigeren Temperaturgrenzwerten.
Zukunftsfähiges Kühlkonzept
Geräte, bei denen Platz- und Wärmebeschränkungen eine kritische Rolle spielen, wie zum Beispiel Hochleistungsmodule, Kfz-Wechselrichter und Server-Stromversorgungen, profitieren besonders von der Top-Side-Kühlung. Durch die Weiterentwicklung der Gehäusetechnologien werden MOSFETs mit Oberseitenkühlung für ein breiteres Spektrum von Anwendungen immer zugänglicher und kostengünstiger. Neben dem 8 mm x 8 mm großen PowerPAK 8x8LR (siehe Abb. 4) bietet Vishay mit dem 5 mm x 7 mm großen PowerPAK SO-10LR und dem noch in diesem Jahr erhältlichen 10 mm x 15 mm großen PowerPAK 10x15LR Alternativen in verschiedenen Größen für unterschiedliche Leistungsstufen an.
Während das Bottom-Side- und das Dual-Side-Cooling in der Leistungselektronik nach wie vor ihren Platz haben, bietet die Oberseitenkühlung eine Alternative mit klaren Vorteilen in Bezug auf Leistung, Designflexibilität und langfristige Zuverlässigkeit.
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