Mehr als 120 MOSFETs werden laut Infineon im Jahr 2025 in jedem Pkw mit Verbrennungsmotor verbaut sein. Wachstumstreiber sind die Gesetzgebung zur CO2-Reduktion, die Verbreitung von Fahrerassistenzsystemen sowie Anwendungen für den Insassenkomfort. Gründe genug für die Hersteller, ihre Fertigungskapazitäten auszubauen und die MOSFET-Technologie weiter voranzutreiben.
Gehäuse und Halbleiterchip bestimmen die Eigenschaften des MOSFETs
Die Eigenschaften eines gehäusten MOSFET werden sowohl durch das Gehäuse als auch durch den MOSFET-Die, also den Halbleiterchip selbst, bestimmt. Der elektrische Gesamtwiderstand des Bauteils ist die Summe aus dem RDS(on) des Dies (Chip) und dem elektrischen Widerstand der Gehäuseanbindung. Je kleiner der RDS(on) des MOSFET-Dies wird, desto größer wird der prozentuale Anteil des elektrischen Widerstands der Gehäuseanbindung am Gesamtwiderstand. Anhaltspunkte für die Aufteilung des Gesamtwiderstandes auf den eigentlichen RDS(on) des Chips und den Leitungswiderstand des Gehäuses geben die jeweiligen Spice-Modelle. Die Spice-Modelle der MOSFETs von Infineon sind in der Regel unverschlüsselt und auf der Homepage verfügbar.
Sobald Strom durch das Bauteil fließt, entstehen Leitungsverluste nach der Gleichung
Ptot = I² x RDS(on)
Die dabei entstehende Wärme muss an die Umgebung abgeführt werden. Dazu ist ein möglichst kleiner thermischer Widerstand RthJA zwischen Die und Gehäuseaußenseite erforderlich.
Effiziente Kühlung entscheidend für Leistung und Zuverlässigkeit
In der Automobilindustrie werden MOSFET-Dies oft speziell für hohe Temperaturen und raue Umgebungen ausgelegt, um den Anforderungen des Fahrzeugbetriebs gerecht zu werden.
Trotzdem ist die Kühlung der MOSFETs entscheidend für die Leistung und Zuverlässigkeit. Dies wird häufig durch hochleitfähige Materialien, optimierte Kühlkörperdesigns und eine effektive Wärmeableitung erreicht. Für Automotive-MOSFETs bietet sich die Top-Side-Kühlung an, da sich auf der Oberseite des Chips die aktiven Komponenten befinden, die im Betrieb Wärme erzeugen. Eine effektive Top-Side-Kühlung kann durch den Einsatz von Wärmeleitpasten, Wärmeleitfolien, Kühlkörpern und anderen thermischen Lösungen erreicht werden. Durch die Ableitung der Wärme von der Oberseite des MOSFETs wird die Betriebstemperatur gesenkt und damit die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Bauteils verbessert.
Für ein effektives Bauteil müssen daher sowohl die MOSFET- als auch die Gehäusetechnologie ständig weiterentwickelt werden. Die neuen OptiMOS-MOSFETs im SSO10T-Gehäuse sind ein gutes Beispiel dafür.
Bei den Baureihen OptiMOS6 für 40 V und OptiMOS7 für 80 V im Gehäuse SSO10T sind die Dies nicht mit dünnen Drähten gebondet, sondern flächig mit Kupferclips kontaktiert. Dieses Verfahren sorgt für eine gute thermische und elektrische Anbindung des Chips an das Gehäuse. Die Entwärmung erfolgt hauptsächlich über eine Kontaktfläche auf der Oberseite des Gehäuses.
Für die thermische Anbindung an eine Kühlfläche kann ein Wärmeleitmaterial (Thermal Interface Material, TIM) verwendet werden. Diese Folien oder Pasten gleichen Unebenheiten und Rauheit der Oberflächen aus. Je nach Material sorgen die Folien auch für die elektrische Isolation zwischen Bauteil und Kühlfläche. Rutronik führt Wärmeleitmaterialien, z. B. von Fischer Elektronik und Innotape.
Hohe Leistungsdichte – auch bei begrenztem Bauraum
Die Vorteile der Top-Side-Kühlung von MOSFETs sind vielfältig. Neben einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades sind kompaktere Designs möglich. Denn der Wärmestrom, der durch die Verlustleistung der MOSFETs entsteht, wird direkt von der Bauteiloberfläche in eine Kühlfläche bzw. Wärmesenke geleitet. Der Umweg über die Leiterplatte entfällt. Dadurch verringert sich der thermische Widerstand zwischen dem MOSFET und der Wärmesenke. Die Leiterplatte kann somit einfacher gehalten werden. Thermische Vias und in die Leiterplatte eingebettete Metallkerne (Insulated Metal Substrate, IMS), die sonst den Wärmewiderstand der Leiterplatte verringern, entfallen.
Die effektive Wärmeableitung führt zu einer um 20 Prozent bis 50 Prozent verbesserten thermischen Impedanz, wodurch der Betriebstemperaturbereich erweitert wird oder die Bauelemente bei gleicher Betriebstemperatur eine höhere Leistung erzielen. Das Design erlaubt auch höhere Anwendungsströme, um größere Gehäuse zu ersetzen und damit z. B. von weiteren Platzeinsparungen zu profitieren. Die Top-Side-Kühlung in Kombination mit der OptiMOS 40-V-Familie ermöglicht höhere Leistungsdichten, was besonders in Anwendungen mit begrenztem Bauraum wichtig ist.
Darüber hinaus ist Infineons Gehäuse SSO10T als LHDSO-10 JEDEC gelistet, was den Austausch mit Komponenten anderer Hersteller erleichtert. Die Verfügbarkeit von Second Sources ist ein wichtiges Selektionskriterium und erhöht die Liefersicherheit des Kunden für den Bestückungsplatz auf der Platine.
Typische Automobilanwendungen für oberseitig gekühlte MOSFETs sind elektrische Lenkung, elektrische Bremse, Leistungsverteiler und elektrische Hilfsantriebe. Das Design ermöglicht eine andere, thermisch optimierte mechanische Konstruktion, die zu höheren Leistungsdichten und Einsparungen auf Systemebene führt. Weitere Hersteller, die MOSFETs mit Top-Side-Kühlung anbieten, sind z. B. Vishay und Toshiba.
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