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Automotive MOSFETs – Auf die Verpackung kommt es an

28.09.2022 Knowledge

Der zunehmende Einsatz von MOSFETs in Applikationen wie LED-Vorschaltgeräten, Netzteilen, Batterieladegeräten sowie als Relais- und Sicherungs-Ersatz beschert ihnen ein starkes Wachstum. Weiter optimierte MOSFETs für noch viel mehr Anwendungen glänzen mit weniger Platzbedarf und Verlustleistung, mehr Effizienz und geringeren Kosten. Wie verfolgen die Hersteller diese Optimierungsziele?

Generell gilt: Mit steigender Effizienz von Bauteilen wird das Endprodukt kleiner und leichter, langlebiger, günstiger und es erwärmt sich weniger. Manche Anwendungen werden dadurch überhaupt erst möglich. So steigert mehr Effizienz den Bedarf an den entsprechenden Bauteilen und befeuert das Wachstum zusätzlich.

Effizienz auf Systemebene ist König

Effizienzbestimmende Schlüsselbausteine sind die Leistungsschalter, meist MOSFETs. Ihre Leitungs- und Schaltverluste bestimmen maßgeblich die Abwärme. Die Kenngröße „Figure of Merit“ (Durchlasswiderstand RDSon × GateLadung Qgate) liefert eine Bewertung, in die die statische (elektrische Leitverluste) und die dynamische (elektrische Schaltverluste) Performance eingehen. Stellschrauben für eine kleinere Figure of Merit oder höhere Effizienz der MOSFETs sind Halbleitermaterialien mit besseren Eigenschaften, wie SiC oder GaN. Sie bieten geringere dynamische Verluste durch schnelleres Schalten und geringere thermische Widerstände verglichen mit konventionellen MOSFETs aus Silizium. Das gilt besonders für höhere Spannungspegel. Das System MOSFET besteht aber nicht nur aus dem Halbleiter-Chip. Auch das Gehäuse und die Verbindungstechnologie spielen eine signifikante Rolle.

Verlustleistung verringern durch kleineren Gesamtwiderstand

Betrachtet man die Verteilung des ohmschen Widerstandes eines MOSFET auf Chip und Kontaktierung bzw. Gehäuse, so fällt die Reihenschaltung von Gehäusewiderstand RPackage und Widerstand des Dies auf (Bild 1). Das heißt: Es genügt nicht, immer nur bessere MOSFET-Chips zu entwickeln. Vielmehr muss die Gehäusetechnologie mit diesen Optimierungen Schritt halten. Hierfür stehen folgende Maßnahmen zur Verfügung:

  • Flächige Kontaktierung anstelle von Bonddrähten: Durch die größere Kontakt- und Querschnittsfläche verkleinern sich thermischer und elektrischer Widerstand des Gehäuses (Bilder 2, 3 und 4). Zusätzlicher Bonus: Durch die streifige Form des Kontaktclips verringert sich auch die parasitäre Induktivität der Verbindung
  • Dünnere Dies: Dünnere Dies bieten zwei Vorteile: Der elektrische Gesamtwiderstand wird kleiner, weil sich die Länge des Strompfades durch den Chip insgesamt verkürzt. Zudem kommt der Kanal näher an die Oberfläche, was den thermischen Widerstand weiter reduziert
  • Verpackung mit Source unten: In einem Gehäuse mit Source unten liegt der Kanal, in dem die Verlustleistung entsteht, näher an der Kühlfläche. Das Bauteil hat dadurch verbesserte elektrische und thermische Eigenschaften. Infineon hat erste MOSFETs im Gehäuse PQFN 3,3 × 3,3 mm2 mit umgedrehtem Die eingeführt und nennt das Ganze „Source Down“-Technologie.

Bessere Ausnutzung des Dies durch kleineren thermischen Widerstand

Das zeigt, dass man durch bessere Entwärmung an die Umwelt mehr Verlustleistung erzeugen kann, ohne dass das Bauteil überhitzt. Dabei hilft die oben erwähnte flächige Kontaktierung der Chips. Es können jedoch noch einige zusätzliche Maßnahmen getroffen werden.

Entwärmung von oben

In den konventionellen Gehäusen liegt der MOSFET-Chip mit der Drain-Seite nach unten auf der metallischen Kontaktfläche. Dieser Drain-Anschluss wird mit der Platine verlötet und bildet den Hauptpfad zur Wärmeableitung in die Platine. Die Platine muss jedoch ebenfalls entwärmt werden. Deshalb wird die Wärmeenergie häufig mit Durchkontaktierungen (Vias) auf die andere Seite des PCBs geführt. Die Platine und ihre Durchkontaktierungen addieren einen weiteren Wärmewiderstand auf dem Weg zwischen MOSFET und Umgebung. Die Rückseite der Platine kann dann mit einem Kühlkörper versehen werden. Befindet sich die Kühlfläche hingegen auf der Oberseite des MOSFET-Gehäuses, kann ein Kühlkörper direkt dort angeschlossen werden. Der Wärmewiderstand, den die Platine mit ihren Vias darstellt, entfällt.

Entwärmung von unten und oben (Dual Side Cooling, DSC)

Diese speziellen Gehäuse haben sich bisher in der Breite noch nicht durchgesetzt. Dadurch haben Entwickler wenig Auswahl bei Typen und Herstellern und es stehen kaum Second Sources zur Verfügung. Tabelle 1 listet gängige Gehäuse verschiedener Hersteller und ihre Eigenschaften auf. Sie zeigt deutlich, dass die größten Gehäuse nicht automatisch auch den kleinsten thermischen Widerstand bieten.

Fazit

Damit die neuesten MOSFETs ihre Vorteile im Package voll ausspielen können, haben die Hersteller auch die Gehäusetechnologie neu erfunden. Aktuelle Dies in Gehäusen mit flächiger Kontaktierung durch Copper Clipping sorgen für eine sprunghafte Verbesserung der elektrischen und thermischen Eigenschaften. So ebnen sie den Weg zu kleineren, leichteren, langlebigeren und günstigeren Anwendungen und ermöglichen vielleicht sogar ganz neue.

 


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