Power Device Packaging Besseres Temperature Cycling und höhere Zuverlässigkeit

Redakteur: Gerd Kucera

Bei den Leistungshalbleitern steht die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) unverändert im Mittelpunkt. Packaging, Wärmeabfuhr, Robustheit und Zuverlässigkeit treiben die meisten Innovationen.

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Optimiert: Die OptiMOS-TOLx-Gehäuse wird es in zahlreichen Spannungsklassen in OptiMOS-3- und 5-Technologie geben (TOLG im vierten Quartal 2021 von 60 V bis 250 V).
Optimiert: Die OptiMOS-TOLx-Gehäuse wird es in zahlreichen Spannungsklassen in OptiMOS-3- und 5-Technologie geben (TOLG im vierten Quartal 2021 von 60 V bis 250 V).
(Bild: Infineon)

Anwendungen wie E-Scooter, E-Gabelstapler und andere leichte Elek­tro­fahrzeuge (LEVs) sowie Akku-Werkzeuge und Batterie-Managementsysteme erfordern hohe Strombelastbarkeit, Robustheit und eine lange Lebensdauer. Infineon begegnet diesen Anforderungen regelmäßig mit neuen Gehäuseoptimierungen. Jetzt einmal mehr, um Entwicklern von Stromversorgungssystemen mehr Auswahlmöglichkeiten zu bieten, damit aktuelle Design-Vorgaben erfüllbar und maximale Leistung auf kleinstem Raum erreichbar sind.

Zwei neue Gehäuse für Power-MOSFETs

Neben dem TO-Leadless-Gehäuse (TOLL) gibt es nun zwei neue OptiMOS-Power-MOSFET-Gehäuse der TOLx-Familie: das TOLG (TO-Leaded mit Gullwing-Anschlüssen) und das TOLT (TO-Leaded mit Top-Side-Kühlung). Insgesamt ermöglicht die TOLx-Familie nach Herstellerangaben einen sehr niedrigen RDS(on) und eine Strombelastbarkeit von über 300 A, was die Systemeffizienz in Designs mit hoher Leistungsdichte verbessert.

Das TOLG-Gehäuse kombiniert die Eigenschaften von TOLL- und D2PAK-7-Pin-Gehäusen. Damit gibt es die gleiche elektrische Leistungsfähigkeit wie TOLL auf derselben Grundfläche von 10 mm x 11 mm, jedoch mit zusätzlicher Flexibilität, die mit der von D2PAK-7-Pin vergleichbar ist. Die Hauptvorteile von TOLG zeigen sich laut Infineon besonders bei Designs mit Aluminium-isolierten Metallsubstrat (Al-IMS)-Platinen. Bei diesen Designs ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) höher als bei Kupfer-IMS- und FR4-Platten. Der WAK beschreibt die Ausdehnung eines Materials in Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Die meisten Elektronikausfälle treten aufgrund von thermisch induzierten Spannungen und Dehnungen auf, die durch zu große Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien verursacht werden.

Eine zweifach höhere TCoB-Leistung

Im Laufe der Zeit führen Temperaturwechsel auf der Leiterplatte (temperature cycling on board, TCoB) zu Rissen in der Lötstelle zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte. Mit der Flexibilität der Gullwing-Anschlüsse besitzt das TOLG-Gehäuse über eine, wie Infineon betont, hervorragende Robustheit der Lötstelle und erhöht damit die Produktzuverlässigkeit in Anwendungen, in denen wiederholte Temperaturwechsel stattfinden. Das neue Gehäuse erreiche damit eine zweifach höhere TCoB-Leistung im Vergleich zur Anforderung des IPC-9701-Standards, der den TCoB-Test mit –40 °C bis 125 °C vorsieht. Das TOLT-Gehäuse ist für bestmögliche thermische Leistung optimiert und nutzt eine umgedrehte Lead-Frame-Kon­struktion, um freiliegendes Metall auf der Oberseite zu positionieren. Zusätzlich enthält es mehrere Gullwing-Anschlüsse auf jeder Seite für hochstromführende Drain- und Source-Verbindungen. Durch den umgedrehten Lead-Frame wird die Wärme von der freiliegenden Metalloberseite durch das Isoliermaterial direkt zum Kühlkörper geleitet. Im Vergleich zum TOLL-Gehäuse mit Unterseitenkühlung verbessere das TOLT den RthJA (Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung, also gesamter Wärmewiderstand) um 20% und den RthJC (Wärmewiderstand Chip zu Gehäuse) um 50%. Diese Spezifikationen ermögliche niedrigere Stücklistenkosten, insbesondere beim Kühlkörper. Darüber hinaus reduziere OptiMOS im TOLT den Platzbedarf auf der Leiterplatte, da Komponenten auf der Unterseite des MOSFETs montiert werden können.

Spannungsklassen und Evaluation-Board

Die OptiMOS TOLx-Familie wird es in zahlreichen Spannungsklassen in OptiMOS-3- und -5-Technologie geben. TOLG startet jetzt im vierten Quartal 2021 mit Spannungen von 60 bis 250 V in einem breiten Produktportfolio. TOLT ist derzeit in den Spannungsklassen 80 V und 100 V erhältlich. Ebenfalls erhältlich ist ein Evaluation-Board mit einem OptiMOS-5-Power-MOSFET (100 V) in einem TOLG-Gehäuse (IPTG014N10M5). Vorteile: reduzierte Leitungsverluste, hohe Leistungsdichte, verlängerte Lebensdauer, höherer Wirkungsgrad durch weniger Schaltverluste, geringere EMI. //KU

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