Top-Cool-Bausteine mit optimiertem Wärmeverhalten Leistungshalbleiter von oben besser kühlen

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

In Fahrzeugen müssen elektronische Systeme mit hoher Leistungsaufnahme in sehr beengten Umgebungen Platz finden – entsprechend herausfordernd ist die Kühlung der Leistungselektronik-Komponenten. Neuartige Halbleitergehäuse helfen dabei, das Wärmemanagement in modernen Automotive-Anwendungen zu verbessern.

Auf den ersten Blick sind die Abmessungen aktueller Fahrzeugmodelle beeindruckend, doch der verfügbare Platz für technische Lösungen in Autos ist recht klein und beengt – denn der größte Teil des Raums entfällt auf die Fahrgastzelle, und die elektronischen Systeme müssen in abgelegenen Bereichen untergebracht werden. Das ist zwar sinnvoll, macht die Kühlung dieser Lösungen aber zu einer Herausforderung – vor allem, weil die Leistungsaufnahme in vielen Automotive-Anwendungen hoch ist. Daher sucht die Branche nach Möglichkeiten, die Kühlung zu verbessern und so Fahrzeugherstellern und -besitzern eine Reihe von Vorteilen zu bieten.

Mit der Umstellung der Fahrzeuge auf Elektroantrieb und elektrischen Aktuatoren als Ersatz vieler bisher mechanischer oder hydraulischer Systeme steigt in modernen Fahrzeugen der Bedarf an elektrischen Wandlern mit hoher Leistung deutlich an. Es werden enorme Anstrengungen unternommen und beträchtliche Budgets aufgewendet, um den Gesamtwirkungsgrad dieser neuen elektrischen Systeme zu steigern – vor allem mit dem Ziel, die Reichweite des Fahrzeugs zu vergrößern.

Weg mit der Wärme

Doch für die Systementwickler hat ein höherer Wirkungsgrad noch einen weiteren Vorteil: Die Abwärme wird erheblich reduziert. Aus Sicht des Wärmemanagements bedeutet dies, dass Kühltechniken wie Kühlkörper reduziert oder vollständig auf sie verzichtet werden kann, wodurch sich Größe, Gewicht und Kosten der Lösung verringern.

Jeder Energietechniker weiß: Der beste Weg, Wärme abzuführen, ist sie gar nicht erst zu erzeugen. Am zweitbesten ist es, dafür zu sorgen, dass die überschüssige Energie so direkt wie möglich an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Obwohl Halbleitertechnologien mit breiter Bandlücke (WBG; Wide-Bandgap) wie Siliziumkarbid (SiC) enorme Sprünge in der Effizienzverbesserung gemacht haben, gibt es kein Leistungselektronikbauteil (und wird es wahrscheinlich auch nie geben), bei dem nicht ein gewisser Energieverlust auftritt.

Herkömmliche Ansätze zur Kühlung von Halbleitern

In der Leistungselektronik werden MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) in der Regel oberflächenmontiert (SMD), in Gehäusetypen wie beispielsweise SO8FL, u8FL und LFPAK. SMD-Montage ist die bevorzugte Technik, da sie als kompakte Lösung gute Leistungsfähigkeit sowie den Komfort der automatischen Platzierung und des Lötens bietet. Allerdings ist die Wärmeableitung bei SMD-Bauteilen nicht ideal, da der Weg der Wärmeausbreitung meist durch die Leiterplatte verläuft (Bild 1).

Denn bei herkömmlichen Bauelementen wird dessen Leadframe, einschließlich eines freiliegenden Drain-Pads, direkt auf eine Kupfergrundfläche auf der Leiterplatte gelötet. Diese Fläche stellt eine elektrische Verbindung und einen Wärmepfad vom Chip zur Leiterplatte her. Sie ist die einzige direkte thermische Verbindung zur Leiterplatte, da der Rest des Bauelements mit Gehäusemasse vergossen ist und nur durch Konvektion Wärme an die Umgebungsluft abgeben kann.

Bei diesem Ansatz hängt die Effizienz der Wärmeableitung vom Bauteil stark von den Eigenschaften der Leiterplatte ab, beispielsweise der Größe der Kupferfläche, den Kupferlagen oder dem Gewicht und Layout des Kupfers. Dies gilt unabhängig davon, ob die Leiterplatte mit einem Kühlkörper verbunden ist oder nicht. Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte begrenzt die Wärmeabgabe und damit die maximale Leistungsfähigkeit des Bauelements.

Top Cool: MOSFETs von oben kühlen

Um dieses Problem zu lösen, hat onsemi ein neues MOSFET-Gehäuse entwickelt, bei dem der Leadframe (Drain) auf der Oberseite des Gehäuses freiliegt. Dies bringt Vorteile sowohl beim Anwendungslayout und beim Platzbedarf als auch bei der Wärmeübertragung.

Der herkömmliche Ansatz zur Kühlung von Leistungs-MOSFETs bietet zwar einigermaßen kompakte Lösungen, die Unterseite der Leiterplatte muss aber unbestückt bleiben, damit ein Kühlkörper angebracht werden kann. Daher ist in Summe meist eine größere Leiterplatte erforderlich, um alle notwendigen Komponenten unterzubringen.

Da der Wärmepfad bei den Bauelementen im neuen Top-Cool-Gehäuse nach oben verläuft, befindet sich der Kühlkörper über den MOSFETs (Bild 2), was die Platzierung von Komponenten wie Leistungsbauelementen, Gate-Treibern und anderen Bauteilen auf der dadurch frei gewordenen Fläche auf der Unterseite der Platine ermöglicht. Damit kann eine kleinere Leiterplatte verwendet werden. Dieses kompaktere Layout ermöglicht auch kürzere Gate-Treiber-Leiterbahnen, was im HF-Betrieb von Vorteil ist.

Kühlere Bauteile sind zuverlässiger

Weil die Wärme nicht mehr durch die Leiterplatte geleitet werden muss, bleibt die Platine selbst kühler und die Komponenten in der Nähe der MOSFETs arbeiten bei niedrigeren Temperaturen und somit zuverlässiger.

Nicht nur beim Layout, sondern auch thermisch bieten die Top-Cool-Bauteile Vorteile, da sich das Gehäuse im direkten Kontakt zum Leadframe des Bauteils kühlen lässt. Die meistens verwendeten Kühlkörper aus Aluminium oder ähnlichen Metallen reduzieren aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit (meist zwischen 100 W/mK und 210 W/mK) den Wärmewiderstand im Vergleich zur herkömmlichen Kühlung über die Leiterplatte erheblich und sorgen so für ein besseres thermisches Verhalten. Ihre viel größere thermische Masse trägt dazu bei, eine Sättigung zu vermeiden, und macht eine längere thermische Zeitkonstante möglich, weil sich der oben montierte Kühlkörper entsprechend den Anforderungen der Anwendung dimensionieren lässt.

In Summe bietet das Top-Cool-Gehäuse eine bessere thermische Reaktion, gemessen als geringerer Temperaturanstieg pro Watt Verlustleistung, und ermöglicht so den Betrieb mit mehr Leistung für eine vorgegebene maximale Erhöhung der Sperrschichttemperatur. Letztlich hat derselbe MOSFET-Chip in einem Top-Cool-Gehäuse also eine höhere Strom- und Leistungsfähigkeit als derselbe Chip in einem Standard-SMD-Gehäuse.

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Top Cool n-Kanal-MOSFETs im LFPAK-5x7-Gehäuse

Onsemi hat eine Reihe von Top-Cool-Bauelementen in einem modifizierten LFPAK-5x7-Gehäuse (5 mm x 7 mm) mit einem 16,5 mm2 großen Wärmeleitpad auf der Oberseite für das direkte Ableiten der Wärme in einen Kühlkörper entwickelt. Basierend auf onsemis Know-how im Bereich Gehäusetechnik/Packaging bieten diese TCPAK57-Bauteile im Branchenvergleich sehr hohe Leistungsdichten, und die verbesserte Zuverlässigkeit des neuen Designs trägt zu einer längeren Lebensdauer des Gesamtsystems bei.

Statt der üblichen Drahtbond-Verbindungen verfügen sie intern über Kupferklammern für die Source- und Drain-Anschlüsse. Diese leiten große Ströme mit minimalem Widerstand und bilden eine effektive thermische Verbindung mit dem Pad auf der Oberseite. Mit einem niedrigen RDS(ON) zwischen 3,3 und 1 mΩ bieten die neuen Bauelemente den für Hochleistungsanwendungen erforderlichen elektrischen Wirkungsgrad.

Das anfängliche TCPAK57-Angebot von Onsemi umfasst insgesamt sieben Bausteine, die für 40, 60 und 80 V Betriebsspannung ausgelegt sind (Bild 3). Alle Bauteile können bei Sperrschichttemperaturen (Tj) von 175 °C betrieben werden, sind AEC-Q101-qualifiziert und PPAP-konform. Mit ihren Gull-Wing-Anschlüssen, die eine Inspektion der Lötstellen ermöglichen, und ihrer hohen Zuverlässigkeit auf Leiterplattenebene eignen sie sich für anspruchsvolle Automotive-Anwendungen, darunter Motorsteuerungen mit hoher/mittlerer Leistung wie beispielsweise elektrische Servolenkung und Ölpumpen.

Fazit

In Leistungselektronik-Designs ist Wärmemanagement von grundlegender Bedeutung, um die anspruchsvollen Entwurfsziele im Automotive-Bereich abzudecken. Bei der herkömmlichen Kühlung diskreter Leistungsbauelemente wie MOSFETs wird die Wärmeenergie von einem Pad an der Bausteinunterseite durch die Leiterplatte zu einem Kühlkörper geleitet. Da dies jedoch kein idealer thermischer Pfad ist, ist die theoretische Leistungsfähigkeit der Bauelemente nicht abrufbar.

Bei einem neuen Gehäusetyp wird das Wärmeleitpad jedoch nach oben verlegt, so dass sich ein Kühlkörper thermisch direkt mit dem Bauelement verbinden lässt. Dies verbessert nicht nur die Kühlung des MOSFET, sondern ermöglicht auch die Nutzung der PCB-Unterseite für die Bauteilplatzierung. Damit lässt sich die Leistungsdichte in kritischen Anwendungen wie im Automotive-Bereich erhöhen. (cg)

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* Carlos Ramirez Ramos ist Product Line Director bei Onsemi

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