Explicació detallada del paquet de dissipació de calor superior MOSFET d'alta eficiència
La majoria dels MOSFET utilitzats en aplicacions de potència són dispositius de muntatge superficial (SMD), incloent-hi paquets com ara SO8FL, u8FL i LFPAK. La raó per la qual se solen triar aquests SMD és que tenen una bona capacitat de potència i una mida més petita, cosa que ajuda a aconseguir solucions més compactes. Tot i que aquests dispositius tenen bones capacitats de potència, de vegades l'efecte de dissipació de calor no és ideal.
A causa de la soldadura directa del marc de contactes (incloses les pastilles de drenatge exposades) del dispositiu a la zona recoberta de coure, la calor es transmet principalment a través de la placa de circuit imprès (PCB). La resta del dispositiu està tancat en un embalatge de plàstic i només pot dissipar la calor a través de la convecció de l'aire. Per tant, l'eficiència de transferència de calor depèn en gran mesura de les característiques de la placa de circuit imprès: la mida de la zona de recobriment de coure, el nombre de capes, el gruix i la disposició. Aquesta situació es pot produir independentment de si la placa de circuit imprès està instal·lada al dissipador de calor o no. La capacitat màxima de potència dels dispositius típics no pot assolir el nivell òptim perquè les PCB generalment no tenen una conductivitat tèrmica i una massa tèrmica elevades. Per solucionar aquest problema i reduir encara més la mida de l'aplicació, la indústria ha desenvolupat un nou encapsulat MOSFET que exposa el marc de contactes (drenatge) MOSFET a la part superior de l'encapsulat (com es mostra a la Figura 1).
Figura 1 Paquet de dissipació de calor superior
1. Avantatges de disseny de la dissipació superior de la calor
Tot i que la tecnologia SMD de potència tradicional és avantatjosa per aconseguir solucions de miniaturització, requereix que no es col·loquin altres components a la part posterior de la placa de circuit a sota a causa de consideracions de dissipació de calor. No es pot utilitzar una part de l'espai de la placa de circuit, cosa que resulta en una mida total més gran de la placa de circuit final. I el component del dissipador de calor superior pot evitar aquest problema: la seva dissipació de calor es duu a terme a través de la part superior del dispositiu. D'aquesta manera, els components es poden col·locar a la placa per sota del MOSFET.
Aquest espai es pot utilitzar per organitzar els components següents (però no limitats a):
dispositiu d'alimentació
circuit d'accionament de la porta
Components de suport (condensadors, buffers, etc.)
Per contra, també pot reduir la mida de la placa de circuit, disminuir la ruta dels senyals de control de la porta i aconseguir una solució més ideal.
Figura 2 Espai del dispositiu PCB
En comparació amb els dispositius SMD estàndard, els components del dissipador de calor superior no només proporcionen més espai de disseny, sinó que també redueixen la superposició de calor. La major part de la propagació de la calor del paquet de dissipació de calor superior entra directament al dissipador de calor, de manera que la PCB suporta menys calor. Ajuda a reduir la temperatura de funcionament dels dispositius circumdants.
2. L'avantatge del rendiment tèrmic de la dissipació superior de la calor
A diferència dels MOSFET tradicionals de muntatge superficial, el paquet de dissipació de calor superior permet que el dissipador de calor es connecti directament al marc de contactes del dispositiu. A causa de l'alta conductivitat tèrmica dels metalls, els materials del dissipador de calor solen estar fets de metalls. Per exemple, la majoria dels dissipadors de calor estan fets d'alumini, amb una conductivitat tèrmica d'entre 100 i 210 W/mk. En comparació amb el mètode convencional de dissipació de calor a través de PCB, aquest mètode de dissipació de calor a través de materials d'alta conductivitat tèrmica redueix considerablement la resistència tèrmica. La conductivitat tèrmica i la mida del material són factors clau que determinen la resistència tèrmica. Com més baixa sigui la resistència tèrmica, millor serà la resposta tèrmica.
R θ = resistència tèrmica absoluta
Δ X = gruix del material paral·lel al flux de calor
A = àrea de la secció transversal perpendicular al flux de calor
K=conductivitat tèrmica
A més de millorar la conductivitat tèrmica, els dissipadors de calor també proporcionen una massa tèrmica més gran, cosa que ajuda a evitar la saturació o a proporcionar una constant de temps tèrmica més gran. Això es deu al fet que es pot canviar la mida del radiador muntat a la part superior. Per a una determinada quantitat d'energia tèrmica d'entrada, la massa tèrmica o la capacitat calorífica és directament proporcional al canvi de temperatura determinat.
Cth = capacitat calorífica, J/K
Q=Energia tèrmica, J
Δ T = canvi de temperatura, K
Les PCB sovint tenen dissenys diferents, i si el gruix de la làmina de coure és baix, pot conduir a una massa tèrmica (capacitat calorífica) més baixa i una mala propagació de la calor. Tots aquests factors fan que els MOSFET estàndard de muntatge superficial no puguin aconseguir una resposta tèrmica òptima durant l'ús. En teoria, el paquet de dissipació de calor superior té l'avantatge de dissipar directament la calor a través d'una font de massa tèrmica elevada i conductivitat tèrmica elevada, de manera que la seva resposta tèrmica (Zth (℃/W)) serà millor. Sota un cert augment de la temperatura de la unió, una millor resposta tèrmica permetrà una entrada de potència més alta. D'aquesta manera, per al mateix xip MOSFET, els xips amb un paquet de dissipació de calor superior tindran capacitats de corrent i potència més elevades que els xips amb un paquet SMD estàndard.
Figura 3 Els camins de dissipació de calor del paquet de dissipació de calor superior (a dalt) i del paquet SO8FL (a baix)
3. Configuració de prova per a la comparació del rendiment tèrmic
Per demostrar i validar els avantatges de rendiment tèrmic de la dissipació de calor superior, vam dur a terme proves comparant l'augment de temperatura del xip i la resposta tèrmica dels dispositius TCPAK57 i SO8FL sota les mateixes condicions de límit tèrmic. Per garantir l'eficàcia, es van provar dos dispositius sota les mateixes condicions elèctriques i límits tèrmics. La diferència és que el dissipador de calor del TCPAK57 està instal·lat a sobre del dispositiu, mentre que el dissipador de calor del dispositiu SO8FL està instal·lat a la part inferior de la PCB, directament a sota de l'àrea MOSFET (Figura 3). Això és una reproducció de l'ús del dispositiu en aplicacions de camp. Durant el període de prova, també es van utilitzar diferents gruixos de materials d'interfície tèrmica (TIM) per verificar quin empaquetament del dispositiu es podia optimitzar utilitzant diferents límits tèrmics. La prova general es duu a terme de la següent manera: s'aplica un corrent fix (per tant, una potència fixa) a aquests dos dispositius i, a continuació, es controla el canvi de temperatura de la unió per determinar quin dispositiu té un millor rendiment.
4. Selecció de dispositius i disseny de la placa de circuit imprès
Pel que fa a la selecció de dispositius, els MOSFET de cada encapsulat tenen la mateixa mida de xip i utilitzen la mateixa tecnologia. Això és per garantir que cada dispositiu tingui el mateix consum d'energia a un corrent determinat i per garantir una resposta tèrmica consistent a nivell d'encapsulat. D'aquesta manera, podem estar segurs que les diferències de resposta tèrmica mesurades es deuen a diferències d'encapsulat. Per aquests motius, hem optat per utilitzar TCPAK57 i SO8FL. Utilitzen dissenys de pinça i marc de cables lleugerament diferents, un amb cables (TCPAK57) i un sense cables (SO8FL). Cal tenir en compte que aquestes diferències són petites i no tindran un impacte significatiu en la resposta tèrmica en estat estacionari, de manera que es poden ignorar. Després de donar els paràmetres, els dispositius seleccionats són els següents:
NVMFS5C410N SO8FL
NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57
Per garantir encara més que tots els altres límits tèrmics siguin equivalents, hem dissenyat dues plaques de circuit imprès idèntiques per allotjar paquets SO8FL o TCPAK57. El disseny de la placa de circuit imprès consta de 4 capes, cadascuna amb 30 ml de coure. La mida és de 122 mm x 7 mm. La placa SO8FL no té vies tèrmiques que connectin el coixinet de drenatge a altres capes conductores de la placa de circuit imprès (cosa que no és la millor per a la dissipació de calor); en aquest entorn de comparació, es pot utilitzar com el pitjor escenari de dissipació de calor.
Figura 5 Cada capa de la placa de circuit imprès (la capa 1 es mostra a la cantonada superior esquerra, la capa 2 es mostra a la cantonada superior dreta, la capa 3 es mostra a la cantonada inferior esquerra i la capa 4 es mostra a la cantonada inferior dreta)
5. Radiadors i materials d'interfície tèrmica (TIM)
El dissipador de calor utilitzat durant el procés de prova és d'alumini i està dissenyat específicament per a la instal·lació a la placa de circuit imprès (PCB). El dissipador de calor de 107 mm × 144 mm està refrigerat per líquid, amb una àrea de dissipació de calor de 35 mm × 38 mm situada directament a sota de la posició MOSFET. El líquid que passa pel radiador és aigua. L'aigua és un refrigerant que s'utilitza habitualment en aplicacions de camp. Per a tots els escenaris de prova, el cabal s'estableix en un valor fix de 0,5 gpm. L'aigua pot proporcionar capacitat calorífica addicional, transferint calor del radiador al sistema de subministrament d'aigua, cosa que ajuda a reduir la temperatura del dispositiu.
Figura 6 Configuració de l'aplicació
Per tal de promoure millor la dissipació de calor de la interfície MOSFET, s'han d'utilitzar farciments de buits tèrmics. Això ajuda a omplir possibles defectes a la superfície de la interfície. L'aire, com a mal conductor tèrmic, augmenta la resistència tèrmica amb qualsevol buit d'aire. El TIM utilitzat per a les proves és el segellador Bergquist 4500CVO, amb una conductivitat tèrmica de 4,5 W/mK. Utilitzeu diversos gruixos diferents d'aquest TIM per demostrar la possibilitat d'optimització de la resposta tèrmica. El gruix fix s'aconsegueix mitjançant l'ús de juntes de precisió entre la placa de circuit i el dissipador de calor. El gruix objectiu utilitzat és: ~200 µm ~700 µm
6. Circuits de prova i mètodes d'escalfament/mesura
La configuració del circuit integrat seleccionada és una configuració de mig pont, ja que representa una aplicació de camp universal. La proximitat de dos dispositius entre si reflecteix amb precisió la disposició in situ, ja que un cablejat més curt ajuda a reduir els efectes paràsits. A causa de la superposició tèrmica entre dispositius, això tindrà un cert paper en la resposta tèrmica.
Per tal de realitzar un escalfament rellevant a un valor de corrent més baix, el corrent passarà a través del díode del cos del MOSFET. Per assegurar-vos que això sempre sigui així, curtcircuiteu la porta als pins de la font. La resposta tèrmica d'un dispositiu determinat s'obté primer escalfant el FET de mig pont fins a la temperatura de la junció en estat estacionari (la temperatura ja no augmenta) i després monitoritzant la tensió de drenatge de la font (Vsd) a través d'una petita font de senyal de 10 mA a mesura que la temperatura de la junció torna a la temperatura de l'estat de refredament. El temps necessari per assolir l'estat estacionari tèrmic durant el procés d'escalfament és igual al temps necessari per tornar a un estat sense electricitat. La Vsd del díode del cos està relacionada linealment amb la temperatura de la junció, de manera que es pot utilitzar una relació constant (mV/℃) (determinada caracteritzant cada dispositiu) per correlacionar-la amb Δ Tj. A continuació, dividiu el Δ Tj durant tot el període de refredament pel consum d'energia al final de la fase d'escalfament per obtenir la resposta tèrmica (Zth) del sistema donat.
T3ster processa la mesura de la font d'alimentació de 2 A, la font d'alimentació de 10 mA i la Vsd. T3ster és un dispositiu de prova comercial dissenyat específicament per monitoritzar la resposta tèrmica. Utilitza el mètode esmentat anteriorment per calcular la resposta tèrmica.
Figura 7 Diagrama del circuit
7. Resultats de comparació destacats
Mesureu els resultats de la resposta tèrmica de cada dispositiu en dues condicions:
200 μm TIM
700 μm TIM
L'objectiu d'aquestes dues mesures és determinar quin embalatge en un sistema controlat determinat té una millor resposta tèrmica i la resposta tèrmica de quin dispositiu es pot optimitzar mitjançant mètodes de dissipació de calor externs. Cal tenir en compte que aquests resultats no són aplicables a totes les aplicacions, sinó que són específics dels límits tèrmics esmentats.
Comparació d'encapsulats amb TIM de 200 μm instal·lat al dissipador de calor.
Per a la primera operació de prova, cada dispositiu s'instal·la en un dissipador de calor refrigerat per aigua mitjançant un TIM de 200 μm. Cada dispositiu rep un pols de 2A fins que arriba a l'estat estacionari. T3ster monitoritza la Vsd durant la dissipació de calor i la correlaciona a l'inrevés amb la corba de resposta tèrmica del sistema. El valor de resposta tèrmica en estat estacionari de la dissipació de calor superior és de ~4,13 ℃/W, mentre que el valor de SO8FL és de ~25,27 ℃/W. Aquesta diferència significativa és coherent amb els resultats esperats, ja que el paquet de dissipació de calor superior està muntat directament sobre un dissipador de calor d'alta conductivitat tèrmica i gran capacitat calorífica, aconseguint una bona propagació de la calor. Per al SO8FL, a causa de la baixa conductivitat tèrmica de la PCB, l'efecte de conductivitat tèrmica és deficient.
Per ajudar a entendre com aprofitar aquests avantatges en les aplicacions, el valor de resposta tèrmica es pot vincular a la quantitat de potència que cada dispositiu pot suportar. La potència necessària per augmentar Tj des d'una temperatura del refrigerant de 23 ℃ fins a una temperatura màxima de funcionament de 175 ℃ es calcula de la manera següent:
Nota: Aquesta diferència de potència és l'esperada en aquest sistema tèrmic específic.
En aquest sistema tèrmic, la unitat de dissipació de calor superior pot gestionar 6 vegades la potència de sortida del SO8FL. En aplicacions in situ, això es pot utilitzar de diverses maneres. Aquests són alguns dels seus avantatges:
Quan el corrent necessari és constant, a causa de la millora de la capacitat de potència, es pot utilitzar un dissipador de calor més petit en comparació amb el SO8FL. Això pot resultar en un estalvi de costos.
Per a aplicacions de font d'alimentació en mode commutador, la freqüència de commutació es pot augmentar mantenint un marge tèrmic similar.
Es pot utilitzar per a aplicacions de major potència que originalment no eren adequades per a SO8FL.
Quan la mida del xip és constant, el component del dissipador de calor superior tindrà un marge de seguretat més alt en comparació amb el SO8FL i funcionarà a una temperatura més baixa sota una demanda de corrent determinada.
Figura 8 Corba de resposta tèrmica utilitzant TIM de 200 μm
Figura 9 Corba de variació de temperatura utilitzant un TIM de 200 μm
Comparació d'encapsulats amb TIM de 700 μm instal·lat al dissipador de calor.
Es va dur a terme una altra operació de prova utilitzant un gruix TIM de 700 μm. Això és per comparar els canvis de resposta tèrmica amb proves TIM de 200 μm per verificar l'impacte dels mètodes de dissipació de calor externs en cada paquet. L'operació de prova va donar els següents resultats de resposta tèrmica: el component del dissipador de calor superior era de 6,51 ℃/W i el SO8FL era de 25,57 ℃/W. Per a la dissipació de calor superior, la diferència entre dues operacions TIM és de 2,38 ℃/W, mentre que la diferència entre SO8FL és de 0,3 ℃/W. Això significa que el mètode de dissipació de calor extern té un impacte significatiu en els components del dissipador de calor superior, però té poc efecte sobre el SO8FL. Això també és d'esperar, ja que la resposta tèrmica del dispositiu de dissipació de calor superior es basa principalment en la resistència tèrmica de la capa TIM. En comparació amb els dissipadors de calor, el TIM té una conductivitat tèrmica més baixa. Per tant, a mesura que augmenta el gruix, augmentarà la resistència tèrmica, donant lloc a un Rth més alt.
El canvi de TIM del SO8FL es produeix entre la placa de circuit i el dissipador de calor. La calor dels seus components s'ha de propagar a través de la placa de circuit per arribar al TIM i al dissipador de calor, de manera que la variació de gruix té poc efecte sobre la resistència tèrmica de la via tèrmica principal. Per tant, el canvi en la resposta tèrmica és molt petit.
Els canvis de resposta tèrmica causats per la variació de gruix del TIM demostren l'avantatge general de l'encapsulat de dissipació de calor superior. El TCPAK57 té un marc de plom exposat a la part superior de l'encapsulat, que permet un millor control de la resistència tèrmica de la via de calor. Per a aplicacions i mètodes de dissipació de calor específics, aquesta característica es pot utilitzar per optimitzar la resposta tèrmica. Això, al seu torn, proporcionarà unes capacitats de potència més controlables i beneficioses. El SO8FL i els dispositius SMD similars tenen dificultats per dissipar la calor a través de la placa de circuit on es troben, depenent de les característiques de la PCB. Aquest és un factor no controlable, ja que hi ha moltes altres variables a tenir en compte en el disseny de PCB a més de la dissipació de calor.
Figura 10 Corba de variació de temperatura utilitzant un TIM de 700 μm
Figura 11 Corba de variació de temperatura utilitzant un TIM de 700 μm
8. Resum dels punts clau
El paquet de dissipació de calor superior pot evitar la dissipació de calor a través de la PCB, escurçar el camí de calor des del xip fins al dispositiu de dissipació de calor i, per tant, reduir la resistència tèrmica del dispositiu. La resistència tèrmica està directament relacionada amb les característiques dels dissipadors de calor i els materials d'interfície tèrmica. Una baixa resistència tèrmica pot aportar molts avantatges d'aplicació, com ara:
Quan el corrent requerit és constant, a causa de la millora de la capacitat de potència, es poden utilitzar dispositius de dissipació de calor superior més petits en comparació amb els SMD estàndard. Per contra, això també pot resultar en un estalvi de costos.
Per a aplicacions de font d'alimentació en mode commutador, la freqüència de commutació es pot augmentar mantenint un marge tèrmic similar.
Es pot utilitzar per a aplicacions de major potència on el SMD estàndard no és adequat.
Quan la mida del xip és constant, el component del dissipador de calor superior tindrà un marge de seguretat més alt en comparació amb els dispositius SMD equivalents i funcionarà a una temperatura més baixa sota una demanda de corrent determinada.
Capacitat d'optimització de la resposta tèrmica més forta. Això s'aconsegueix canviant el material i/o el gruix de la interfície tèrmica. Com més prim sigui el TIM i/o millor sigui la conductivitat tèrmica, menor serà la resposta tèrmica. La resposta tèrmica també es pot alterar canviant les característiques del dissipador de calor. El paquet de dissipació de calor superior pot reduir la propagació de la calor a través de la PCB, reduint així la superposició de calor entre dispositius. La dissipació de calor superior elimina la necessitat de connectar un dissipador de calor a la part posterior de la PCB, permetent una disposició més compacta dels components a la PCB.