Podrobné vysvetlenie vysokoúčinného balíka MOSFET pre odvod tepla

Väčšina MOSFETov používaných v energetických aplikáciách sú zariadenia na povrchovú montáž (SMD), vrátane puzdier ako SO8FL, u8FL a LFPAK. Dôvodom, prečo sa tieto SMD tranzistory zvyčajne vyberajú, je ich dobrý výkon a menšia veľkosť, čo pomáha dosiahnuť kompaktnejšie riešenia. Hoci tieto zariadenia majú dobrý výkon, niekedy nie je ich odvod tepla ideálny.

V dôsledku priameho spájkovania vývodového rámu (vrátane odkrytých odtokových plôšok) zariadenia s medenou oblasťou sa teplo prenáša prevažne cez dosku plošných spojov. Zvyšok zariadenia je uzavretý v plastovom obale a môže odvádzať teplo iba konvekciou vzduchu. Účinnosť prenosu tepla preto do značnej miery závisí od charakteristík dosky plošných spojov: veľkosti oblasti s medeným povlakom, počtu vrstiev, hrúbky a rozloženia. Táto situácia môže nastať bez ohľadu na to, či je doska plošných spojov nainštalovaná na chladiči alebo nie. Maximálna výkonová kapacita typických zariadení nemôže dosiahnuť optimálnu úroveň, pretože dosky plošných spojov vo všeobecnosti nemajú vysokú tepelnú vodivosť a tepelnú hmotnosť. Na riešenie tohto problému a ďalšie zníženie veľkosti aplikácie vyvinul priemysel nové puzdro MOSFET, ktoré odkrýva vývodový rám (odtok) MOSFETu v hornej časti puzdra (ako je znázornené na obrázku 1).

Obrázok 1 Vrchný rozptyl tepla

1. Výhody rozloženia s horným odvodom tepla

Hoci tradičné výkonové SMD sú výhodné na dosiahnutie miniaturizačných riešení, vyžadujú si, aby sa na zadnej strane dosky plošných spojov pod ňou neumiestňovali žiadne ďalšie komponenty kvôli odvodu tepla. Časť priestoru na doske plošných spojov sa nedá využiť, čo vedie k väčšej celkovej veľkosti konečnej dosky plošných spojov. A vrchný komponent chladiča dokáže tento problém obísť: jeho odvod tepla sa vykonáva cez vrch zariadenia. Týmto spôsobom je možné komponenty umiestniť na dosku pod MOSFET.

Tento priestor je možné použiť na usporiadanie nasledujúcich komponentov (ale nielen):

napájacie zariadenie

obvod pohonu brány

Podporné komponenty (kondenzátory, vyrovnávacie pamäte atď.)

Naopak, môže to tiež zmenšiť veľkosť dosky plošných spojov, skrátiť dráhu signálov riadenia hradla a dosiahnuť ideálnejšie riešenie.

Obrázok 2 Priestor pre zariadenie na doske plošných spojov

V porovnaní so štandardnými SMD súčiastkami poskytujú vrchné chladiče nielen väčší priestor na rozloženie, ale tiež znižujú prekrytie tepla. Väčšina tepla šíreného z vrchného puzdra na odvod tepla vstupuje priamo do chladiča, takže doska plošných spojov prenáša menej tepla. Pomáha to znižovať prevádzkovú teplotu okolitých zariadení.

2、 Výhoda tepelného výkonu vďaka maximálnemu odvodu tepla

Na rozdiel od tradičných povrchovo montovaných MOSFETov umožňuje vrchný systém odvodu tepla priame pripojenie chladiča k vývodovému rámu zariadenia. Vzhľadom na vysokú tepelnú vodivosť kovov sú materiály chladičov zvyčajne vyrobené z kovov. Napríklad väčšina chladičov je vyrobená z hliníka s tepelnou vodivosťou medzi 100 – 210 W/mk. V porovnaní s konvenčnou metódou odvodu tepla cez dosku plošných spojov táto metóda odvodu tepla cez materiály s vysokou tepelnou vodivosťou výrazne znižuje tepelný odpor. Tepelná vodivosť a veľkosť materiálu sú kľúčovými faktormi určujúcimi tepelný odpor. Čím nižší je tepelný odpor, tým lepšia je tepelná odozva.

Rθ=absolútny tepelný odpor

Δ X = hrúbka materiálu rovnobežná s tepelným tokom

A = plocha prierezu kolmá na tepelný tok

K = tepelná vodivosť

Okrem zlepšenia tepelnej vodivosti poskytujú chladiče aj väčšiu tepelnú hmotu, čo pomáha predchádzať nasýteniu alebo zabezpečuje väčšiu tepelnú časovú konštantu. Je to preto, že veľkosť horného radiátora sa dá meniť. Pri určitom množstve tepelného vstupu je tepelná hmota alebo tepelná kapacita priamo úmerná danej zmene teploty.

Cth = tepelná kapacita, J/K

Q = Tepelná energia, J

ΔT = zmena teploty, K

Dosky plošných spojov majú často rôzne rozloženie a ak je hrúbka medenej fólie nízka, môže to viesť k nižšej tepelnej hmotnosti (tepelnej kapacite) a zlému šíreniu tepla. Všetky tieto faktory znemožňujú štandardným povrchovo montovaným MOSFETom dosiahnuť optimálnu tepelnú odozvu počas používania. Teoreticky má vrchné puzdro na odvod tepla výhodu v priamom odvádzaní tepla cez zdroj s vysokou tepelnou hmotnosťou a vysokou tepelnou vodivosťou, takže jeho tepelná odozva (Zth (℃/W)) bude lepšia. Pri určitom zvýšení teploty spoja bude lepšia tepelná odozva podporovať vyšší príkon. Týmto spôsobom budú mať čipy s vrchným puzdrom na odvod tepla pre rovnaký MOSFET čipy s vyšším prúdovým a výkonovým potenciálom ako čipy so štandardným SMD puzdrom.

Obrázok 3 Dráhy odvodu tepla vrchného puzdra na odvod tepla (hore) a puzdra SO8FL (dole)

3. Testovacie nastavenie na porovnanie tepelného výkonu

Aby sme demonštrovali a overili výhody tepelného výkonu vďaka hornému odvodu tepla, vykonali sme testy porovnávajúce nárast teploty čipu a tepelnú odozvu zariadení TCPAK57 a SO8FL za rovnakých tepelných okrajových podmienok. Na zabezpečenie účinnosti boli dve zariadenia testované za rovnakých elektrických podmienok a tepelných hraníc. Rozdiel je v tom, že chladič TCPAK57 je nainštalovaný nad zariadením, zatiaľ čo chladič zariadenia SO8FL je nainštalovaný v spodnej časti dosky plošných spojov, priamo pod oblasťou MOSFET (obrázok 3). Ide o reprodukciu použitia zariadenia v terénnych aplikáciách. Počas testovacieho obdobia sa použili aj rôzne hrúbky tepelných rozhraniových materiálov (TIM) na overenie, ktoré puzdro zariadenia je možné optimalizovať pomocou rôznych tepelných hraníc. Celkové testovanie sa vykonáva nasledovne: na tieto dve zariadenia sa aplikuje fixný prúd (teda fixný výkon) a potom sa monitoruje zmena teploty spoja, aby sa určilo, ktoré zariadenie má lepší výkon.

4. Výber zariadenia a rozloženie dosky plošných spojov

Pokiaľ ide o výber zariadenia, MOSFETy v každom puzdre majú rovnakú veľkosť čipu a používajú rovnakú technológiu. Cieľom je zabezpečiť, aby každé zariadenie malo rovnakú spotrebu energie pri danom prúde a aby sa zabezpečila konzistentná tepelná odozva na úrovni puzdra. Týmto spôsobom si môžeme byť istí, že namerané rozdiely v tepelnej odozve sú spôsobené rozdielmi v balení. Z týchto dôvodov sme sa rozhodli použiť TCPAK57 a SO8FL. Používajú mierne odlišné konštrukcie svoriek a rámčekov vývodov, jeden s vývodmi (TCPAK57) a jeden bez vývodov (SO8FL). Treba poznamenať, že tieto rozdiely sú malé a nebudú mať významný vplyv na tepelnú odozvu v ustálenom stave, takže ich možno ignorovať. Po zadaní parametrov sú vybrané zariadenia nasledovné:

NVMFS5C410N SO8FL

NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

Aby sme ešte viac zabezpečili, že všetky ostatné tepelné hranice zostanú ekvivalentné, navrhli sme dve identické dosky plošných spojov pre puzdrá SO8FL alebo TCPAK57. Dizajn dosky plošných spojov pozostáva zo 4 vrstiev, z ktorých každá obsahuje 30 g medi. Rozmery sú 122 mm x 7 mm. Doska SO8FL nemá tepelné priechodky spájajúce odtokovú plochu s inými vodivými vrstvami dosky plošných spojov (čo nie je najlepšie pre odvod tepla); V tomto porovnaní sa môže použiť ako najhorší scenár odvodu tepla.

Obrázok 5 Každá vrstva dosky plošných spojov (vrstva 1 je zobrazená v ľavom hornom rohu, vrstva 2 je zobrazená v pravom hornom rohu, vrstva 3 je zobrazená v ľavom dolnom rohu a vrstva 4 je zobrazená v pravom dolnom rohu)

5. Radiátory a tepelnoizolačné materiály (TIM)

Chladič použitý počas testovacieho procesu je vyrobený z hliníka a je špeciálne navrhnutý na inštaláciu na dosku plošných spojov. Chladič s rozmermi 107 mm × 144 mm je chladený kvapalinou s plochou na odvod tepla s rozmermi 35 mm × 38 mm, ktorá sa nachádza priamo pod pozíciou MOSFET. Kvapalinou prechádzajúcou cez chladič je voda. Voda je bežne používané chladivo v terénnych aplikáciách. Pre všetky testovacie scenáre je prietok nastavený na pevnú hodnotu 0,5 gpm. Voda môže poskytnúť dodatočnú tepelnú kapacitu, prenáša teplo z chladiča do systému prívodu vody, čo pomáha znižovať teplotu zariadenia.

Obrázok 6 Nastavenia aplikácie

Na lepšie odvádzanie tepla z rozhrania MOSFET by sa mali použiť tepelné výplne medzier. To pomáha vyplniť potenciálne defekty na povrchu rozhrania. Vzduch ako slabý tepelný vodič zvyšuje tepelný odpor v akejkoľvek vzduchovej medzere. Ako TIM použitý na testovanie je tmel Bergquist 4500CVO s tepelnou vodivosťou 4,5 W/mK. Na demonštráciu možnosti optimalizácie tepelnej odozvy použite niekoľko rôznych hrúbok tohto TIM. Fixná hrúbka sa dosahuje použitím presných tesnení medzi doskou plošných spojov a chladičom. Použitá cieľová hrúbka je: ~200 µm ~700 µm

6. Testovanie obvodov a metód ohrevu/merania

Zvolená konfigurácia integrovaného obvodu je polovičný mostík, pretože predstavuje univerzálnu aplikáciu v teréne. Blízkosť dvoch zariadení k sebe presne odráža rozloženie na mieste, pretože kratšie vedenie pomáha znižovať parazitné účinky. V dôsledku tepelného prekrývania medzi zariadeniami to bude hrať určitú úlohu v tepelnej odozve.

Aby sa dosiahol príslušný ohrev pri nižšej hodnote prúdu, prúd bude prechádzať cez teleso diódy MOSFETu. Aby sa to vždy zabezpečilo, skratujte piny hradla a zdroja. Tepelná odozva daného zariadenia sa získa najprv zahrievaním polomostíkového FETu, kým sa nedosiahne ustálená teplota prechodu (teplota sa už nezvyšuje), a potom sa monitoruje napätie zdroja a odtoku (Vsd) pomocou malého zdroja signálu 10 mA, keď sa teplota prechodu vráti na teplotu chladiaceho stavu. Čas potrebný na dosiahnutie tepelne ustáleného stavu počas procesu ohrevu sa rovná času potrebnému na návrat do stavu bez elektriny. Vsd telesa diódy je lineárne úmerné teplote prechodu, takže na jeho koreláciu s ΔTj možno použiť konštantný pomer (mV/℃) (určený charakterizáciou každého zariadenia). Potom sa ΔTj počas celého chladiaceho obdobia vydelí spotrebou energie na konci fázy ohrevu, aby sa získala tepelná odozva (Zth) daného systému.

Meranie napájania 2A, napájania 10 mA a Vsd spracováva T3ster. T3ster je komerčné testovacie zariadenie špeciálne navrhnuté na monitorovanie tepelnej odozvy. Na výpočet tepelnej odozvy používa vyššie uvedenú metódu.

Obrázok 7 Schéma zapojenia

7. Výsledky porovnania s horúcimi produktmi

Zmerajte výsledky tepelnej odozvy každého zariadenia za dvoch podmienok:

200 μm TIM

700 μm TIM

Účelom týchto dvoch meraní je určiť, ktoré puzdro v danom riadenom systéme má lepšiu tepelnú odozvu a tepelnú odozvu ktorého zariadenia je možné optimalizovať pomocou metód externého odvodu tepla. Treba poznamenať, že tieto výsledky nie sú použiteľné pre všetky aplikácie, ale sú špecifické pre uvedené tepelné hranice.

Porovnanie balenia s použitím 200 μm TIM nainštalovaného na chladiči.

Pri prvej testovacej operácii je každé zariadenie nainštalované na vodou chladený chladič s použitím 200 μm TIM. Každé zariadenie prijíma impulz 2 A, kým nedosiahne ustálený stav. T3ster monitoruje Vsd počas odvodu tepla a koreluje ho v opačnom smere s krivkou tepelnej odozvy systému. Hodnota tepelnej odozvy horného odvodu tepla v ustálenom stave je ~4,13 ℃/W, zatiaľ čo hodnota SO8FL je ~25,27 ℃/W. Tento významný rozdiel je v súlade s očakávanými výsledkami, pretože puzdro horného odvodu tepla je priamo namontované na chladič s vysokou tepelnou vodivosťou a veľkou tepelnou kapacitou, čím sa dosahuje dobré šírenie tepla. Pri SO8FL je vplyv tepelnej vodivosti slabý kvôli nízkej tepelnej vodivosti dosky plošných spojov.

Aby sme lepšie pochopili, ako využiť tieto výhody v aplikáciách, možno hodnotu tepelnej odozvy prepojiť s množstvom energie, ktoré každé zariadenie znesie. Výkon potrebný na zvýšenie Tj z teploty chladiacej kvapaliny 23 ℃ na maximálnu prevádzkovú teplotu 175 ℃ sa vypočíta takto:

Poznámka: Tento rozdiel výkonu sa v tomto konkrétnom tepelnom systéme očakáva.

V tomto tepelnom systéme dokáže horná jednotka na odvod tepla zvládnuť 6-násobný výkon oproti SO8FL. V aplikáciách na mieste sa to dá využiť niekoľkými rôznymi spôsobmi. Tu sú niektoré z jej výhod:

Keď je požadovaný prúd konštantný, vďaka zlepšenému výkonu je možné použiť menší chladič v porovnaní so SO8FL. To môže viesť k úspore nákladov.

Pri aplikáciách s prepínanými zdrojmi napájania je možné zvýšiť spínaciu frekvenciu pri zachovaní podobnej tepelnej rezervy.

Môže sa použiť pre aplikácie s vyšším výkonom, ktoré pôvodne neboli vhodné pre SO8FL.

Keď je veľkosť čipu konštantná, horný chladič bude mať vyššiu bezpečnostnú rezervu v porovnaní s SO8FL a bude pracovať pri nižšej teplote pri danom odbere prúdu.

Obrázok 8 Krivka tepelnej odozvy s použitím 200 μm TIM

Obrázok 9 Krivka zmien teploty s použitím 200 μm TIM

     

Porovnanie balenia s použitím 700 μm TIM nainštalovaného na chladiči.

Ďalšia testovacia operácia bola vykonaná s použitím vrstvy TIM s hrúbkou 700 μm. Cieľom bolo porovnať zmeny tepelnej odozvy s testovaním TIM s hrúbkou 200 μm, aby sa overil vplyv metód externého odvádzania tepla na každé puzdro. Testovacia operácia priniesla nasledujúce výsledky tepelnej odozvy: horná zložka chladiča bola 6,51 ℃/W a SO8FL 25,57 ℃/W. Pri hornom odvádzaní tepla je rozdiel medzi dvoma operáciami TIM 2,38 ℃/W, zatiaľ čo rozdiel medzi SO8FL je 0,3 ℃/W. To znamená, že metóda externého odvádzania tepla má významný vplyv na horné komponenty chladiča, ale má malý vplyv na SO8FL. Toto sa tiež očakáva, pretože tepelná odozva horného zariadenia na odvádzanie tepla je založená hlavne na tepelnom odpore vrstvy TIM. V porovnaní s chladičmi má TIM nižšiu tepelnú vodivosť. Preto sa so zvyšujúcou sa hrúbkou zvyšuje tepelný odpor, čo vedie k vyššiemu Rth.

Zmena teplotného odporu (TIM) v SO8FL nastáva medzi doskou plošných spojov a chladičom. Teplo z jej komponentov sa musí šíriť cez dosku plošných spojov, aby sa dostalo k TIM a chladiču, takže zmena hrúbky má malý vplyv na tepelný odpor hlavnej tepelnej dráhy. Zmena tepelnej odozvy je teda veľmi malá.

Zmeny tepelnej odozvy spôsobené variáciou hrúbky TIM demonštrujú celkovú výhodu vrchného rozptylu tepla. TCPAK57 má v hornej časti puzdra odkrytý rámček vývodov, čo umožňuje lepšiu kontrolu tepelného odporu tepelnej dráhy. Pre špecifické aplikácie a metódy rozptylu tepla je možné túto funkciu využiť na optimalizáciu tepelnej odozvy. To následne poskytne lepšie ovládateľné a výhodnejšie energetické možnosti. SO8FL a podobné SMD zariadenia je ťažké odvádzať teplo cez dosku plošných spojov, na ktorej sú umiestnené, v závislosti od charakteristík dosky plošných spojov. Toto je nekontrolovateľný faktor, pretože pri návrhu dosky plošných spojov je potrebné okrem rozptylu tepla zvážiť mnoho ďalších premenných.

Obrázok 10 Krivka zmien teploty s použitím 700 μm TIM

Obrázok 11 Krivka zmien teploty s použitím 700 μm TIM

8. Zhrnutie kľúčových bodov

Špičkový systém odvodu tepla dokáže zabrániť odvodu tepla cez dosku plošných spojov, skrátiť cestu tepla z čipu k zariadeniu na odvod tepla a tým znížiť tepelný odpor zariadenia. Tepelný odpor priamo súvisí s vlastnosťami chladičov a materiálov tepelného rozhrania. Nízky tepelný odpor môže priniesť mnoho aplikačných výhod, ako napríklad:

Keď je požadovaný prúd konštantný, vďaka zlepšenému výkonu je možné použiť menšie zariadenia na odvod tepla v porovnaní so štandardnými SMD. Naopak, to môže viesť aj k úspore nákladov.

Pri aplikáciách s prepínanými zdrojmi napájania je možné zvýšiť spínaciu frekvenciu pri zachovaní podobnej tepelnej rezervy.

Môže sa použiť pre aplikácie s vyšším výkonom, kde nie je vhodný štandardný SMD.

Keď je veľkosť čipu konštantná, horný chladič bude mať vyššiu bezpečnostnú rezervu v porovnaní s ekvivalentnými SMD súčiastkami a bude pracovať pri nižšej teplote pri danom odbere prúdu.

Silnejšia optimalizácia tepelnej odozvy. To sa dosahuje zmenou materiálu a/alebo hrúbky tepelného rozhrania. Čím je TIM tenší a/alebo čím je tepelná vodivosť lepšia, tým nižšia je tepelná odozva. Tepelnú odozvu je možné zmeniť aj zmenou charakteristík chladiča. Vrchný systém odvodu tepla môže znížiť šírenie tepla cez dosku plošných spojov, čím sa znižuje prekrývanie tepla medzi zariadeniami. Vrchný systém odvodu tepla eliminuje potrebu pripojiť chladič k zadnej strane dosky plošných spojov, čo umožňuje kompaktnejšie usporiadanie komponentov na doske plošných spojov.