Gedetailleerde verduideliking van hoë-doeltreffendheid MOSFET top hitte-afvoerpakket

Die meeste MOSFET's wat in kragtoepassings gebruik word, is oppervlakmonteertoestelle (SMD's), insluitend pakkette soos SO8FL, u8FL en LFPAK. Die rede waarom hierdie SMD's gewoonlik gekies word, is dat hulle goeie kragvermoë en kleiner grootte het, wat help om meer kompakte oplossings te bereik. Alhoewel hierdie toestelle goeie kragvermoëns het, is die hitte-afvoer-effek soms nie ideaal nie.

As gevolg van die direkte soldeer van die loodraam (insluitend blootgestelde dreineringsblokkies) van die toestel aan die koperbeklede area, word hitte hoofsaaklik deur die PCB oorgedra. Die res van die toestel is in plastiekverpakking toegemaak en kan slegs hitte deur lugkonveksie versprei. Daarom hang die hitte-oordragdoeltreffendheid grootliks af van die eienskappe van die stroombaanbord: die grootte van die koperbedekkingsarea, die aantal lae, die dikte en die uitleg. Hierdie situasie kan voorkom ongeag of die stroombaanbord op die hitteafleier geïnstalleer is of nie. Die maksimum kragkapasiteit van tipiese toestelle kan nie die optimale vlak bereik nie, omdat PCB's oor die algemeen nie hoë termiese geleidingsvermoë en termiese massa het nie. Om hierdie probleem aan te spreek en die toepassingsgrootte verder te verminder, het die bedryf 'n nuwe MOSFET-pakket ontwikkel wat die MOSFET-loodraam (dreinering) bo-aan die pakket blootstel (soos getoon in Figuur 1).

Figuur 1 Boonste hitte-afvoerpakket

1. Uitlegvoordele van boonste hitteverspreiding

Alhoewel tradisionele krag-SMD voordelig is vir die bereiking van miniaturiseringsoplossings, vereis dit dat geen ander komponente op die agterkant van die stroombaanbord daaronder geplaas word nie as gevolg van hitte-afvoer-oorwegings. Sommige spasie op die stroombaanbord kan nie gebruik word nie, wat lei tot 'n groter algehele grootte van die finale stroombaanbord. En die boonste hitteafvoerkomponent kan hierdie probleem omseil: die hitte-afvoer daarvan word deur die bokant van die toestel uitgevoer. Op hierdie manier kan komponente op die bord onder die MOSFET geplaas word.

Hierdie spasie kan gebruik word om die volgende komponente te rangskik (maar nie beperk tot nie):

kragtoestel

hek-aandrywingskring

Ondersteuningskomponente (kondensators, buffers, ens.)

Omgekeerd kan dit ook die grootte van die stroombaanbord verminder, die pad van hekaandrywingsseine verminder en 'n meer ideale oplossing bereik.

Figuur 2 PCB-toestelruimte

In vergelyking met standaard SMD-toestelle, bied boonste hitteafvoerkomponente nie net meer uitlegruimte nie, maar verminder ook hitte-oorvleueling. Die meeste van die hittevoortplanting vanaf die boonste hitte-afvoerpakket gaan direk in die hitteafvoerder in, sodat die PCB minder hitte dra. Dit help om die bedryfstemperatuur van omliggende toestelle te verminder.

2, Die termiese prestasievoordeel van top hitteverspreiding

Anders as tradisionele oppervlakgemonteerde MOSFET's, laat die boonste hitte-afvoerpakket toe dat die hitteafleier direk aan die loodraam van die toestel gekoppel word. As gevolg van die hoë termiese geleidingsvermoë van metale, word hitteafleiermateriale gewoonlik van metale gemaak. Byvoorbeeld, die meeste hitteafleiers word van aluminium gemaak, met 'n termiese geleidingsvermoë tussen 100-210 W/mk. In vergelyking met die konvensionele metode van hitte-afvoer deur PCB, verminder hierdie metode van hitte-afvoer deur hoë termiese geleidingsvermoë materiale die termiese weerstand aansienlik. Termiese geleidingsvermoë en materiaalgrootte is sleutelfaktore wat termiese weerstand bepaal. Hoe laer die termiese weerstand, hoe beter die termiese reaksie.

R θ = absolute termiese weerstand

Δ X = dikte van materiaal parallel met hittevloei

A = dwarssnitoppervlakte loodreg op die hittevloei

K=termiese geleidingsvermoë

Benewens die verbetering van termiese geleidingsvermoë, bied hitteafleiers ook groter termiese massa - wat help om versadiging te vermy of 'n groter termiese tydkonstante te bied. Dit is omdat die grootte van die bo-gemonteerde radiator verander kan word. Vir 'n sekere hoeveelheid termiese energie-invoer is die termiese massa of hittekapasiteit direk eweredig aan die gegewe temperatuurverandering.

Cth = hittekapasiteit, J/K

Q=Termiese energie, J

ΔT = temperatuurverandering, K

PCB's het dikwels verskillende uitlegte, en as die dikte van die koperfoelie laag is, kan dit lei tot laer termiese massa (hittekapasiteit) en swak hittevoortplanting. Al hierdie faktore maak standaard oppervlakgemonteerde MOSFET's nie in staat om optimale termiese reaksie tydens gebruik te bereik nie. In teorie het die boonste hitte-afvoerpakket die voordeel dat dit hitte direk deur 'n hoë termiese massa en hoë termiese geleidingsvermoëbron afvoer, dus sal die termiese reaksie (Zde (℃/W)) beter wees. Onder 'n sekere toename in aansluitingstemperatuur sal 'n beter termiese reaksie hoër kragtoevoer ondersteun. Op hierdie manier, vir dieselfde MOSFET-skyfie, sal skyfies met boonste hitte-afvoerpakket hoër stroom- en kragvermoëns hê as skyfies met standaard SMD-pakket.

Figuur 3 Die hitte-afvoerpaaie van die boonste hitte-afvoerpakket (bo) en SO8FL-pakket (onder)

3. Toetsopstelling vir termiese prestasievergelyking

Om die termiese werkverrigtingsvoordele van boonste hitteverspreiding te demonstreer en te valideer, het ons toetse uitgevoer wat die temperatuurstyging van die skyfie en die termiese reaksie van TCPAK57- en SO8FL-toestelle onder dieselfde termiese randvoorwaardes vergelyk. Om doeltreffendheid te verseker, is twee toestelle onder dieselfde elektriese toestande en termiese grense getoets. Die verskil is dat die hitteafleier van TCPAK57 bo die toestel geïnstalleer is, terwyl die hitteafleier van die SO8FL-toestel onderaan die PCB geïnstalleer is, direk onder die MOSFET-area (Figuur 3). Dit is 'n reproduksie van die gebruik van die toestel in veldtoepassings. Gedurende die toetsperiode is verskillende diktes van termiese koppelvlakmateriale (TIM's) ook gebruik om te verifieer watter toestelverpakking geoptimaliseer kon word met behulp van verskillende termiese grense. Die algehele toetsing word soos volg uitgevoer: 'n vaste stroom (dus 'n vaste krag) word op hierdie twee toestelle toegepas, en dan word die verandering in aansluitingstemperatuur gemonitor om te bepaal watter toestel beter presteer.

4、 Toestelkeuse en PCB-uitleg

Wat toestelkeuse betref, het MOSFET's in elke pakket dieselfde skyfiegrootte en gebruik dieselfde tegnologie. Dit is om te verseker dat elke toestel dieselfde kragverbruik teen 'n gegewe stroom het en om 'n konsekwente termiese reaksie op pakketvlak te verseker. Op hierdie manier kan ons vol vertroue wees dat die gemete termiese reaksieverskille te wyte is aan verpakkingsverskille. Om hierdie redes het ons gekies om TCPAK57 en SO8FL te gebruik. Hulle gebruik effens verskillende klamp- en leidingraamontwerpe, een met leidings (TCPAK57) en een sonder leidings (SO8FL). Daar moet kennis geneem word dat hierdie verskille klein is en nie 'n beduidende impak op die bestendige termiese reaksie sal hê nie, dus kan hulle geïgnoreer word. Nadat die parameters gegee is, is die gekose toestelle soos volg:

NVMFS5C410N SO8FL

NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

Om verder te verseker dat alle ander termiese grense gelykstaande bly, het ons twee identiese PCB's ontwerp om SO8FL- of TCPAK57-pakkette te akkommodeer. Die PCB-ontwerp bestaan ​​uit 4 lae, elk met 1 ons koper. Die grootte is 122 mm x 7 mm. Die SO8FL-bord het nie termiese vias wat die dreineringsplaat met ander geleidende lae van die stroombaanbord verbind nie (wat nie die beste is vir hitte-afvoer nie); in hierdie vergelykingsinstelling kan dit as die ergste hitte-afvoerscenario gebruik word.

Figuur 5 Elke laag van die PCB (Laag 1 word in die linker boonste hoek vertoon, Laag 2 word in die regter boonste hoek vertoon, Laag 3 word in die linker onderhoek vertoon en Laag 4 word in die regter onderhoek vertoon)

5、 Radiators en Termiese Koppelvlakmateriale (TIM)

Die hitteafleier wat tydens die toetsproses gebruik word, is van aluminium gemaak en spesifiek ontwerp vir installasie op die PCB. Die 107 mm × 144 mm hitteafleier word vloeistofverkoel, met 'n 35 mm × 38 mm hitte-afvoerarea wat direk onder die MOSFET-posisie geleë is. Die vloeistof wat deur die verkoeler vloei, is water. Water is 'n algemeen gebruikte koelmiddel in veldtoepassings. Vir alle toetsscenario's word die vloeitempo op 'n vaste waarde van 0.5 gpm gestel. Water kan addisionele hittekapasiteit verskaf deur hitte van die verkoeler na die watertoevoerstelsel oor te dra, wat help om die toesteltemperatuur te verlaag.

Figuur 6 Toepassingsinstellings

Om MOSFET-koppelvlakhitteverspreiding beter te bevorder, moet termiese gapingvullers gebruik word. Dit help om potensiële defekte op die koppelvlakoppervlak te vul. Lug, as 'n swak termiese geleier, verhoog termiese weerstand met enige luggaping. Die TIM wat vir toetsing gebruik word, is Bergquist 4500CVO-seëlaar, met 'n termiese geleidingsvermoë van 4.5 W/mK. Gebruik verskeie verskillende diktes van hierdie TIM om die moontlikheid van termiese reaksie-optimalisering te demonstreer. Die vaste dikte word bereik deur die gebruik van presisie-pakkings tussen die stroombaanbord en die hitteafleier. Die teikendikte wat gebruik word, is: ~200 µm ~700 µm

6、 Toetskringe en verhittings-/meetmetodes

Die gekose aanboordstroombaankonfigurasie is 'n halfbrugopstelling, aangesien dit 'n universele veldtoepassing verteenwoordig. Die nabyheid van twee toestelle aan mekaar weerspieël akkuraat die uitleg op die perseel, aangesien korter bedrading help om parasitiese effekte te verminder. As gevolg van termiese oorvleueling tussen toestelle, sal dit 'n sekere rol in termiese reaksie speel.

Om relevante verhitting teen 'n laer stroomwaarde uit te voer, sal die stroom deur die liggaamsdiode van die MOSFET vloei. Om te verseker dat dit altyd die geval is, kortsluit die hek-na-bronpenne. Die termiese reaksie van 'n gegewe toestel word verkry deur eers die halfbrug-FET te verhit tot die bestendige-toestand-voegtemperatuur (temperatuur styg nie meer nie), en dan die brondreinspanning (Vsd) te monitor deur 'n 10 mA klein seinbron soos die voegtemperatuur terugkeer na die afkoeltoestandtemperatuur. Die tyd wat benodig word om die termiese bestendige toestand tydens die verhittingsproses te bereik, is gelyk aan die tyd wat benodig word om terug te keer na 'n toestand van geen elektrisiteit nie. Die Vsd van die liggaamsdiode is lineêr verwant aan die voegtemperatuur, dus kan 'n konstante (mV/℃) verhouding (bepaal deur elke toestel te karakteriseer) gebruik word om dit met ΔTj te korreleer. Deel dan die ΔTj gedurende die hele afkoelperiode deur die kragverbruik aan die einde van die verhittingsfase om die termiese reaksie (Zde) van die gegewe stelsel te verkry.

Die meting van die 2A-kragtoevoer, 10 mA-kragtoevoer en Vsd word alles deur T3ster verwerk. T3ster is 'n kommersiële toetstoestel wat spesifiek ontwerp is vir die monitering van termiese reaksie. Dit gebruik die metode wat vroeër genoem is om die termiese reaksie te bereken.

Figuur 7 Kringdiagram

7. Warm vergelykingsresultate

Meet die termiese reaksieresultate van elke toestel onder twee toestande:

200 μm TIM

700 μm TIM

Die doel van hierdie twee metings is om te bepaal watter verpakking in 'n gegewe beheerde stelsel 'n beter termiese reaksie het, en watter toestel se termiese reaksie geoptimaliseer kan word deur eksterne hitte-afvoermetodes. Daar moet kennis geneem word dat hierdie resultate nie op alle toepassings van toepassing is nie, maar spesifiek is vir die genoemde termiese grense.

Vergelyking van verpakking met behulp van 200 μ m TIM geïnstalleer op die hitteafleier.

Vir die eerste toetsoperasie word elke toestel op 'n waterverkoelde hitteafleier geïnstalleer met behulp van 'n 200 μ m TIM. Elke toestel ontvang 'n 2A-puls totdat dit 'n bestendige toestand bereik. T3ster monitor die Vsd tydens hitteafvoer en korreleer dit in omgekeerde toestand met die termiese reaksiekurwe van die stelsel. Die bestendige termiese reaksiewaarde van die boonste hitteafvoer is ~4.13 ℃/W, terwyl die waarde van SO8FL ~25.27 ℃/W is. Hierdie beduidende verskil stem ooreen met die verwagte resultate, aangesien die boonste hitteafvoerpakket direk op 'n hoë termiese geleidingsvermoë en groot hittekapasiteit-hitteafleier gemonteer is, wat goeie hittevoortplanting behaal. Vir SO8FL, as gevolg van die swak termiese geleidingsvermoë van die PCB, is die termiese geleidingsvermoë-effek swak.

Om te help verstaan ​​hoe om hierdie voordele in toepassings te benut, kan die termiese reaksiewaarde gekoppel word aan die hoeveelheid krag wat elke toestel kan weerstaan. Die krag wat benodig word om Tj van 'n koelmiddeltemperatuur van 23 ℃ tot 'n maksimum bedryfstemperatuur van 175 ℃ te verhoog, word soos volg bereken:

Let wel: Hierdie kragverskil word in hierdie spesifieke termiese stelsel verwag.

In hierdie termiese stelsel kan die boonste hitte-afvoereenheid 6 keer die kraglewering van SO8FL hanteer. In toepassings op die perseel kan dit op verskeie maniere gebruik word. Hier is 'n paar van die voordele daarvan:

Wanneer die vereiste stroom konstant is, kan 'n kleiner hitteafleier as gevolg van die verbeterde kragvermoë gebruik word in vergelyking met SO8FL. Dit kan kostebesparings tot gevolg hê.

Vir skakelmodus-kragtoevoertoepassings kan die skakelfrekwensie verhoog word terwyl 'n soortgelyke termiese marge gehandhaaf word.

Kan gebruik word vir hoërkragtoepassings wat oorspronklik nie geskik was vir SO8FL nie.

Wanneer die skyfiegrootte konstant is, sal die boonste hitteafvoerkomponent 'n hoër veiligheidsmarge hê in vergelyking met SO8FL, en teen 'n laer temperatuur onder 'n gegewe stroomvraag werk.

Figuur 8 Termiese reaksiekurwe met behulp van 200 μ m TIM

Figuur 9 Temperatuurvariasiekurwe met behulp van 200 μ m TIM

     

Vergelyking van verpakking met behulp van 700 μ m TIM geïnstalleer op die hitteafleier.

Nog 'n toetsoperasie is uitgevoer met 'n TIM-dikte van 700 μ m. Dit is om die termiese reaksieveranderinge te vergelyk met 200 μ m TIM-toetsing om die impak van eksterne hitte-afvoermetodes op elke pakket te verifieer. Die toetsoperasie het die volgende termiese reaksieresultate opgelewer: die boonste hitteafvoerkomponent was 6.51 ℃/W, en SO8FL was 25.57 ℃/W. Vir boonste hitte-afvoer is die verskil tussen twee TIM-operasies 2.38 ℃/W, terwyl die verskil tussen SO8FL 0.3 ℃/W is. Dit beteken dat die eksterne hitte-afvoermetode 'n beduidende impak op die boonste hitteafvoerkomponente het, maar min effek op SO8FL het. Dit word ook verwag, aangesien die termiese reaksie van die boonste hitte-afvoertoestel hoofsaaklik gebaseer is op die termiese weerstand van die TIM-laag. In vergelyking met hitteafvoerders het TIM 'n laer termiese geleidingsvermoë. Daarom, soos die dikte toeneem, sal die termiese weerstand toeneem, wat lei tot 'n hoër Rth.

Die SO8FL TIM-verandering vind plaas tussen die stroombaanbord en die hitteafleier. Die hitte van sy komponente moet deur die stroombaanbord versprei om die TIM en hitteafleier te bereik, dus het die diktevariasie min effek op die termiese weerstand van die hoofhittepad. Dus is die verandering in termiese reaksie baie klein.

Die termiese reaksieveranderinge wat veroorsaak word deur die diktevariasie van TIM demonstreer die algehele voordeel van boonste hitte-afvoerverpakking. TCPAK57 het 'n blootgestelde loodraam aan die bokant van die verpakking, wat beter beheer oor die termiese weerstand van die hittepad moontlik maak. Vir spesifieke toepassings en hitte-afvoermetodes kan hierdie kenmerk gebruik word om termiese reaksie te optimaliseer. Dit sal weer meer beheerbare en voordelige kragvermoëns bied. SO8FL en soortgelyke SMD-toestelle is moeilik om hitte deur die stroombaanbord waarop hulle is, te versprei, afhangende van die eienskappe van die PCB. Dit is 'n nie-beheerbare faktor, aangesien daar baie ander veranderlikes is om in PCB-ontwerp te oorweeg, benewens hitte-afvoer.

Figuur 10 Temperatuurvariasiekurwe met behulp van 700 μ m TIM

Figuur 11 Temperatuurvariasiekurwe met behulp van 700 μ m TIM

8、Opsomming van die belangrikste punte

Die boonste hitte-afvoerpakket kan hitte-afvoer deur die PCB vermy, die hittepad van die skyfie na die hitte-afvoertoestel verkort, en sodoende die termiese weerstand van die toestel verminder. Termiese weerstand hou direk verband met die eienskappe van hitteafleiers en termiese koppelvlakmateriale. Lae termiese weerstand kan baie toepassingsvoordele inhou, soos:

Wanneer die vereiste stroom konstant is, kan kleiner boonste hitte-afvoertoestelle gebruik word in vergelyking met standaard SMD as gevolg van die verbeterde kragvermoë. Omgekeerd kan dit ook kostebesparings tot gevolg hê.

Vir skakelmodus-kragtoevoertoepassings kan die skakelfrekwensie verhoog word terwyl 'n soortgelyke termiese marge gehandhaaf word.

Kan gebruik word vir hoërkragtoepassings waar standaard SMD nie geskik is nie.

Wanneer die skyfiegrootte konstant is, sal die boonste hitteafvoerkomponent 'n hoër veiligheidsmarge hê in vergelyking met ekwivalente SMD-toestelle, en teen 'n laer temperatuur onder 'n gegewe stroomvraag werk.

Sterker termiese reaksie-optimaliseringsvermoë. Dit word bereik deur die termiese koppelvlakmateriaal en/of dikte te verander. Hoe dunner die TIM en/of hoe beter die termiese geleidingsvermoë, hoe laer die termiese reaksie. Die termiese reaksie kan ook verander word deur die eienskappe van die hitteafleier te verander. Die boonste hitte-afvoerpakket kan hittevoortplanting deur die PCB verminder, en sodoende hitte-oorvleueling tussen toestelle verminder. Die boonste hitte-afvoer elimineer die behoefte om 'n hitteafleier aan die agterkant van die PCB te koppel, wat 'n meer kompakte rangskikking van komponente op die PCB moontlik maak.