Detalizēts augstas efektivitātes MOSFET augšējā siltuma izkliedes paketes skaidrojums

Lielākā daļa MOSFET, ko izmanto jaudas lietojumos, ir virsmas montāžas ierīces (SMD), tostarp tādi korpusi kā SO8FL, u8FL un LFPAK. Iemesls, kāpēc šie SMD parasti tiek izvēlēti, ir to laba jaudas jauda un mazāks izmērs, kas palīdz sasniegt kompaktākus risinājumus. Lai gan šīm ierīcēm ir labas jaudas iespējas, dažreiz siltuma izkliedes efekts nav ideāls.

Tā kā ierīces vadu rāmis (ieskaitot atklātos noteces spilventiņus) ir tieši lodēts pie vara pārklājuma zonas, siltums galvenokārt tiek pārnests caur shēmas plati. Pārējā ierīce ir ievietota plastmasas korpusā un var izkliedēt siltumu tikai ar gaisa konvekcijas palīdzību. Tāpēc siltuma pārneses efektivitāte lielā mērā ir atkarīga no shēmas plates īpašībām: vara pārklājuma laukuma lieluma, slāņu skaita, biezuma un izkārtojuma. Šī situācija var rasties neatkarīgi no tā, vai shēmas plate ir uzstādīta uz siltuma izkliedētāja vai nē. Tipisku ierīču maksimālā jauda nevar sasniegt optimālo līmeni, jo shēmas platēm parasti nav augsta siltumvadītspēja un siltummasa. Lai risinātu šo problēmu un vēl vairāk samazinātu lietojumprogrammas izmēru, nozare ir izstrādājusi jaunu MOSFET korpusu, kas atsedz MOSFET vadu rāmi (noteci) korpusa augšpusē (kā parādīts 1. attēlā).

1. attēls. Augšējais siltuma izkliedes iepakojums

1. Augšējās siltuma izkliedes izkārtojuma priekšrocības

Lai gan tradicionālie jaudas SMD ir izdevīgi miniaturizācijas risinājumu sasniegšanai, siltuma izkliedes apsvērumu dēļ tiem nav jānovieto citas komponentes shēmas plates aizmugurē zem tās. Daļa vietas uz shēmas plates nevar tikt izmantota, kā rezultātā gala shēmas plates kopējais izmērs ir lielāks. Un augšējais siltuma izkliedes komponents var apiet šo problēmu: tā siltuma izkliede notiek caur ierīces augšdaļu. Tādā veidā komponentes var novietot uz plates zem MOSFET.

Šo vietu var izmantot, lai sakārtotu šādus komponentus (bet ne tikai):

barošanas ierīce

vārtu piedziņas ķēde

Atbalsta komponenti (kondensatori, buferi utt.)

Un otrādi, tas var arī samazināt shēmas plates izmēru, saīsināt vārtu piedziņas signālu ceļu un panākt ideālāku risinājumu.

2. attēls. PCB ierīces vieta

Salīdzinot ar standarta SMD ierīcēm, augšējie siltuma izkliedētāja komponenti ne tikai nodrošina lielāku izkārtojuma telpu, bet arī samazina siltuma pārklāšanos. Lielākā daļa siltuma izkliedes no augšējā korpusa nonāk tieši siltuma izkliedētājā, tāpēc shēmas plate uzņem mazāk siltuma. Tas palīdz samazināt apkārtējo ierīču darba temperatūru.

2. Augstākās siltuma izkliedes siltumvadītspējas priekšrocība

Atšķirībā no tradicionālajiem virsmas montāžas MOSFET tranzistoriem, augšējais siltuma izkliedes korpuss ļauj siltuma izkliedētāju tieši savienot ar ierīces vadu rāmi. Metālu augstās siltumvadītspējas dēļ siltuma izkliedētāju materiāli parasti ir izgatavoti no metāliem. Piemēram, lielākā daļa siltuma izkliedētāju ir izgatavoti no alumīnija, un to siltumvadītspēja ir no 100 līdz 210 W/mk. Salīdzinot ar parasto siltuma izkliedes metodi caur PCB, šī siltuma izkliedes metode caur materiāliem ar augstu siltumvadītspēju ievērojami samazina siltumpretestību. Siltumvadītspēja un materiāla izmērs ir galvenie faktori, kas nosaka siltumpretestību. Jo zemāka ir siltumpretestība, jo labāka ir termiskā reakcija.

Rθ = absolūtā termiskā pretestība

ΔX = materiāla biezums paralēli siltuma plūsmai

A = šķērsgriezuma laukums perpendikulāri siltuma plūsmai

K = siltumvadītspēja

Papildus siltumvadītspējas uzlabošanai radiatori nodrošina arī lielāku siltummasu, kas palīdz izvairīties no piesātinājuma vai nodrošina lielāku termisko laika konstanti. Tas ir tāpēc, ka var mainīt augšpusē uzstādītā radiatora izmēru. Noteiktam siltumenerģijas daudzumam siltummasa jeb siltumietilpība ir tieši proporcionāla dotajai temperatūras izmaiņai.

Cth = siltumietilpība, J/K

Q = siltumenerģija, J

ΔT = temperatūras izmaiņas, K

PCB bieži vien ir atšķirīgs izkārtojums, un, ja vara folijas biezums ir mazs, tas var izraisīt zemāku siltumietilpību un sliktu siltuma izplatīšanos. Visi šie faktori neļauj standarta virsmas montāžas MOSFET tranzistoriem sasniegt optimālu termisko reakciju lietošanas laikā. Teorētiski augšējam siltuma izkliedes iepakojumam ir priekšrocība tieši izkliedēt siltumu caur augstas siltumietilpības un augstas siltumvadītspējas avotu, tāpēc tā termiskā reakcija (Zth (℃/W)) būs labāka. Pie noteikta savienojuma temperatūras pieauguma labāka termiskā reakcija atbalstīs lielāku jaudas ievadi. Tādā veidā vienai un tai pašai MOSFET mikroshēmai mikroshēmām ar augšējo siltuma izkliedes iepakojumu būs lielāka strāva un jaudas iespējas nekā mikroshēmām ar standarta SMD iepakojumu.

3. attēls. Augšējā siltuma izkliedes korpusa (augšā) un SO8FL korpusa (apakšā) siltuma izkliedes ceļi.

3. Testa iekārta termiskās veiktspējas salīdzināšanai

Lai demonstrētu un apstiprinātu augšējās siltuma izkliedes termiskās veiktspējas priekšrocības, mēs veicām testus, salīdzinot TCPAK57 un SO8FL ierīču mikroshēmas temperatūras pieaugumu un termisko reakciju vienādos termiskās robežnosacījumos. Lai nodrošinātu efektivitāti, divas ierīces tika testētas vienādos elektriskajos apstākļos un termiskajās robežās. Atšķirība ir tāda, ka TCPAK57 siltuma izkliedētājs ir uzstādīts virs ierīces, savukārt SO8FL ierīces siltuma izkliedētājs ir uzstādīts PCB apakšā, tieši zem MOSFET zonas (3. attēls). Tas ir ierīces izmantošanas lauka lietojumos reprodukcija. Testēšanas laikā tika izmantoti arī dažāda biezuma termiskās saskarnes materiāli (TIM), lai pārbaudītu, kuru ierīces korpusu var optimizēt, izmantojot dažādas termiskās robežas. Kopējā testēšana tiek veikta šādi: šīm divām ierīcēm tiek pielietota fiksēta strāva (tātad fiksēta jauda), un pēc tam tiek uzraudzītas savienojuma temperatūras izmaiņas, lai noteiktu, kura ierīce darbojas labāk.

4. Ierīces izvēle un PCB izkārtojums

Runājot par ierīču izvēli, katra korpusa MOSFET tranzistoriem ir vienāds mikroshēmas izmērs un tie izmanto vienu un to pašu tehnoloģiju. Tas tiek darīts, lai nodrošinātu, ka katrai ierīcei ir vienāds enerģijas patēriņš pie noteiktas strāvas un lai nodrošinātu vienmērīgu termisko reakciju korpusa līmenī. Tādā veidā mēs varam būt pārliecināti, ka izmērītās termiskās reakcijas atšķirības ir saistītas ar korpusa atšķirībām. Šo iemeslu dēļ mēs izvēlējāmies izmantot TCPAK57 un SO8FL. Tajos tiek izmantoti nedaudz atšķirīgi skavu un vadu rāmju dizaini, viens ar vadiem (TCPAK57) un viens bez vadiem (SO8FL). Jāatzīmē, ka šīs atšķirības ir nelielas un būtiski neietekmēs termisko reakciju līdzsvara stāvoklī, tāpēc tās var ignorēt. Pēc parametru norādīšanas izvēlētās ierīces ir šādas:

NVMFS5C410N SO8FL

NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

Lai vēl vairāk nodrošinātu, ka visas pārējās termiskās robežas paliek līdzvērtīgas, mēs izstrādājām divas identiskas PCB plates, kas paredzētas SO8FL vai TCPAK57 korpusiem. PCB dizains sastāv no 4 slāņiem, katrs no tiem satur 1 unci vara. Izmērs ir 122 mm x 7 mm. SO8FL platei nav termisko atveru, kas savienotu noteces paliktni ar citiem shēmas plates vadošajiem slāņiem (kas nav labākais risinājums siltuma izkliedei); šajā salīdzināšanas iestatījumā to var izmantot kā sliktākā gadījuma siltuma izkliedes scenāriju.

5. attēls. Katrs PCB slānis (1. slānis tiek parādīts augšējā kreisajā stūrī, 2. slānis tiek parādīts augšējā labajā stūrī, 3. slānis tiek parādīts apakšējā kreisajā stūrī un 4. slānis tiek parādīts apakšējā labajā stūrī)

5. Radiatori un termiskās saskarnes materiāli (TIM)

Testēšanas procesā izmantotais siltuma izkliedētājs ir izgatavots no alumīnija un īpaši paredzēts uzstādīšanai uz PCB plates. 107 mm × 144 mm siltuma izkliedētājs ir dzesējams ar šķidrumu, un tā siltuma izkliedes laukums ir 35 mm × 38 mm, kas atrodas tieši zem MOSFET pozīcijas. Šķidrums, kas plūst caur radiatoru, ir ūdens. Ūdens ir bieži izmantots dzesēšanas šķidrums lauka apstākļos. Visos testa scenārijos plūsmas ātrums ir iestatīts uz fiksētu vērtību 0,5 gpm. Ūdens var nodrošināt papildu siltuma jaudu, pārnesot siltumu no radiatora uz ūdensapgādes sistēmu, kas palīdz samazināt ierīces temperatūru.

6. attēls. Lietojumprogrammas iestatījumi

Lai labāk veicinātu MOSFET saskarnes siltuma izkliedi, jāizmanto termisko spraugu aizpildītāji. Tas palīdz aizpildīt potenciālos defektus uz saskarnes virsmas. Gaiss kā slikts siltumvadītājs palielina termisko pretestību ar jebkuru gaisa spraugu. Testēšanā izmantotais TIM ir Bergquist 4500CVO hermētiķis ar siltumvadītspēju 4,5 W/mK. Izmantojiet vairākus dažādus šī TIM biezumus, lai demonstrētu termiskās atbildes optimizācijas iespēju. Fiksētais biezums tiek panākts, izmantojot precīzas blīves starp shēmas plati un siltuma izkliedētāju. Izmantotais mērķa biezums ir: ~200 µm ~700 µm

6. Pārbaudes ķēdes un sildīšanas/mērīšanas metodes

Izvēlētā plates shēmas konfigurācija ir pustilta sistēma, jo tā ir universāla lauka pielietojumam. Divu ierīču tuvums viena otrai precīzi atspoguļo izkārtojumu uz vietas, jo īsāks vadu savienojums palīdz samazināt parazītiskos efektus. Ierīču termiskās pārklāšanās dēļ tam būs zināma nozīme termiskajā reakcijā.

Lai veiktu atbilstošu sildīšanu ar zemāku strāvas vērtību, strāva plūdīs caur MOSFET korpusa diodi. Lai nodrošinātu, ka tas vienmēr notiek, izveidojiet īsslēgumu starp vārtiem un avota izvadiem. Dotās ierīces termisko reakciju iegūst, vispirms sildot pustilta lauka tranzistoru līdz savienojuma līdzsvara temperatūrai (temperatūra vairs nepalielinās) un pēc tam uzraugot avota noteces spriegumu (Vsd) caur 10 mA mazu signāla avotu, savienojuma temperatūrai atgriežoties dzesēšanas stāvoklī. Laiks, kas nepieciešams, lai sasniegtu termisko līdzsvara stāvokli sildīšanas procesa laikā, ir vienāds ar laiku, kas nepieciešams, lai atgrieztos stāvoklī bez elektrības. Korpusa diodes Vsd ir lineāri proporcionāls savienojuma temperatūrai, tāpēc konstantu (mV/℃) attiecību (ko nosaka, raksturojot katru ierīci) var izmantot, lai to korelētu ar Δ Tj. Pēc tam dalīt Δ Tj visā dzesēšanas periodā ar enerģijas patēriņu sildīšanas fāzes beigās, lai iegūtu dotās sistēmas termisko reakciju (Zth).

2A barošanas avota, 10 mA barošanas avota un Vsd mērījumus apstrādā T3ster. T3ster ir komerciāla testēšanas ierīce, kas īpaši paredzēta termiskās reakcijas uzraudzībai. Tā izmanto iepriekš minēto metodi termiskās reakcijas aprēķināšanai.

7. attēls. Shēmas shēma

7. Karsto salīdzināšanas rezultāti

Izmēriet katras ierīces termiskās reakcijas rezultātus divos apstākļos:

200 μm TIM

700 μm TIM

Šo divu mērījumu mērķis ir noteikt, kuram iepakojumam dotajā kontrolētajā sistēmā ir labāka termiskā reakcija un kuras ierīces termisko reakciju var optimizēt, izmantojot ārējās siltuma izkliedes metodes. Jāatzīmē, ka šie rezultāti nav piemērojami visiem lietojumiem, bet ir specifiski minētajām termiskajām robežām.

Iepakojuma salīdzinājums, izmantojot 200 μm TIM, kas uzstādīts uz siltuma izlietnes.

Pirmajai testēšanas darbībai katra ierīce tiek uzstādīta uz ar ūdeni dzesējama siltuma izkliedētāja, izmantojot 200 μm TIM. Katra ierīce saņem 2A impulsu, līdz tā sasniedz stabilu stāvokli. T3ster uzrauga Vsd siltuma izkliedes laikā un korelē to apgrieztā secībā ar sistēmas termiskās atbildes līkni. Augšējās siltuma izkliedes stabilā stāvokļa termiskās atbildes vērtība ir ~4,13 ℃/W, savukārt SO8FL vērtība ir ~25,27 ℃/W. Šī būtiskā atšķirība atbilst gaidītajiem rezultātiem, jo ​​augšējais siltuma izkliedes korpuss ir tieši uzstādīts uz augstas siltumvadītspējas un lielas siltumietilpības siltuma izkliedētāja, panākot labu siltuma izplatīšanos. SO8FL gadījumā, pateicoties PCB sliktajai siltumvadītspējai, siltumvadītspējas efekts ir vājš.

Lai labāk izprastu, kā izmantot šīs priekšrocības lietojumprogrammās, termiskās atbildes vērtību var saistīt ar jaudas daudzumu, ko katra ierīce var izturēt. Jauda, ​​kas nepieciešama, lai palielinātu Tj no dzesēšanas šķidruma temperatūras 23 ℃ līdz maksimālajai darba temperatūrai 175 ℃, tiek aprēķināta šādi:

Piezīme: Šī jaudas atšķirība ir sagaidāma šajā konkrētajā termiskajā sistēmā.

Šajā termiskajā sistēmā augšējā siltuma izkliedes iekārta var apstrādāt 6 reizes lielāku jaudu nekā SO8FL. Objekta pielietojumos to var izmantot vairākos dažādos veidos. Šeit ir dažas no tās priekšrocībām:

Ja nepieciešamā strāva ir nemainīga, uzlabotās jaudas iespējas dēļ var izmantot mazāku siltuma izkliedētāju salīdzinājumā ar SO8FL. Tas var nodrošināt izmaksu ietaupījumu.

Komutācijas režīma barošanas avotu lietojumprogrammās komutācijas frekvenci var palielināt, saglabājot līdzīgu termisko rezervi.

Var izmantot lielākas jaudas lietojumprogrammām, kas sākotnēji nebija piemērotas SO8FL.

Ja mikroshēmas izmērs ir nemainīgs, augšējam siltuma izkliedētāja komponentam būs lielāka drošības rezerve salīdzinājumā ar SO8FL, un tas darbosies zemākā temperatūrā pie noteikta strāvas pieprasījuma.

8. attēls. Termiskās atbildes līkne, izmantojot 200 μm TIM

9. attēls. Temperatūras izmaiņu līkne, izmantojot 200 μm TIM

     

Iepakojuma salīdzinājums, izmantojot 700 μm TIM, kas uzstādīts uz siltuma izlietnes.

Vēl viena testēšanas darbība tika veikta, izmantojot TIM slāni ar 700 μm biezumu. Tas tika veikts, lai salīdzinātu termiskās reakcijas izmaiņas ar 200 μm TIM testēšanu, lai pārbaudītu ārējo siltuma izkliedes metožu ietekmi uz katru korpusu. Testa darbība deva šādus termiskās reakcijas rezultātus: augšējā siltuma izkliedes komponenta temperatūra bija 6,51 ℃/W, bet SO8FL - 25,57 ℃/W. Augšējās siltuma izkliedes gadījumā starpība starp divām TIM darbībām ir 2,38 ℃/W, savukārt starpība starp SO8FL ir 0,3 ℃/W. Tas nozīmē, ka ārējai siltuma izkliedes metodei ir būtiska ietekme uz augšējās siltuma izkliedes komponentiem, bet maza ietekme uz SO8FL. Tas ir arī sagaidāms, jo augšējās siltuma izkliedes ierīces termiskā reakcija galvenokārt balstās uz TIM slāņa termisko pretestību. Salīdzinot ar siltuma izkliedētājām, TIM ir zemāka siltumvadītspēja. Tāpēc, palielinoties biezumam, palielināsies arī termiskā pretestība, kā rezultātā palielināsies Rth.

SO8FL TIM izmaiņas notiek starp shēmas plati un siltuma izkliedētāju. Siltumam no tā komponentiem ir jāizplatās caur shēmas plati, lai sasniegtu TIM un siltuma izkliedētāju, tāpēc biezuma izmaiņām ir maza ietekme uz galvenā siltuma ceļa termisko pretestību. Tātad termiskās reakcijas izmaiņas ir ļoti mazas.

TIM biezuma variāciju izraisītās termiskās reakcijas izmaiņas parāda augšējā siltuma izkliedes iepakojuma kopējās priekšrocības. TCPAK57 ir atsegts svina rāmis iepakojuma augšpusē, kas ļauj labāk kontrolēt siltuma ceļa termisko pretestību. Specifiskiem pielietojumiem un siltuma izkliedes metodēm šo funkciju var izmantot, lai optimizētu termisko reakciju. Tas savukārt nodrošinās labāk kontrolējamas un izdevīgākas jaudas iespējas. SO8FL un līdzīgām SMD ierīcēm ir grūti izkliedēt siltumu caur shēmas plati, uz kuras tās atrodas, atkarībā no PCB īpašībām. Tas ir nekontrolējams faktors, jo PCB projektēšanā ir jāņem vērā daudzi citi mainīgie lielumi papildus siltuma izkliedei.

10. attēls. Temperatūras izmaiņu līkne, izmantojot 700 μm TIM

11. attēls. Temperatūras izmaiņu līkne, izmantojot 700 μm TIM

8. Galveno punktu kopsavilkums

Augšējais siltuma izkliedes korpuss var novērst siltuma izkliedi caur PCB, saīsināt siltuma ceļu no mikroshēmas līdz siltuma izkliedes ierīcei un tādējādi samazināt ierīces termisko pretestību. Termiskā pretestība ir tieši saistīta ar siltuma izlietņu un termiskās saskarnes materiālu īpašībām. Zema termiskā pretestība var sniegt daudzas pielietojuma priekšrocības, piemēram:

Ja nepieciešamā strāva ir nemainīga, uzlabotās jaudas iespējas dēļ var izmantot mazākas augšējās siltuma izkliedes ierīces salīdzinājumā ar standarta SMD. Un otrādi, tas var arī ietaupīt izmaksas.

Komutācijas režīma barošanas avotu lietojumprogrammās komutācijas frekvenci var palielināt, saglabājot līdzīgu termisko rezervi.

Var izmantot lielākas jaudas lietojumprogrammām, kur standarta SMD nav piemērots.

Ja mikroshēmas izmērs ir nemainīgs, augšējam siltuma izkliedētāja komponentam būs lielāka drošības rezerve salīdzinājumā ar līdzvērtīgām SMD ierīcēm, un tas darbosies zemākā temperatūrā pie noteikta strāvas pieprasījuma.

Spēcīgāka termiskās reakcijas optimizācijas spēja. Tas tiek panākts, mainot termiskās saskarnes materiālu un/vai biezumu. Jo plānāks ir TIM un/vai jo labāka ir siltumvadītspēja, jo zemāka ir termiskā reakcija. Termisko reakciju var mainīt arī, mainot dzesēšanas ierīces raksturlielumus. Augšējā siltuma izkliedes pakotne var samazināt siltuma izplatīšanos caur PCB plati, tādējādi samazinot siltuma pārklāšanos starp ierīcēm. Augšējā siltuma izkliede novērš nepieciešamību pievienot dzesēšanas ierīci PCB plates aizmugurē, ļaujot kompaktāk izvietot komponentus uz PCB plates.