Nowa obudowa tranzystorów mocy MOSFET – użyteczna i wydajna!

Drain-Down kontra Source-Down

Rysunek 1 (po lewej) pokazuje konstrukcję nowoczesnego tranzystora mocy MOSFET typu vertical trench (z pionowo ustawionymi obszarami aktywnymi półprzewodnika w kształcie pasków), umieszczonego w typowej obudowie PQFN o wymiarach 3,3×3,3 mm. Jej podstawą jest metalowa ramka montażowa (lead frame). Służy ona jako nośnik montażowy dla cienkiej krzemowej struktury i realizuje połączenie kontaktu drenu tranzystora, zlokalizowanego na dolnej stronie krzemu z układem na płytce drukowanej. W tranzystorze takim prąd przepływa w kierunku pionowym przez krzem, dlatego górna i dolna strona struktury służą jako kontakt elektryczny do wyprowadzenia elektrody. Rowki n-kanałowego MOSFET-u mocy są tak ułożone, że źródło zwykle znajduje się u góry. Jego połączenie jest realizowane za pomocą miedzianego zacisku (spinki), który łączy górną część struktury półprzewodnikowej z częścią metalowej ramki. Podłączenie bramki znajduje się również po stronie kanału tranzystora i zazwyczaj jest połączone z ramą wyprowadzeń za pomocą drutu bondingowego. Dzięki takiej konstrukcji wszystkie trzy połączenia elektryczne są dostępne z poziomu ramki montażowej, dzięki czemu MOSFET można zamontować na płytce drukowanej w procesie SMT.

 

Rys. 1. Ilustracja wewnętrznej konstrukcji tranzystora mocy MOSFET w obudowie PQFN 3,3×3,3 mm typu Drain-Down (po lewej) i taki sam element w wersji Power-Down
(po prawej)

Koncepcja Source-Down

Nowe podejście jest proste, ale przełomowe. Polega ono na obróceniu struktury krzemowej wewnątrz obudowy do góry nogami. W ten sposób do ramki montażowej dołączone zostaje źródło tranzystora (zamiast drenu). Rysunek 1 (po prawej) przedstawia tę koncepcję nazwaną Source-Down – źródło do dołu. Dzięki temu zabiegowi kontakt bramki też automatycznie dotyka do ramki montażowej, gdzie w poprzedniej wersji był on u góry. Z kolei podłączenie drenu (teraz od góry struktury) można wykonać za pomocą bardzo dużej miedzianej spinki.

Rysunek 2 pokazuje różnicę w układzie pól kontaktowych (stopce) dla rodziny MOSFET-ów PQFN 3,3×3,3 mm OptiMOS. Jak widzimy, połączenie elektryczne drenu, źródła i bramki nadal znajduje się w tym samym miejscu, dzięki czemu wymiana jednego typu elementu na drugi jest bardzo łatwa i nie wiąże się z koniecznością modyfikacji footprintu.

Prócz wersji zgodnej producent proponuje jeszcze nowy typ obudowy z kontaktem bramki umieszczonym na środku – Source-Down Center-Gate (rys. 2c).

 

Rys. 2. (a) Standardowa obudowa PQFN 3,3×3,3 mm

 

Rys. 2. (b) nowa obudowa kompatybilna ze standardową – Source-Down

 

Rys. 2. (c) nowa obudowa Source-Down Center-Gate (z centralnie położonym kontaktem bramki)

Korzyści, jakie zapewnia Source-Down

Ustawienie struktury półprzewodnikowej źródłem do dołu niesie ze sobą kilka istotnych korzyści, takich jak: mniejsza rezystancja w stanie włączenia R_DS(ON), mniejsza rezystancja termiczna oraz nowe możliwości w zakresie zarządzania ciepłem.

Odwrócenie struktury usuwa pewne ograniczenia konstrukcyjne, które były w standardowych wersjach tranzystorów. Teraz możliwe jest umieszczenie w obudowie znacznie większych kawałków krzemu, tym samym możliwe staje się zmniejszenie R_DS(ON) o nawet 30%. Mniejsza rezystancja kanału w stanie włączenia jest bezpośrednio związana z wielkością strat I2R wynikających z przewodzenia prądu przez tranzystor i zapewnia większą gęstości mocy (moc w przeliczeniu na jednostkę objętości).

Zarządzanie ciepłem to jedno z coraz bardziej istotnych zagadnień w elektronice dużych mocy. Utrzymywanie temperatury w ryzach przekłada się na dłuższą żywotność urządzeń lub daje możliwość zwiększenia gęstości mocy, a więc sprzyja miniaturyzacji. Tranzystory ze źródłem na dole struktury półprzewodnikowej są w stanie przynieść tu wiele korzyści i zapewnić mniejszą wartość temperatury maksymalnej. Obniżona wartość R_DS(ON) w takich MOSFET-ach ma również wpływ na ilość ciepła, ponieważ im mniejsze straty mocy w urządzeniu, tym w konsekwencji niższa jest temperatura w obudowie. W tranzystorze MOSFET typu trench część aktywna, a więc kanał wykonany w postaci rowków znajduje się po stronie źródła. W tym obszarze powstaje większość strat mocy i wydzielanie ciepła. W tradycyjnym montażu z drenem na dole, to ciepło musi zostać przetransportowane przez krzem do dolnego kontaktu, który dalej jest połączony z ramką montażową, a następnie z płytką drukowaną.

Stąd odwrócenie struktury w obudowie powoduje, że źródło ciepła znajduje się znacznie bliżej metalowej ramki i może być łatwiej odprowadzone. Pomiary wskazują, że MOSFET ze źródłem u dołu ma zmniejszone RTHJC o 22% mniejsza, tj. 1,4 K/W zamiast z 1,8 K/W.

Koncepcja Source-Down ma wiele zalet w przypadku konfiguracji półmostka lub w pełnym mostku. Miedziany obszar na PCB, który jest podczas lutowania łączony z wkładką termiczną MOSFET-a, jest jednym z ważniejszych elementów transportu ciepła. Rysunek 3a pokazuje przykładowy schemat konwertera obniżającego napięcie. Dren górnego FET-a jest podłączony do napięcia wejściowego, a źródło dolnego tranzystora do masy. Z kolei źródło górnego przełącznika jest podłączone do drenu dolnego, tworząc węzeł przełączający. Stosując tranzystor Drain-Down w dolnej części półmostka, jego wkładka termiczna byłaby połączona węzłem przełączającym (środkiem mostka). Potencjał węzła przełącznika jest falą modulowaną i dlatego zmienia się pomiędzy Vin a potencjałem GND. Obszar miedzi na PCB podłączonej do tego punktu powinien zostać zminimalizowany, aby zredukować emisję zaburzeń. Niestety taka minimalizacja ograniczyłaby możliwości efektywnego odprowadzania ciepła z dolnego MOSFET-a. Element Source-Down rozwiązuje ten problem, ponieważ podkładka termiczna tranzystora dolnego (low side) znajduje się teraz na pontecjale masy. Co do zasady, powierzchnia masy jest zwykle duża (największa) i dobrze działa jako radiator w takim przypadku. Dodatkowo można użyć przelotek termicznych w tym miejscu, aby bezpośrednio pod tranzystorem przenieść ciepło na dolną stronę płytki. Rysunek 3b przedstawia przykład możliwego układu ścieżek na PCB dla takiego rozwiązania.

 

Rys. 3. Schemat synchronicznego konwertera buck ze stopniem mocy w konfiguracji półmostkowej (a) i przykładowa realizacja z tranzystorami Drain-Down (górny tranzystor mostka) i Source-Down (tranzystor dolny) (b)

W oparciu o powyższe rozważania można sformułować trzy główne korzyści jakie wnoszą do elektroniki mocy tranzystory ze źródłem na dole struktury:

• znaczna redukcja R_DS(ON),
• spadek RthJC o 22%,
• optymalne możliwości projektowe PCB w układach mostkowych.

Połączenie równoległe

Wiele aplikacji, w tym wiele takich, w których wykorzystywane są akumulatory, wymaga bezpiecznego przełączania prądów stałych o dużej wartości. Układy przełączników, ładowania i ochrony ogniw wymagają użycia podzespołów o jak najmniejszej wartości rezystancji w stanie włączenia w celu ograniczenia strat mocy i utrzymania przyrostu temperatury w akceptowalnym zakresie. Aby osiągnąć najniższą R_DS(ON), łączy się równolegle wiele tranzystorów MOSFET. Obudowa Center- Gate oferuje większą odległość pomiędzy stykami drenu i źródła, co pozwala na łączenie bramek wielu tranzystorów na jednej warstwie płytki PCB zamiast prowadzenia ścieżek przez przelotki i łączenia sygnałów sterujących na Rys. 5. Sprawność konwerterów z rysunku 4 dla różnych MOSFET-ów innych warstwach płytki.

 

Rys. 4. Przetwornica DC-DC z tranzystorami przełączającymi: (a) w obudowach PQFN 5×6 mm, (b) PQFN 3,3×3,3 mm oraz (c) Source-Down

Korzyści aplikacyjne

Omówienie przykładu z życia wziętego pomaga zrozumieć, gdzie nowa koncepcja obudowy Source-Down ma duże zalety. W poniższym przypadku zaprojektowano konwerter buck z wykorzystaniem najlepszych w swojej klasie urządzeń dostępnych obecnie na rynku. Na rysunku 4 przedstawiono schemat blokowy konwertera DC-DC w konfiguracji: (a) z tranzystorami w obudowach PQFN 5×6 mm, (b) z użyciem najlepszej dostępnej w swojej klasie obudowy PQFN 3,3×3,3 mm i wreszcie (c) przy zastosowaniu tranzystora Source-Down.

W kontekście sprawności konwersji energii (rys. 5) użycie tranzystora Source-Down wyraźnie zapewnia lepsze parametry – przy pełnym obciążeniu poprawa wynosi aż 1,5%. To duża zmiana, bo praca pod pełnym obciążeniem jest krytyczna ze względu na ograniczenia termiczne i w praktyce determinuje gęstość mocy całego konwertera. Oprócz sprawności konwersji analizie poddano również pracę tranzystorów jako statycznych przełączników zasilania. Tranzystory Source-Down mają większe struktury, co pozwala na obniżenie wartości R_DS(ON) dla danego elementu. W połączeniu z mniejszą rezystancją termiczną RTHJC sprawia, że element ten jest znacznie chłodniejszy niż typowe komponenty. Różnica temperatury maksymalnej sięga 10°C dla obudowy PQFN 3,3×3,3 mm i prądzie 20 A.

 

Rys. 5. Sprawność konwerterów z rysunku 4 dla różnych MOSFET-ów

Kamień milowy w branży

Tranzystory mocy MOSFET ze źródłem umieszczonym na spodzie struktury krzemowej rozwiązują wiele ograniczeń związanych z zarządzaniem ciepłem w układach energoelektroniki. Dzięki poprawie parametrów elektrycznych i termicznych w nowej obudowie inżynierowie mogą zapewnić niespotykane dotąd poziomy wydajności aplikacji.

Bastian Lang, Infineon Technologies

Infineon
www.infineon.com