CanPAK-Gehäuse Gehäuse mit geringen thermischen Widerständen an der Oberseite ermöglichen neue Kühlungskonzepte

Dem Trend steigender Leistungsniveaus und -dichten hat man lange Zeit versucht mit Innovationen bei den Silizium-Technologien entgegenzutreten. Doch dadurch wurden Defizite bei den Gehäuse-Technologien noch offensichtlicher. Neue Gehäuse mit geringen thermischen Widerständen an der Gehäuse-Oberseite ermöglichen nun neue Kühlungskonzepte.

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Infineon Technologies AG

Das Leistungsniveau und die Leistungsdichte für Applikationen wie Spannungsregler in Servern, DC/DC-Wandlern, Solar-Micro-Invertern, Niederspannungsantriebe oder synchrone Gleichrichter steigen kontinuierlich. Lange Zeit wurde versucht diesem Trend nur durch Innovationen bei den Silizium-Technologien zu begegnen. Fortschritte hier machten jedoch Defizite bei den Gehäuse-Technologien noch offensichtlicher. Daher folgten Weiterentwicklungen bei den Gehäusen im Hinblick auf reduzierte Abmessungen sowie geringere Widerstände und Induktivitäten. Darüber hinaus wurden durch neue Gehäuse mit geringen thermischen Widerständen an der Gehäuse-Oberseite neue Kühlungskonzepte ermöglicht.

Zu den neuen Standard-Gehäusen zählen SuperSO8 (QFN 5x6), Shrink SuperSO8 (QFN 3x3) und das CanPAK. Diese Gehäuse werden meistens für 30-V-Anwendungen verwendet. Für höhere Spannungen (40 bis 150 V) kommen jedoch immer noch Durchsteck-Gehäuse wie TO-220 oder größere SMD-Gehäuse wie D²PAK zum Einsatz. Da jetzt jedoch auch Produkte höherer Spannungsklassen im CanPAK-Gehäuse verfügbar sind, werden nachfolgend die entsprechenden Charakteristika verglichen und Hilfestellungen zur Gehäuse-Auswahl gegeben.

Parasitäre Widerstände des Gehäuses

In Bezug auf die Effizienz und den sicheren Betrieb spielen die parasitären Widerstände und Induktivitäten des Gehäuses eine wichtige Rolle. Neben der elektrischen Interaktion muss das ausgewählte Gehäuse auch in der Lage sein, die entstehende Energie (Wärme) an die Umgebung abzugeben.

In der Vergangenheit war das Standard-Gehäuse für Leistungsschalter das TO-220. Es wird immer noch häufig in Anwendungen mit höheren Spannungen wie etwa synchroner Gleichrichtung (Spannungen größer als 30 V) eingesetzt. Der wesentliche Vorteil dieses Gehäuses ist die ausgezeichnete Kühlungsmöglichkeit und die einfache Bestückung. Heute jedoch weisen die Silizium-Technologien signifikante Fortschritte im Hinblick auf den Durchlasswiderstand auf (R_DS(on) unter 1 mΩ für V_DS = 30 V oder sogar unter 3 mΩ für Spannungen mit bis zu 100 V). Dagegen wurde der Widerstand des Gehäuses nicht deutlich verbessert und trägt somit einen relativ großen Anteil zum Gesamtwiderstand bei.

Ein R_DS(on) von 1,2 mΩ kann in einem TO-220-Gehäuse erreicht werden. Bedenkt man, dass der Widerstand des TO-220-Gehäuses im Bereich von 0,8 mΩ liegt, dann ist der Anteil des Gehäuses zum gesamten R_DS(on) etwa 70% (Bild 1) und damit der Silizium-Anteil nur 30%. Durch den Übergang auf SMD-Gehäuse wie D²PAK kann der Einfluss des Gehäuses reduziert werden.

Eine noch deutlichere Verbesserung ergibt jedoch der Einsatz von Leadless-SMD-Gehäusen wie SuperSO8 oder CanPAK, die den Anteil des Gehäuses am Gesamtwiderstand um mehr als 70% gegenüber dem TO-220 senken. Der relativ hohe Widerstandsanteil der Gehäuse betrifft insbesondere MOSFETs mit niedriger Durchbruchsspannung. Je größer die MOSFET-Spannungsklasse, desto höher wird der R_DS(on)-Wert des Chip sein und damit der prozentuale Anteil des Gehäuses am Gesamtwiderstand geringer. So beträgt der Anteil des Gehäuses bei der 150-V-Technologie etwa 1 bis 15%, während er bei 30-V-MOSFETs zwischen 20 bis 65% liegt. Daraus kann abgeleitet werden, dass für eine bestmögliche Nutzung der Chip-Performance ein Leadless-Gehäuse wie CanPAK ideal ist.

Zur Performance-Ermittlung für eine MOSFET-Technologie lässt sich der Wert Figure of Merit (FOM_Qg) nutzen: FOM_Qg = R_Si x Qg. Für eine spezifische MOSFET-Technologie ist diese Kennzahl eine Konstante, da alle Kapazitäten eines MOSFETs indirekt proportional zum R_DS(on) sind. Betrachtet man jedoch Produkte und damit verschiedene Gehäuse, dann ist FOM_Qg keine Konstante mehr. Es muss der Gehäuse-Widerstand berücksichtigt werden, der zu einer Erhöhung der FOM_Qg führt. Damit ist FOM_Qg = (R_Si + R_package) x Qg. Das resultiert in verschiedenen FOM_Qg für unterschiedliche Gehäuse und verschiedene R_DS(on)-Klassen für eine spezifische MOSFET-Technologie. Für den Bereich von geringeren R_DS(on)-Werten hat das Gehäuse einen größeren Einfluss auf den gesamten FOM_Qg-Wert. Wechselt man z.B. von einem TO-220 auf ein CanPAK, dann kann FOMQg bei einem 1,8-mΩ-Schalter um etwa 50% reduziert werden (Bild 2, links). Es ist also wichtig, die FOM-Werte zu beachten, wenn man ein Produkt bzw. Gehäuse für eine bestimmte Applikation auswählt, da eine geringere FOM zu verbesserter Effizienz führt.

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