Flat-Lead-Gehäuse Gehäusekonzepte für Leistungs-MOSFETs und Schottky-Dioden

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Leistungs-MOSFETs und Schottky-Dioden im Auto müssen immer mehr leisten und sollen gleichzeitig immer kleiner werden – eine Herausforderung, die nach neuen Gehäusekonzepten ruft.

Firmen zum Thema

Der weltweite Markt für Fahrzeugelektronik soll im Jahr 2017 laut Analysen von Strategy Analytics einen Umsatz von mindestens 240 Mrd. US-$ ausmachen.

Halbleiter-ICs für die Elektronik im Antriebsstrang, in der Fahrzeugbeleuchtung und rund um die Karosserie helfen den Autoherstellern die Abgaswerte und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren sowie die Sicherheit von Fahrzeugen zu erhöhen.

Die Anzahl der in einem Fahrzeug verbauten elektronischen Bauteile ist in den vergangenen Jahren erheblich gestiegen und wird auch zukünftig noch kräftig weiter ansteigen – und zwar sogar fast exponentiell, wie in Bild 1 deutlich zu sehen ist.

Elektro- und Hybridfahrzeuge erfordern immer höhere Ströme

Mit der zunehmenden Verbreitung elektrischer und Hybridfahrzeuge werden die verwendeten Ströme höher, was einen noch größeren Elektronikanteil erfordert. Der Fortschritt bei der x-by-Wire-Technik (Austausch mechanischer Steuerungen durch elektrische) führt ebenfalls zu einem höheren Strombedarf. Damit steht ein ständig wachsender Bedarf an kompakteren und leistungsfähigeren Halbleiterbauteilen im Raum, die diese komplexe Elektronik versorgen und ansteuern muss. Diese Halbleiter sollen einen höheren Wirkungsgrad und damit eine längere Batterielebensdauer garantieren und gleichzeitig weniger Platz einnehmen. Obwohl die Halbleiterprozesstechniken weiterhin eng an Moore’s Law gekoppelt sind und bei steigender Funktionalität immer kleinere Maße für IC-Dies ermöglichen, müssen bei den IC-Gehäusen wesentlich größere technische Herausforderungen überwunden werden, wenn sie mit dieser Entwicklung Schritt halten wollen.

Auch die Gehäusetechnik muss weiterentwickelt werden

So wie Leistungselektronik-ICs hohe Ströme schalten, müssen auch Fortschritte bei der Gehäusetechnik erzielt werden, um eine ausreichende Wärmeableitung, Widerstandsfähigkeit und Kosteneffizienz zu gewährleisten. Um den Platzbedarf der Bauteile auf der Leiterplatte zu reduzieren, muss Entwicklungs-Knowhow für einen minimalen Verbindungswiderstand und eine geringe Leitungsinduktivität aufgewendet werden. Gleichzeitig muss aber ein ausreichendes Wärmemanagement bereitstehen, um die langfristige Zuverlässigkeit der Komponenten zu garantieren.

Automotive-Anwendungen stellen hohe Anforderungen

Alle Bauteile, die in Schaltungen in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen, müssen eine hohe Lebensdauer und höchste Zuverlässigkeit aufweisen, da jegliche Fehlfunktion schwerwiegende Folgen haben kann. Rückrufaktionen bestimmter Fahrzeugmodelle können erhebliche Kosten für den Hersteller verursachen und das Markenimage beschädigen. Ein Risiko einzugehen um einen relativ billigen Leistungselektronik-IC zu verbauen, der dann aufgrund seines schlechten Gehäuses seine zugewiesene Aufgabe nicht erfüllen kann, ist einfach zu groß.

IC-Gehäusetechnik für Anwendungen in der Kfz-Industrie

Die in Automotive-Anwendungen verwendeten IC-Gehäuse bieten normalerweise eine wesentlich längere Lebensdauer als solche die für andere Bereiche, z.B. bei tragbaren Consumergeräten, Weißer Ware, Unterhaltungselektronik etc. konzipiert wurden. In mancher Fahrzeugelektronik werden Bauteile mit Metallgehäuse erst vor kurzem nicht mehr verwendet. In den letzten zehn Jahren wurden dann immer mehr SMB-, SMC- und DPAK-Gehäuseoptionen bevorzugt. Heute jedoch sind die Anforderungen so hoch, dass die Fahrzeughersteller noch mehr Funktionen in ihre neuesten Modelle integrieren müssen, was den Übergang zu noch fortschrittlicheren IC-Gehäusen erfordert. Dementsprechend konzentriert sich die Halbleiterforschung und -entwicklung auf verbesserte Leistungs-MOSFETs und Schottky-Dioden für Anwendungen in der Automobilindustrie, die leistungsfähiger, platzsparender und kosteneffizienter sind. Eine neue Generation von SMD-Technologien soll diese Aspekte erfüllen.

Hohe Betriebstemperaturen bei Kraftstoff-Einspritzsysteme

Die Art der Kraftstoffzufuhr in den Motor hat sich in den letzten Jahrzehnten grundlegend geändert. Elektronik steuert heute den exakten Zeitpunkt und die Kraftstoffmenge des Einspritzens in den Verbrennungsraum, und muss daher wesentlich widerstandsfähiger sein als in frühere Generationen. Für die dazu erforderlichen Schottky-Dioden und MOSFETs fordern die Fahrzeughersteller einen oberen Betriebstemperaturbereich von mindestens 175 °C, mit einem klaren Trend für 200 °C. Die Die Bauteile müssen darüber hinaus sehr kompakt und flach sein, da der verfügbare Platz in Einspritzsystemen beschränkt ist. Die Leistungsdichte muss also erhöht werden, was wiederum die Herausforderung an die Wärmeableitung verstärkt.

Die Fahrzeugbeleuchtung wird heute zunehmend mit Hochdruckentladungslampen (HID – High Intensity Discharge) bestückt, um herkömmliche Halogenlampen zu ersetzen. HID-Lampen bieten dem Fahrer eine bessere Sicht und somit mehr Verkehrssicherheit.

Anspruchsvolle Ansteuerungselektronik für LED-Lichter

Die EU hat ein Gesetz verabschiedet, das Tagfahrlicht (LED-basierte Frontlichter, die stets eingeschaltet sind, sobald der Motor läuft) für jedes Neufahrzeug ab dem Jahr 2011 zur Pflicht macht. Dies soll die Unfallzahlen senken. Solche halbleiterbasierte Beleuchtungssysteme (Solid State Lighting) benötigen allerdings eine anspruchsvolle Ansteuerungselektronik. Auch hier sind kleinere Bauteile erwünscht, da die Beleuchtungsmodule nur ein beschränktes Platzangebot bieten. Obwohl die Module in einer weniger rauen Umgebung als bei der Kraftstoffeinspritzung eingesetzt werden, müssen auch deren Bauteile (schnelle Dioden und MOSFETs) in einer rauen Betriebsumgebung arbeiten und sehen sich elektromagnetischen Interferenzen (EMI) und Spannungsspitzen ausgesetzt.

Auch an anderen Stellen der Automobilelektronik kommen stets die gleichen Herausforderungen zutage. Ob es sich um Antiblockiersysteme (ABS), Instrumenten-Cluster oder Getriebemanagement handelt – die Aspekte hohe Temperaturen und wenig verfügbarer Platz auf der Leiterplatte sind immer anzutreffen.

Das Flat-Lead-Gehäuse bietet mehr Platz für Halbleiter-Dies

Das Small-Outline-Flat-Lead-Gehäuse SO-8 FL wurde entwickelt, um größere Halbleiter-Dies auf eine Standard-SO8-IC-Anschlussfläche zu adaptieren. Das Gehäuse basiert auf einem Lead-Frame-Design, aus dem die Anschlüsse (Leads) aus dem vergossenen Formstück herausragen. Die Lötfüllung ist damit vollständig sichtbar, was die visuelle Inspektion effizienter gestaltet. Darüber hinaus bietet das Gehäuse eine größere Wärmeableitung und geringere elektrische Störeffekte. Die Bauhöhe ist wesentlich geringer als bei DPAK, SMA, SMB, SMC, Powermite oder SOD-123. Außerdem lässt sich eine größere Vielfalt an Halbleiter-Dies integrieren.

Vergleich der Wärmewiderstände unterschiedlicher Gehäuse

Das SO-8 FL bietet einen wesentlich besseren Wärmewiderstand als die Gehäusetypen SOD-123 FL, Powermite, SMA, SMB oder SMC (Bild 3). Dies gründet auf dem kürzeren Wärmepfad des Gehäuses, wobei das Die mit einem Kupfer-Pad verbunden ist.

Die Anforderungen werden zukünftig weiter steigen

Was bringt also die Zunkunft? Der Druck auf die Halbleiterhersteller wird weiter zunehmen, noch kompaktere und wärmeeffizientere ICs zu fertigen. Der Trend geht hin zum Einsatz reiner Dies (vor allem für Bereiche wie dem Antriebsstrang in Fahrzeugen oder für Getriebe), da diese sich von den Kfz-Zulieferbetrieben einfacher in deren Module integrieren lassen. Für Halbleiterhersteller, die den Automobil Markt bedienen, ist dieser Trend problematisch, da sie höchste Zuverlässigkeit garantieren müssen aber nicht die gesamte Wertschöpfungskette kontrollieren. Die Hürden werden also immer höher und erfordern umfassendes Knowhow, um sich am Markt behaupten zu können.

* * Kevin Keller ist Applications Engineer Manager bei der Standard Products Group von ON Semiconductor.

(ID:28546370)