Wärmemanagement Platinenseitige Kühlung von MOSFETs

Autor / Redakteur: Christopher Hill, Norman Stapelberg* / Gerd Kucera

MOSFETs, die häufig als Leistungsschalter dienen, sind eine beträchtliche Wärmequelle. Um sie zu kühlen werden sie üblicherweise als SMD-Gehäuse direkt auf die als Kühkörper dienende Leiterplatte montiert. Diese Methode zeigt manche Nachteile. Welche das sind und wie man sie vermeidet, zeigt das Beispiel einer Motoransteuerung.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Eine Leiterplatte ist nicht in der Lage, die anfallende Verlustwärme so wirksam an die Umgebung abzuleiten wie ein Aluminium-Kühlkörper oder das Chassis. Der Temperaturanstieg der Leiterplatte kann sich nachteilig auf andere in der Nähe montierte Bauelemente auswirken. Und die Leiterplatte selbst kann, wenn sie über lange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, durch Delamination oder andere Effekte Schaden erleiden.

Bei der platinenseitigen Kühlung von Leistungs-MOSFETs bleiben die Vorteile der Oberflächenmontage erhalten, ohne dass deren Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Die Methode der platinenseitigen Kühlung ist dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Leistungs-MOSFETs zunächst wie gewohnt auf der Leiterplatte montiert werden.

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Das Board ist dabei aber unterhalb der Bausteine mit einer Reihe thermischer Vias versehen und wird seinerseits auf dem Chassis oder einem Kühlkörper befestigt. Somit leitet die Leiterplatte die Verlustwärme lediglich an den eigentlichen Kühlkörper weiter, anstatt selbst als Kühlkörper zu fungieren. Den primären Wärmeableitweg bei der platinenseitigen Kühlung zeigt Bild 1.

Die Untersuchung verwendet die thermische Simulationssoftware Flotherm der Firma Flomerics. Die in der Simulation verwendeten Bausteine und Leiterplattenmodelle wurden zuvor auf der Basis realer, in Versuchen ermittelter Daten validiert.

Demonstration der Vorteile der platinenseitigen Kühlung

Betrachtet werden soll jetzt die Leistungsstufe eines H-Brücken-Motortreibers, die mit 16 MOSFETs im D²-Pak-Gehäuse bestückt ist (je vier parallelgeschaltete MOSFETs in jedem Zweig der Brücke). Die Schaltung befindet sich auf einer doppelseitigen Leiterplatte aus FR4 mit einer jeweils 2-oz-starken Kupferkaschierung (Bild 2).

Die im Bild 2 gezeigte Platine enthält ausschließlich die Leistungsstufe der Motorsteuerung. Da hier die meiste Verlustwärme anfällt, ist sie für diesen Artikel am interessantesten. Unter den Tabs eines jeden D²-Pak-Gehäuses befinden sich (wie Bild 1 zeigt) Felder mit den erwähnten thermischen Vias.

Zunächst wurden zwei Simulationen durchgeführt. Erstens: Mit der Leiterplatte aus Bild 2 ist die Verlustleistung je MOSFET auf konstant 1 W festgelegt. Dabei wurde allerdings die Aluminiumplatte weggelassen, sodass keine platinenseitige Kühlung erfolgte. Zweitens: Die soeben genannte Anordnung wurde durch die Aluminiumplatte an der Unterseite der Leiterplatte ergänzt, um die MOSFETs von der Unterseite her zu kühlen.

Für die Fälle 1 und 2 wurden jeweils die Sperrschichttemperaturen registriert. Dabei ergab sich für 1 (ohne platinenseitige Kühlung) ein Durchschnittswert von 109,2 °C, während sich im zweiten Fall (mit platinenseitiger Kühlung) ein mittlerer Wert von 91,4 °C einstellte. Die platinenseitige Kühlung war also in der Lage, die Temperatur deutlich zu senken.

Drastische Senkung der hohen Leiterplattentemperaturen

Der Hauptvorteil der platinenseitigen Kühlung ist in der drastischen Senkung der hohen Leiterplattentemperaturen zu sehen, die sonst im Zusammenhang mit MOSFETs in SMD-Bauweise auftreten. Dies eröffnet die Möglichkeit einer Reduzierung der von Leistungs-MOSFETs auf der Leiterplatte eingenommenen Fläche, indem man Bauelemente mit kleineren Abmessungen wählt und/oder die Bausteine mit geringerem Abstand montiert.

Um diesen Ansatz genauer auszuloten, wurde eine weitere Simulation durchgeführt, in der die 16 D²-Pak-MOSFETs der H-Brücke durch 24 Bausteine im LFPAK-Gehäuse ersetzt worden sind. Dieser Gehäusetyp ist erheblich kleiner als D²-Pak und nimmt auf der Leiterplatte nicht mehr Fläche als das vertraute SO8-Gehäuse ein.

Anders als SO8 ist das LFPAK jedoch ein echtes Leistungsgehäuse. Seine Metallfläche an der Unterseite kann die im Halbleiter anfallende Verlustwärme besonders wirkungsvoll ableiten.

Die Vorteile der platinenseitigen Kühlung in der Praxis

Auch wenn bei der LFPAK-Lösung insgesamt mehr Leistungshalbleiter erforderlich sind, ist die insgesamt benötigte Leiterplattenfläche sehr viel geringer als bei der D²-Pak-Lösung, weil das LFPAK-Gehäuse erheblich kleiner ist als das D²-Pak (Bild 3). Die durchschnittlichen Sperrschichttemperaturen für beide vorgeschlagenen Lösungen (16 D²-Pak-Bausteine bzw. 24 LFPAK-Versionen) sind 91,4 respektive 98,9 °C.

Fazit: Sowohl in industriellen Anwendungen (beispielsweise der Antriebselektronik) als auch in kommerziellen Applikationen mit hoher Leistung gibt es einen Trend zur Steigerung von Wirkungsgrad und Leistungsdichte bei gleichzeitiger Senkung der Gesamtsystemkosten. Grundsätzlich verspricht der Umstieg auf oberflächenmontierbare Bauelemente eine Verkleinerung der Leiterplattenfläche.

In der Praxis ist dies jedoch nicht so einfach umzusetzen, denn in der Umgebung eines jeden Leistungsbauelements wird eine gewisse Kupfer-fläche als Kühlkörper benötigt auf der keine anderen Bauelemente montiert werden können. Die platinenseitige Kühlung dagegen ermöglicht ein Ableiten der in den MOSFETs anfallenden Verlustwärme an einen Kühlkörper an der Unterseite der Leiterplatte.

Ihr Nutzen bei der platinenseitigen Kühlung mit Platz sparenden LFPAK-Gehäusen

Es hat in den vergangenen Jahren bei den MOSFET-Gehäusen signifikante Fortschritte gegeben, unter denen besonders das Erscheinen des LFPAK-Gehäuses als Leistungsvariante der Bauform SO8 hervorzuheben ist.

Die platinenseitige Kühlung im Verbund mit dem geringeren RDS(on) und den niedrigeren Induktivitätswerten des LFPAK-Gehäuses bietet ausgezeichnete Möglichkeiten, die von den MOSFETs benötigte Leiterplattenfläche zu verringern. Der Idealfall für einen Modulhersteller ist es, wenn er auf einer vorgegebenen Leiterplattenfläche mehr Funktionalität unterbringen, die Verluste reduzieren und gleichzeitig die Kosten senken kann.

Mit dem Einsatz der platinenseitigen Kühlung und einer Designoptimierung durch thermische Simulation ist man diesem Ziel einen Schritt näher gekommen.

NXP Semiconductors, Tel. +49(0)40 56130

*Christopher Hill ist Senior Applications Engineer BL Power Management, Norman Stapelberg ist International Product Marketing Manager Standard-MOS IPMM PL. Beide arbeiten bei NXP Semiconductors in Hazel Grove (Stockton, UK).

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