Wide-Bandgap-komponenter (WBG) bliver drevet fremad gennem innovation i såvel komponentteknologi som kapslinger. De nye og løbende udfordringer inden for teknologier kræver konstante opgraderinger af komponenterne. SMD-huse til SiC MOSFETs og dioder (siliciumkarbid) har en række fordele i forhold til leadede huse, typisk som følge af behovet for kompakte effektive systemer, der arbejder med minimal varmeudvikling
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 5 – 2026 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Vipin Gaonkar, principal applications engineer, Microchip Technology, High-Power Solutions business-unit
Historisk har 3-terminal TO-247-huset været arbejdshesten i effektkonvertere med plads til en stor die, men dog uden mulighed for at udnytte de ydelsesmæssige fordele til WBG-teknologierne. 4-terminal TO-247-huset – eller TO-247-4L – introducerede markedet for den såkaldte Kelvin-source for reduceret loop-induktans og bedre kvalitet i gate driver-signalet. Men forbedringerne inden for den termiske ydelse har alligevel været minimale.
Inden for SMD-familierne af diskrete kapslinger har designere typisk kunnet vælge mellem bundside- eller topsidekølede kapslinger. Valget af komponent er som oftest styret af de følgende primære faktorer:
● Effekttæthed: Maksimerer de kontinuerte- og peak-effekter fra en given die med opretholdelse af tilstrækkelige krybe- og isolationsafstande.
● Elektrisk ydelse: Minimerer den parasitiske induktans, reducerer overshoot og ringning samt de overordnede switch-tab.
● Let brug: Forenkler kredsløbsdesign og giver bedre design-for-manufacturability.
● Tilgængelighed: Industristandardkapslinger letter sourcing fra flere kilder, mens unikke kapslinger giver designere mulighed for at opnå designdifferentiering.
Tabel 1 summerer de JEDEC-anerkendte SMD-kapslingstyper, der generelt er til rådighed fra flere producenter.
Let brug
Balancering af designovervejelser som termisk ydelse, montage og pålidelighed er afgørende i valget af en kapslingstype. Topsidekølede kapslinger har optioner som positiv- og negativ standoff som ”motor” for kredsløbsdesignet, termisk design og montageprocessen, og blyprocessen. ”Standoff” repræsenterer z-aksens offset fra bunden af kapslingen til bunden af komponentens leads.
Med positiv standoff er de enkelte leads parallelle med printet, hvilket danner et gab mellem husets krop og printet. Det kræver et tykkere TIM-produkt (Thermal Interface Material) til at udfylde gabet og tolerancen, og man skal sikre sig en korrekt kompression for optimal termisk ledeevne mellem komponent og print. For megen kompression kan dog stresse loddepunkterne, hvilket kan give træthedsbrud og pålidelighedsproblemer over tid.
Negativ standoff imødegår pålidelighedsproblemerne omkring træthed i lodningerne gennem en betydelig reduktion af stress på komponentbenene. Med negativ standoff danner kapslingens hus direkte kontakt med printsubstratet. Et gab på 0,01-0,11mm er opretholdt mellem bunden af huset og undersiden af komponentens leads.
Tykkelsen og den termiske ydelse af TIM-produktet afhænger af kapslingshøjde og tolerancen for kredsens leads. Et negativt standoff minimerer effekten af tolerancer i kredsens leads, da loddetin udfylder gabet mellem leads og printets plads. Det gør komponenthuset i stand til at ”ligge fladt” på printet, ligesom det minimerer variationerne i TIM-tykkelsen på grund af tolerancerne. Resultatet er, at den termiske Junction-to-ambient modstand bliver optimeret og tæt styret, så man undgår stress på lodningerne og de følgende træthedsbrud, imens man opnå en bedre langsigtet pålidelighed.
Forbedret effekttæthed
Vi skal se nærmere på simuleringsresultater for D2PAK- og PSMT-husene. Simuleringen skal evaluere varme-fluxen og køleydelsen med varmeafledning gennem såvel print som TIM for bundsidekølede D2PAK-komponenter samt gennem TIM og køleplade for tosidede PSMT-komponenter.
En 100µm ”tyk” TIM er placeret mellem print og varmekilde i simuleringen med D2PAK – og mellem komponent og køleplade i tilfælde af en PSMT-simulering.
Simuleringerne er blevet udført i fri konvektion ved henholdsvis 25°C og 85°C. Figur 3 er resultaterne af en 85°C simulering for henholdsvis PSMT- og D2PAK-kapslinger. PSMT-kapslingen i simuleringen viser en 25 procent til 35 procent lavere Junction-temperatur end for D2PAK-huset. En topsidekølet kapsling giver en bedre termisk sti, hvilket resulterer i en lavere Junction-temperatur og et deraf følgende mere effekttæt system.
Betydning af krybeafstande og parasitiske induktanser
I tabel 2 er vist simuleringsresultaterne for effekt-loop induktanserne for forskellige SiC-effektkapslinger.
I et design af højvoltsystemer er krybeafstande en vigtig designparameter. TO-247 har udviklet sig fra et 3-lead (TO-247-3L) design til 4-lead (TO-247-4L) til igen 4-lead med notch (TO-247-4LN) med en forøgelse af krybeafstandene fra 3,0mm til 3,8mm og til 8,45mm. Der findes en række løsninger til forøgelse af krybeafstande som design-in af en notch i printet eller brug af konform coating. Tabel 2 giver et overblik over de tre kapslingstyper.
Parasitisk induktans er en betydelig faktor, der påvirker effektiviteten af effektkonverteringen. Parasitisk induktans findes i såvel effekt- som gate-loops, og det påvirker den overordnede ydelse af komponenten. I højfrekvente effektkonvertere med brug af SiC MOSFETs bliver den parasitiske induktans i stigende grad problematisk med større energitab til følge, øgede spændings-overshoots og mere elektromagnetisk støj som følge af ringning. Betydningen af parasitisk induktans kan ses i de waveforms, der er vist i figur 4 med spændings-overshoots under switching.
Topsidekølede kapslinger som PSMT og QDPAK har store fordele i forhold til bundsidekølede versioner som D2PAK og TOLL. Ved at separere de termiske og elektriske stier gør disse komponenter systemdesignere i stand til at reducere parasitisk induktans med optimering af komponenternes termiske ydelse. Denne separation giver mere fleksibilitet og mere effektiv routing af effekt-loopene. Ved at adskille den elektriske sti fra den termiske sti kan designere bedre minimere de induktive tab med support af højere switch-hastigheder i applikationer og en samtidig forøgelse af effekttætheden.
De tosidede kapslinger har altså fremragende termiske forbedringer af ydelse i forhold til diskrete kapslinger. Hvis man som designer vil optimere switchingen eller forenkle produktionen, så tilbyder Microhcip en række kapslinger til spændinger mellem 700V og 3300V. Ud over disse kapslinger kan integration også være en vej til bedre effekttæthed eller til løsning af problemer omkring switchingens effektivitet.
Man kan se mere om Mikrochips SiC-løsninger på: http://www.microchip.com/sic.
Billedtekster:
Tabel 1: Kapslingskarakteristika.
Tabel 2: Resultater for kapslingssimuleringerne.
Figur 1: TO-247-4LN (venstre); D2PAK (center); PSMT (højre).
Figur 2: Termisk sti for henholdsvis PSMT- og D2PAK-huse.
Figur 3: Termiske simuleringsresultater for PSMT (venstre) og D2PAK (højre).
Figur 4: Switching-waveforms med sammenligning af D2PAK (venstre) vs. PSMT (højre).
