№6 / 2017 Статья 2 Высоковольтные MOSFET в SMD-корпусе – реальность!

Антон Подколзин (КОМПЭЛ)

Упаковав в новой линейке C7 Gold передовую технологию производства MOSFET-транзисторов Superjunction в SMD-корпус нового поколения TOLL с выступающими по одной стороне выводами, компания Infineon задает новые стандарты производства высоковольтных MOSFET для современных силовых приложений, в которых необходимы ключи с жесткой коммутацией.

В области устройств силовой электроники начинает устойчиво прослеживаться тренд, который, по всей вероятности, подтолкнет отрасль к замене старых стандартов новыми. Технологическая база развивается ускоренными темпами, производители инвестируют колоссальные средства в новые разработки.

Рассмотрим, к примеру, транзисторы MOSFET. Температурные ограничения составляют значительное препятствие при переходе от стандартных выводных корпусов, таких, например, как TO-220, TO-247, к SMD-корпусам. Однако компания Infineon представила рынку отличную комбинацию, сочетающую современную технологию производства полевых транзисторов Superjunction и SMD-корпус нового поколения. Эта комбинация позволяет не только достичь эффекта, подобного тому, который достигается при использовании GaN транзисторов, но и сочетать традиционные полевые транзисторы и крайне высокие требования к современным преобразовательным устройствам средней и высокой мощности.

Путь к разработке более эффективных устройств силовой электроники начинается, в первую очередь, с выбора топологии преобразователя, и в частности – с выбора основных силовых ключей. Именно поэтому производители силовых полупроводниковых приборов продолжают доводить до совершенства процессы производства и разрабатывать новые технологии, улучшающие показатели качества приборов FoM (Figure of Merit). Но это только половина истории. В то время как в последние десять лет мир уверенно движется к SMD-корпусам, преимущества современных полевых транзисторов нельзя было всецело ощутить из-за традиционных выводных корпусов, среди которых наиболее популярны ТО-220 и ТО-247.

Технологический процесс производства полевых транзисторов Superjunction (маркетинговое название транзисторов CoolMOS™) берет начало в 1999 году, когда технология была впервые представлена рынку компанией Infineon. На сегодняшний день это уже флагманская технология, которая отлично себя зарекомендовала, и Infineon продолжает развивать ее.

В технологии Superjunction заключены два основных принципа (рисунок 1). Во-первых, удалось значительно снизить сопротивление открытого канала (Rds(on)), так как основной путь протекания тока намного сильнее легирован, чем у обыкновенного высоковольтного MOSFET-транзистора. Во-вторых, выполненные с высокой точностью легированные колонки p-типа сочетают в себе так называемую «компенсирующую структуру», которая уравновешивает высоколегированный коридор протекания тока и поддерживает область пространственного заряда суммарным нулевым зарядом. Без колонок с проводимостью p-типа, формирующих структуру компенсации заряда под основной структурой, транзистор бы имел намного меньшее рабочее напряжение из-за высоколегированного основного n-слоя.

Рис. 1. Сравнение полупроводниковой структуры Planar и Superjunction MOSFET

Рис. 1. Сравнение полупроводниковой структуры Planar и Superjunction MOSFET

Структура такого типа позволяет уменьшить поверхностное удельное сопротивление, что делает потери проводимости существенно меньше. А соответствующее уменьшение площади кристалла снижает паразитные емкости и динамические потери прибора.

Технология Superjunction продолжала свое дальнейшее развитие, что воплотилось в следующем поколении силовых высоковольтных полевых транзисторов CoolMOS™C7. Новое поколение позволило достичь уровня удельного сопротивления порядка 1 Ом•мм2. А потери выключения приборов С7 снизились более чем на 50% по сравнению с предыдущим поколением CP. Но компания Infineon не стала останавливаться на достигнутом: в конце 2016 года в массовое производство вышло новое поколение C7 Gold (G7). Потери выключения транзисторов поколения G7 снижены на 25% по сравнению с поколением C7. При этом по технологическим показателям FoM, определяемым соответствующими соотношениями Rds(on) Eoss и Rds(on) Qgate, поколение G7 становится лучшим в своем классе.

Транзисторы семейств C7 и G7 позволяют комплексно увеличить удельные характеристики преобразователя за счет снижения потерь на силовых ключах и уменьшения требований к системе охлаждения. Таким образом достигается эффект, сходный с получаемым при использовании GaN-транзисторов. Новые семейства предназначены, в первую очередь, для преобразователей, работающих в режиме жесткого переключения, например, корректоров коэффициента мощности.

В области источников вторичного электропитания (ИВЭП) в последнее десятилетие прослеживались устойчивые тенденции к увеличению удельных показателей преобразователей, таких, например, как плотность мощности (кВт/м3) и уменьшение стоимости за 1 кВт выходной мощности (USD/кВт). В конкурентных условиях современного рынка перед разработчиками встает непростая задача по уменьшению совокупной стоимости владения (Total Cost of Ownership, TCO) устройствами силовой электроники за счет уменьшения габаритных размеров при уменьшении потерь и росте частоты коммутации силовых ключей преобразователей. Последние новинки компании Infineon в линейке Superjunction MOSFET как раз отвечают перечисленным требованиям.

В то время как технологии изготовления кристаллов полевых транзисторов достигли существенного прогресса, корпуса же этих приборов, по большей части, остались без изменений. До сих пор выводные корпуса, такие как TO-220, TO-247 и их вариации, наиболее массово применяются в индустрии. Но с недавних пор транзисторы в SMD-корпусах становятся более популярными среди разработчиков благодаря существенному снижению паразитной индуктивности выводов и, следовательно, появившейся возможности проектировать изделия с более высокой частотой коммутации. Однако применение SMD-корпусов до настоящего времени имело определенные ограничения за счет трудностей с отводом тепловых потерь.

Рис. 2. Внешний вид корпуса TOLL

Рис. 2. Внешний вид корпуса TOLL

Новая серия полевых транзисторов CoolMOS™ C7 Gold производства компании Infineon в SMD-корпусе TO-LeadLess (TOLL) позволяет снять эти ограничения и приблизиться по удельным параметрам к ИВЭП с применением выводных силовых ключей. Внешний вид корпуса TOLL представлен на рисунке 2.

Основные топологии преобразователей, которые можно спроектировать на базе транзисторов CoolMOS™ G7, представлены в таблице 1. Транзисторы оптимизированы для применения в топологиях с жесткой коммутацией ключей.

Таблица 1. Целевые топологии преобразователей для линейки G7

Характер
коммутации
Топология G7 650 В G7 600 В
Жесткая
коммутация
ККМ на базе повышающего преобразователя напряжения (Boost PFC, режимы DCM/CCM) Подходит Подходит
Прямоходовой преобразователь напряжения с двумя ключами (TTF)
Мягкая
коммутация
Преобразователь напряжения с последовательной резонансной цепью (LLC) Не подходит из-за характеристик обратного диода

Технология C7 Gold (G7) разработана на базе хорошо зарекомендовавшей себя технологии С7, анонс которой состоялся в 2015 году. Номенклатура транзисторов G7 представлена в таблице 2. Одно из революционных достижений технологии C7 заключается в практически трехкратном снижении энергии паразитного выходного конденсатора транзистора Eoss (рисунок 3) в сравнении с предыдущим поколением CP. Вместе с этим, у транзисторов C7 Gold (G7) запасаемая энергия снижена более чем на 15% по сравнению с поколением C7. Этот параметр играет весьма критичную роль для топологий с жесткой коммутацией, так как запасенная в выходной паразитной емкости энергия при включении ключа рассеивается в тепло.

Рис. 3. Сравнение выходной емкости различных поколений MOSFET-транзисторов Infineon

Рис. 3. Сравнение выходной емкости различных поколений MOSFET-транзисторов Infineon

Таблица 2. Номенклатура транзисторов C7 Gold (G7)

Rds(on) (max.), мОм Qgate (typ.), нКл G7 600 В TOLL G7 650 В TOLL
195 20 IPT65R195G7
150 23 IPT60R150G7
125 27 IPT60R125G7
105 35 IPT65R105G7
102 34 IPT60R102G7
80 42 IPT60R080G7
50 68 IPT60R050G7
33 110 IPT65R033G7
28 123 IPT60R028G7
Рис. 4. Сравнение транзисторов поколений C7 и G7 по заряду затвора

Рис. 4. Сравнение транзисторов поколений C7 и G7 по заряду затвора

Также в новой серии транзисторов значительно уменьшена емкость затвора Qgate (рисунок 4). Из графика видно, что заряд затвора у поколения G7 снижен более чем на 20% по сравнению с поколением C7. Общеизвестно, что от заряда затвора напрямую зависят времена открытия и закрытия прибора и, следственно, потери переключения транзисторов.

Таким образом, благодаря всем преимуществам поколения G7, для разработчиков открываются новые возможности проектирования электронных устройств в диапазоне мощностей, которые совсем не типичны для SMD-корпусов.

Корпус TOLL (P/PG-HSOF-8-2) – это разработанный компанией Infineon первый в мире SMD-корпус для транзисторов MOSFET на 600/650 В, оптимизированный для ИВЭП высокой мощности (до 3 кВт выходной мощности при использовании всего одного транзистора). Прародителем этого корпуса был P/PG-HSOF-8-1, который успешно применялся в диапазоне низких напряжений до 300 В. Геометрические размеры корпуса TOLL представлены на рисунке 5. Далее будут раскрыты основные преимущества и особенности нового корпуса.

Рис. 5. Геометрические размеры корпуса TOLL

Рис. 5. Геометрические размеры корпуса TOLL

Корпус TOLL является более продвинутой заменой стандартного и хорошо зарекомендовавшего себя в прошлом корпуса D2PAK. Обладая меньшими размерами (рисунок 6), чем D2PAK, корпус TOLL имеет на 20% меньшее тепловое сопротивление «кристалл-корпус» Rth(JC) при сравнении во всем диапазоне сопротивлений открытого канала Rds(on) (рисунок 7).

Рис. 6. Сравнение размеров корпусов D2PAKи TOLL

Рис. 6. Сравнение размеров корпусов D2PAKи TOLL

Рис. 7. Сравнение транзисторов поколений C7 и G7 по тепловому сопротивлению «кристалл-корпус» в зависимости от сопротивления открытого канала

Рис. 7. Сравнение транзисторов поколений C7 и G7 по тепловому сопротивлению «кристалл-корпус» в зависимости от сопротивления открытого канала

Уменьшение Rth(JC) означает, что при одинаковой рассеиваемой мощности потерь на приборе температура кристалла внутри корпуса TOLL будет ниже. Вместе с тем, потери проводимости также станут меньше, так как с ростом температуры сопротивление открытого канала Rds(on) также растет. Это преимущество в конечном изделии можно использовать двояко. С одной стороны, благодаря более низкой температуре корпуса можно снизить требования к системе охлаждения либо увеличить выходную мощность устройства. А с другой – если оставить номинальную выходную мощность преобразователя на том же уровне, то надежность и средняя наработка на отказ станут выше.

Конфигурация выводов корпуса TOLL представлена на рисунке 8. В корпусе конструктивно заложено управление затвором транзистора через соединение Кельвина. То есть, корпус имеет два силовых вывода и два вывода управления. Цоколевка TOLL предусматривает шесть выводов истока (выводы 3…8) и вывод стока (вывод Tab), которые предназначены для протекания большого тока нагрузки. Выводы 1 и 2 предназначены для подключения выхода драйвера системы управления. Также есть возможность, при необходимости, соединить силовой и управляющий вывод истока, не используя при этом соединение Кельвина.

Рис. 8. Конфигурация выводов корпуса TOLL

Рис. 8. Конфигурация выводов корпуса TOLL

Основная причина, почему желательно использовать соединение Кельвина для управления транзистором – это устранение влияния паразитной индуктивности силового вывода истока на время переключения прибора. Данная паразитная индуктивность вызывает нежелательные осцилляции в цепи затвора, которые растягивают процесс переключения прибора и увеличивают потери на переключение транзистора. Сравнение процесса переключения ключа в корпусе TOLLс соединением Кельвина и ключа в корпусе TO-247 с тремя выводами изображены на рисунках 9 и 10 соответственно.

Рис. 9. Осциллограммы переключения транзистора в корпусе TO-247 с тремя выводами

Рис. 9. Осциллограммы переключения транзистора в корпусе TO-247 с тремя выводами

На рисунке 9 можно видеть, что из-за паразитной индуктивности вывода истока корпуса TO-247, которая приблизительно равна 15 нГн, появляются значительные осцилляции в цепи затвора. Паразитная индуктивность управляющего вывода истока корпуса TOLL составляет примерно 1 нГн, что более чем на порядок ниже, чем у TO-247. За счет этого уровень осцилляций цепи затвора заметно снижен (рисунок 10). Следовательно, потери переключения на ключе снижаются и образуется отличный задел для увеличения частоты коммутации преобразователя.

Рис. 10. Осциллограммы переключения транзистора в корпусе TOLL с соединением Кельвина в цепи затвора

Рис. 10. Осциллограммы переключения транзистора в корпусе TOLL с соединением Кельвина в цепи затвора

Рис. 11. Сравнение корпусов TOLL и TO-247 по параметру Creepage

Рис. 11. Сравнение корпусов TOLL и TO-247
по параметру Creepage

Несмотря на то, что корпус TOLL на первый взгляд имеет относительно малые габаритные размеры (10х12 мм), он отлично адаптирован для работы с высокими напряжениями. Если сравнить такой параметр электробезопасности как минимальный путь утечки тока по поверхности диэлектрика (Creepage) для корпусов TO-247 и TOLL, то выходит, что для TOLL Creepage составляет 2,7 мм, а для TO-247 – 2,54 мм (рисунок 11). Отсюда можно сделать вывод, что TOLL отлично подходит для замены TO-247.

Традиционные безвыводные корпуса, такие как ThinPAK, DirectFET™ или SuperSO8, не поддерживают автоматизированную оптическую инспекцию, так как их контактные площадки спрятаны под корпусом. В отличие от традиционных корпусов, выводы корпуса TOLL «выглядывают» с торца. На выводах истока и затвора размещены специальные канавки трапециевидной формы (рисунок 12). При запаивании корпуса на канавках образуется слой припоя, который можно инспектировать с помощью оптических средств. Изображение припаянного вывода корпуса TOLL под микроскопом можно увидеть на рисунке 13. Такое решение позволяет обойтись без дорогостоящего рентгеновского контроля печатных плат.

Рис. 12. Трапециевидные канавки выводов корпуса TOLL

Рис. 12. Трапециевидные канавки выводов
корпуса TOLL

Для многих электронных компонентов существуют определенные требования по допустимому сроку хранения после вскрытия заводской упаковки. Различают несколько уровней чувствительности компонентов к влаге (Moisture Sensitivity Level), которые отображены в таблице 3. Влага проникает внутрь заливочного компаунда микросхемы из окружающей среды. По истечении некоторого времени концентрация влаги внутри корпуса увеличивается настолько, что при запайке методом запекания может произойти повреждение компонента из-за внутреннего избыточного давления. Поэтому некоторые компоненты после контакта с окружающей средой необходимо просушивать перед запайкой на плату. Однако если просушивать корпус несколько раз, то это может отрицательно повлиять на его дальнейшую пригодность к пайке. Под действием высокой температуры контакты могут начать окисляться. Более того, упаковочные материалы (матричные поддоны, ленты, тубы, катушки) могут не выдерживать высокой температуры просушки. Поэтому следует обращать внимание на специальную маркировку, которая определяет максимальную допустимую температуру упаковки.

Рис. 13. Припаянный вывод корпуса TOLL под микроскопом

Рис. 13. Припаянный вывод корпуса TOLL под микроскопом

Таблица 3. Уровни чувствительности к влаге (MSL)

Уровень MSL Срок хранения после вскрытия упаковки
Время Условия, °С/% RH
1 Не ограничено ≤30/85
2 1 год ≤30/60
4 недели
3 168 часов
4 72 часа
5 48 часов
24 часа
6 Обязательно прогревать перед использованием. После прогревания необходимо запаять компонент в течение ограниченного времени

В связи с вышесказанным, международным комитетом стандартизации в области электроники был разработан стандарт IPC/JEDECJ-STD-033, в соответствии с которым определены несколько уровней чувствительности компонента к влаге (таблица 3). Корпус TOLL производства компании Infineon по степени чувствительности к влаге имеет первый уровень MSL1, то есть наименее критичен к условиям хранения.

Полевые транзисторы серии C7 Gold в корпусе TOLL вышли на рынок в конце 2016 – начале 2017 гг. Пока прошло совсем немного времени с момента выпуска серии, и очевидно, что разработчики ИВЭП не имеют достаточного опыта работы с новым SMD-корпусом. Следовательно, некоторые важные аспекты применения корпуса, такие как организация отвода тепла, пока остаются неясными и требуют разъяснений. Поэтому далее будут описаны некоторые соображения и практические рекомендации о правильном и грамотном отводе мощности потерь от корпуса TOLL. Рекомендованный вид посадочного места под корпус TOLL приведен на рисунке 14.

Рис. 14. Посадочное место корпуса TOLL

Рис. 14. Посадочное место корпуса TOLL

При разработке ИВЭП с большой выходной мощностью (1, 2, 3 кВт) при использовании силовых ключей в SMD-корпусах перед разработчиками встает непростая задача. Для устройств в таком диапазоне мощностей от каждого ключа необходимо отводить мощность потерь порядка 10…20 Вт. Так как заливочный компаунд корпуса является теплоизолирующим материалом и плохо проводит тепло, то для стандартных SМD-корпусов существует единственная возможность отводить мощность потерь через припаянные к печатной плате выводы.

Рис. 15. Схематичное изображение сборки корпуса TOLL на печатной плате с переходными отверсти- ями и радиатором

Рис. 15. Схематичное изображение сборки корпуса TOLL на печатной плате с переходными отверстиями и радиатором

Одним из наиболее эффективных способов охлаждения SMD-корпусов является отвод тепла через переходные отверстия к радиатору, установленному на противоположной стороне печатной платы. Схематичное изображение этого метода охлаждения представлено на рисунке 15. Наиболее важный вопрос с конструктивной точки зрения – это размеры и количество переходных отверстий. С практической точки зрения оптимальный диаметр переходных отверстий находится в диапазоне 0,3…0,5 мм. Выбор отверстий меньшего диаметра добавит дополнительную стоимость за сложность производства печатной платы. Для того чтобы максимизировать количество переходных отверстий на единицу площади лучше всего располагать их в шахматном порядке. Наиболее оптимальное расстояние между переходными отверстиями составляет 0,5…1,0 мм. Также следует избегать попадания припоя на контактную площадку, к которой прижимается радиатор, так как эта поверхность должна оставаться идеально плоской для наилучшего теплового контакта. Термопроводящая изоляционная пленка между контактной площадкой и радиатором, хоть и может сгладить некоторую шероховатость, обладает довольно ограниченной способностью к выравниванию поверхностей.

Далее будет рассмотрен пример расчета суммарного теплового сопротивления системы охлаждения, изображенной на рисунке 16. В качестве силового ключа в корпусе TOLL выбран транзистор IPT60R028G7 c тепловым сопротивлением «кристалл-корпус» Rth(JC) = 0,32°С/Вт. Для контактной площадки 80 мм2 оптимальное количество переходных отверстий составляет 160 шт, расстояние между соседними отверстиями по вертикали – 1 мм, по диагонали – 0,7 мм. Посчитать суммарное тепловое сопротивление 160 соединенных параллельно переходных отверстий можно по формуле, приведенной ниже:

Рис. 16. Размеры переходного отверстия печат- ной платы

Рис. 16. Размеры переходного отверстия печатной платы

form_1(1)

 

Где:

  • d –толщина печатной платы, мм;
  • λ – теплопроводность, Вт/мм * °С;
  • s – толщина металлизации отверстия, мм;
  • D – диаметр переходного отверстия, мм;
  • n – количество переходных отверстий, шт.

Расчет суммарного теплового сопротивления системы охлаждения представлен в таблице 4. При этом стоит отметить, что удельный вес теплового сопротивления радиатора составляет более 50% от общего. То есть выбор радиатора с лучшей теплоотдачей может позволить значительно увеличить рассеиваемую мощность потерь на ключе. Также, если вместо термопроводящей изоляционной пленки использовать теплопроводящую пасту, можно снизить тепловое сопротивление этого слоя с 2,38°C/Вт до 0,3…0,7°C/Вт. В случае, если паяльная маска нанесена на контактную площадку, она также начинает препятствовать распространению тепла. Тепловое сопротивление паяльной маски увеличивает суммарный показатель системы охлаждения на 25…30%. В то же время паяльная маска снижает механическое усилие надавливания на термопроводящую изоляционную пленку, тем самым ухудшая ее тепловые характеристики. Поэтому крайне желательно исключить паяльную маску из процесса теплообмена.

Таблица 4. Расчет суммарного теплового сопротивления системы охлаждения

Компонент системы Толщина, мм Тепловое сопротивление Rth, °С/Вт
IPT60R028G7 2,2 0,32
Припой (Sn/Ag) 0,05 0,038
Контактная площадка 80 мм2 0,07 0,0022
PCB (FR4 + 160 переходных отверстий
d = 0,3 мм)
1,6 0,68
Контактная площадка 80 мм2 0,07 0,0022
Паяльная маска -0,05 -2,5
Термопроводящая изоляционная пленка (TIM) K-10 0,15 2,38
Радиатор (SK 566 FE) 5
Суммарное значение 8,64 (10,96)

При проектировании ИВЭП с использованием ключей в SMD-корпусах существует несколько способов организации системы охлаждения. В тех случаях, когда мощность тепловых потерь на ключах не столь велика или когда устройство необходимо спроектировать без радиатора из-за ограниченного свободного пространства, существует возможность организовать теплоотвод с использованием специализированной теплоотводящей пасты, например, GapPad 1500. Такая паста обладает хорошей теплопроводностью (1,5 Вт/м•°С) и диэлектрической прочностью (> 500 В/мм). Для более интенсивного излучения тепла в окружающую среду необходимо применять теплоотводящую пасту черного либо серого цвета. Пример использования теплоотводящей пасты в качестве радиатора представлен на рисунке 17.

Рис. 17. Пример охлаждения с помощью теплоотводящей пасты: а) вид сверху; б) вид снизу

Рис. 17. Пример охлаждения с помощью теплоотводящей пасты: а) вид сверху; б) вид снизу

Рис. 18. Плата адаптации корпуса TOLL

Рис. 18. Плата адаптации корпуса TOLL

Читатель может прийти к выводу, что применение корпуса TOLL обязательно должно сопровождаться существенной переработкой конструкции ИВЭП. На самом деле, это не вполне так. В случае если исторически в качестве ключей применялись полевые транзисторы в выводных корпусах, например, TO-247, есть возможность адаптировать новый SMD-корпус в изделие с минимальными доработками. Требуется спроектировать плату адаптации с ключом в корпусе TOLL. Все корпуса TOLL изготавливаются в 4-выводном исполнении. Следовательно, если заменяемый корпус имеет 3 вывода, например, TO-247-3, то основную печатную плату необходимо переработать на предмет дополнительного отверстия для соединения Кельвина в цепи затвора транзистора. На плате адаптации корпуса TOLL должны быть предусмотрены ножки, которые функционально и конструктивно повторяют ножки ключа в выводном корпусе. На задней стороне платы должна быть предусмотрена контактная площадка для отвода тепла. В плате необходимо просверлить отверстие для крепления к радиатору. Пример платы адаптации представлен на рисунке 18.

Вариант с платой адаптации может послужить промежуточным шагом в сторону более эффективного и современного корпуса TOLL. Основной мотивацией к конструктивным доработкам подобного рода в серийном изделии может служить реальная возможность повысить КПД преобразователя на величину 1,5…2,0% (в зависимости от поколения применяемого ранее транзистора), а также снизить уровень шумов в цепи затвора за счет применения соединения Кельвина. При этом температура ключа будет заметно снижена.

Заключение

Новый корпус TOLL производства компании Infineon в исполнении для высоковольтных транзисторов может в большинстве применений заменить традиционные выводные корпуса. В последующие 5 лет произойдут качественные изменения, которые подтолкнут индустрию силовой электроники к новому витку развития. Произойдет смена технологических акцентов. Технологии уже практически освоены, сейчас происходит этап апробации и адаптации, не за горами и этап массового внедрения. Те подходы и принципы, которые еще вчера были признаны эталонами, сегодня подлежат коренному пересмотру, а завтра уже обретут новые формы.

Infineon_NE_05_17