Транзисторы OptiMOS с ориентацией кристалла истоком вниз могут стать новым стандартом в изготовлении MOSFET

25 января

телекоммуникацииуправление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFETMotor Drive

Бастиан Ланг (Infineon)

Традиционно производители дискретных силовых полупроводниковых приборов добиваются улучшения ключевых характеристик (RdsON и теплового сопротивления «кристалл-корпус») за счет усовершенствования кристалла. Однако специалисты компании Infineon добились впечатляющих результатов, сориентировав кристалл в корпусе истоком вниз. Такая ориентация кристалла применена, например, в серии MOSFET OptiMOS.

Любой источник питания должен иметь как можно большие значения КПД, удельной мощности, уровня надежности, а также максимально длительный срок службы. На сегодняшний день одним из основных направлений улучшения этих параметров является усовершенствование кристаллов силовых транзисторов, при этом характеристики их корпусов обычно остаются без должного внимания. Однако, как показали результаты исследований специалистов компании Infineon, для уменьшения потерь при преобразовании иногда достаточно всего лишь изменить ориентацию кристалла транзистора внутри его корпуса. Новый способ сборки MOSFET, при котором их кристаллы ориентируются истоком вниз, в ближайшем будущем имеет все шансы стать отраслевым стандартом, а пока данная технология применяется лишь в некоторых продуктах компании Infineon, одними из которых являются уже успевшие завоевать широкую популярность транзисторы семейства OptiMOS.

Способы монтажа кристаллов транзисторов

Полевые транзисторы OptiMOS изготавливаются по траншейной технологии (Trench MOSFET), при которой на одной из сторон кристалла (на стороне истока) создаются специальные канавки – «траншеи» (Trench), в которых формируются области затвора. При такой технологии ток через кристалл протекает в поперечном (вертикальном) направлении, а выводы транзистора располагаются на плоскостях кристалла: на одной стороне – вывод стока, на другой – выводы истока и затвора.

Традиционный вариант размещения полевого транзистора – стоком вниз – показан в левой части рисунка 1. При использовании этого способа сток транзистора монтируется непосредственно на выводную рамку (Lead Frame), обеспечивающую необходимую механическую прочность. Контакт истока, через который протекает значительный ток, подключается к выводной рамке с помощью небольшой медной шины, а контакт затвора – с помощью проволочного проводника.

Рис. 1. Варианты монтажа силового MOSFET в корпусе PQFN 3,3x3,3 мм стоком вниз (слева) и истоком вниз (справа)

Рис. 1. Варианты монтажа силового MOSFET в корпусе PQFN 3,3×3,3 мм стоком вниз (слева) и истоком вниз (справа)

Если перевернуть кристалл транзистора, то оказавшиеся внизу контакты истока и затвора теперь можно подключить к контактам выводной рамки напрямую (рисунок 1, справа). При этом контакт стока, который теперь располагается на верхней стороне кристалла, подключается к выводам с помощью медной шины большей площади. Таким образом, это простое решение упрощает технологию монтажа транзистора, а также уменьшает активные и реактивные сопротивления в цепях всех трех выводов.

После переворота транзистора общую конфигурацию выводной рамки можно оставить практически неизменной – это максимально упростит переделку печатной платы преобразователя при переходе на приборы нового типа. Однако такой способ монтажа позволяет также расположить вывод затвора на боковой стороне корпуса, что приведет к увеличению длины пути тока утечки между выводами истока и затвора. Таким образом, у транзисторов OptiMOS возможны три варианта расположения выводов: традиционный – стоком вниз (Drain-Down) (рисунок 2, а), перевернутый – истоком вниз (Source-Down) (рисунок 2, б) и перевернутый с расположением вывода затвора в центре боковой стороны корпуса (Source-Down Center-Gate) (рисунок 2, в).

Рис. 2. Варианты расположения выводов транзисторов OptiMOS в корпусах PQFN с размерами 3,3 х 3,3 мм: традиционный (стоком вниз) – а), перевернутый (истоком вниз) – б) и перевернутый с расположением вывода затвора на боковой стороне корпуса – в)

Рис. 2. Варианты расположения выводов транзисторов OptiMOS в корпусах PQFN с размерами 3,3 х 3,3 мм: традиционный (стоком вниз) – а), перевернутый (истоком вниз) – б) и перевернутый с расположением вывода затвора на боковой стороне корпуса – в)

Преимущества транзисторов с расположением кристалла истоком вниз

Расположение кристалла истоком вниз имеет три ключевых преимущества:

  • меньшее сопротивление канала в открытом состоянии RDS(on);
  • меньшее тепловое сопротивление;
  • возможности дополнительного снижения температуры транзисторов.

При расположении MOSFET истоком вниз исчезает ряд конструктивных ограничений, присущих транзисторам с традиционной ориентацией кристалла, что позволяет разместить в корпусах PQFN тех же размеров кристаллы большей площади и, в конечном итоге, на 30% уменьшить сопротивление канала в открытом состоянии RDS(on). Поскольку от сопротивления канала напрямую зависят статические потери, то очевидно, что использование новой технологии монтажа позволяет, как минимум, увеличить КПД преобразователей.

Однако в транзисторах, смонтированных на выводную рамку истоком вниз, есть и другие положительные свойства. В процессе работы транзисторов Trench MOSFET основная часть тепла выделяется в районе канавок (траншей). При монтаже транзистора стоком вниз это тепло, прежде чем попасть на выводную рамку, вначале проходит через кристалл и только потом рассеивается печатной платой. При расположении транзистора истоком вниз канавки непосредственно контактируют с выводной рамкой, имеющей хорошую теплопроводность. Таким образом, тепло, выделяемое на кристалле, теперь отводится напрямую и не приводит к дополнительному увеличению температуры кристалла.

В результате при той же скорости выделения тепла температура транзистора, смонтированного истоком вниз, будет меньше, чем у его неперевернутого аналога. Результаты измерений показывают, что транзисторы с ориентацией кристалла истоком вниз имеют тепловое сопротивление «кристалл-корпус» 1,4 К/Вт, что на 22% меньше, чем при использовании тех же кристаллов, но смонтированных стоком вниз (1,8 К/Вт).

Преимущества применения транзисторов, у которых кристаллы смонтированы истоком вниз, можно наглядно продемонстрировать на примере синхронного понижающего преобразователя (рисунок 3, а). В этой схеме сток транзистора верхнего плеча подключается к шине питания, а исток транзистора нижнего плеча – к общему проводу. Точка соединения истока и стока транзисторов, соответственно, верхнего и нижнего плеч получила название «коммутируемый узел» (Switch Node). Ее особенностью является резкое изменение потенциала от нуля до напряжения питания, что делает ее хорошим источником электромагнитных помех. Для уменьшения уровня нежелательного излучения размеры этого проводника стараются делать как можно меньше, уделяя особое внимание минимизации площадей токовых контуров, образуемых при перезаряде паразитных емкостей, связанных с этим узлом.

Если в обоих плечах преобразователя использовать транзисторы с традиционной ориентацией кристаллов (стоком вниз), то сразу же возникают проблемы с охлаждением транзистора нижнего плеча, вывод стока которого нельзя подключить к печатному проводнику большой площади, поскольку это сразу же увеличит уровень помех. Однако если в этой части схемы применить транзистор, у которого кристалл смонтирован истоком вниз, то проблема его охлаждения будет сразу же исключена, поскольку в этом приборе вывод с большой площадью подключен к истоку, соединяемому с общим проводом. Таким образом, если в синхронном понижающем преобразователе в верхнем плече установить транзистор, у которого кристалл смонтирован стоком вниз, а в верхнем – его перевернутый аналог, то в качестве теплоотводящих площадок для их охлаждения можно использовать шину питания (для транзистора верхнего плеча) и шину общего провода (для транзистора нижнего плеча) (рисунок 3, б). Такое решение позволяет одновременно и снизить температуры кристаллов транзисторов за счет лучшего охлаждения, и уменьшить уровень электромагнитных помех за счет уменьшения площади проводников, связанных с коммутируемым узлом, не говоря уже о том, что перевернутый транзистор будет иметь меньшее сопротивление канала в проводящем состоянии, что приведет к увеличению КПД.

Рис. 3. Схема синхронного понижающего преобразователя – а) и конфигурация проводников печатной платы при использовании транзисторов с разной ориентацией кристаллов – б)

Рис. 3. Схема синхронного понижающего преобразователя – а) и конфигурация проводников печатной платы при использовании транзисторов с разной ориентацией кристаллов – б)

Особенности параллельной работы

В системах гарантированного электроснабжения, где несколько источников питания объединяются по схеме ИЛИ, а также в узлах защиты питающих шин, например, в цепях аккумуляторной батареи, через силовые транзисторы могут протекать достаточно большие токи, а их коммутация происходит достаточно редко. В этом случае одним из ключевых параметров транзистора становится сопротивление его канала в открытом состоянии RDS(on), для уменьшения которого достаточно часто используют параллельное соединение нескольких транзисторов. В этом случае особое значение имеет величина тока утечки в цепи затвора, определяющая уровень потерь, возникающих в узлах управления. Для подобных приложений наилучшим образом подходят перевернутые транзисторы, у которых вывод затвора расположен в средней части одной из боковых сторон корпуса (Source-Down Center-Gate). Это позволяет максимально разнести в пространстве управляющие проводники транзисторов и расположить их на одном слое печатной платы вместо того, чтобы подключать их к затворам через дополнительные переходные отверстия.

Результаты исследований эффективности технологии Source-Down 

В качестве примера, демонстрирующего преимущества новой технологии, сравним КПД трех преобразователей одинаковой мощности, транзисторы которых переключаются на одинаковой частоте. В первой схеме (рисунок 4, а) были использованы транзисторы в корпусе PQFN с размерами 5 x 6 мм, во второй (рисунок 4, б) – лучшие в отрасли транзисторы в корпусе PQFN с размерами 3,3 x 3,3 мм, и, наконец, в третьей (рисунок 4, в) – транзистор с перевернутым кристаллом в нижнем плече.

Рис. 4. Схемы преобразователей: с транзисторами в корпусе PQFN 5x6 мм – а), с лучшими в отрасли транзисторами в корпусе PQFN 3,3x3,3 – б), с транзистором Source-Down в нижнем плече – в)

Рис. 4. Схемы преобразователей: с транзисторами в корпусе PQFN 5×6 мм – а), с лучшими в отрасли транзисторами в корпусе PQFN 3,3×3,3 – б), с транзистором Source-Down в нижнем плече – в)

Результаты измерений (рисунок 5) показывают, что преобразователь, у которого в нижнем плече используется перевернутый транзистор, при максимальной мощности имеет приблизительно на 1,5% больший КПД по сравнению с другими схемами. При длительной работе в режимах, близких к максимальной мощности, это отличие может иметь решающее значение, поскольку уровень тепловыделений на печатной плате обычно ограничен.

Рис. 5. Зависимости КПД нагрузки преобразователей, показанных на рисунке 4

Рис. 5. Зависимости КПД нагрузки преобразователей, показанных на рисунке 4

Кроме этого, были проведены исследования температуры корпусов транзисторов, работающих в статическом режиме. Результаты измерений показали, что при токе 20 А температура корпусов транзисторов, у которых кристаллы ориентированы стоком вниз, приблизительно на 10°С меньше чем у их традиционных аналогов в тех же корпусах PQFN 3,3 x 3,3 мм. Этот результат является вполне ожидаемым, поскольку транзисторы, изготовленные по технологии Source-Down, имеют меньшее тепловое сопротивление (благодаря лучшему отводу тепла) и меньшее сопротивление канала в открытом состоянии (благодаря использованию кристаллов большей площади).

Заключение

Новый вариант ориентации кристаллов полевых транзисторов имеет все шансы в ближайшем будущем стать стандартом в области изготовления силовых полупроводниковых приборов подобного класса, ведь такой подход позволяет улучшить два ключевых параметра MOSFET: сопротивление кристалла в открытом состоянии и тепловое сопротивление «кристалл-корпус». Кроме этого, комбинация традиционных и инновационных подходов к упаковке транзисторов позволяет упростить технологию импульсного преобразования, позволяя создавать устройства с меньшим уровнем помех и большей удельной мощностью. Таким образом, технология Source-Down стала еще одним этапом в развитии силовой электроники, позволившим инженерам создавать приложения с характеристиками, недостижимыми при использовании других технологий.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт. В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню р ...читать далее

Товары
Наименование
IQE006NE2LM5ATMA1 (INFIN)
IQE006NE2LM5CGATMA1 (INFIN)
IQE013N04LM6ATMA1 (INFIN)
IQE013N04LM6CGATMA1 (INFIN)