Особенности транзисторов в корпусах ISOPLUS производства Littelfuse

1 марта

телекоммуникацииуправление питаниемуправление двигателемLittelfuseстатьядискретные полупроводникиMOSFETIGBTMotor Drive

Компания Littelfuse представляет линейку корпусов ISOPLUS, различающихся формой и количеством выводов и предназначенных как для установки в отверстия, так и для поверхностного монтажа. Корпуса ISOPLUS, выполняющие функции узла распределения тепла, электрического изолятора и центрального конструктивного элемента, подходят и для дискретных полупроводниковых приборов, таких как диоды, MOSFET, IGBT, тиристоры, и для готовых модулей и сборок, сконфигурированных под конкретную задачу.

Мощные полупроводниковые приборы, например, силовые транзисторы или диоды в процессе работы достаточно сильно нагреваются, поэтому их обычно устанавливают на охлаждающие радиаторы. В большинстве существующих корпусов кристалл полупроводникового прибора прикрепляется непосредственно к теплоотводящей пластине, в результате чего она оказывается электрически связанной с узлами электронной схемы. Из-за этого при монтаже подобного корпуса на радиатор могут возникнуть проблемы с обеспечением требуемого уровня электробезопасности и электромагнитной совместимости, например, из-за высокой паразитной емкости между радиатором и землей. Не следует забывать и о невозможности непосредственной установки на общую охлаждающую поверхность двух приборов, теплоотводящие пластины которых находятся под разными потенциалами. Таким образом, мощные полупроводниковые приборы часто приходится изолировать от радиатора, что, в процессе решения одной проблемы, создает несколько дополнительных.

Электрическая изоляция корпуса полупроводникового прибора от радиатора чаще всего обеспечивается с помощью специализированных теплопроводящих прокладок, а это увеличивает тепловое сопротивление между кристаллом и радиатором, стоимость сборки, а также усложняет процесс сертификации оборудования на соответствие стандартам электробезопасности. В то же время при создании мощных силовых модулей была разработана и успешно опробована технология монтажа транзисторов и диодов на керамические основания, одновременно выполняющие функции узла распределения тепла, электрического изолятора и центрального конструктивного элемента. Результаты практического применения этого способа монтажа показали, что он позволяет надежно изолировать полупроводниковые кристаллы от радиатора без какого-либо значительного ухудшения тепловых характеристик модуля.

Успех применения мощных силовых модулей позволил предположить, что подобная технология монтажа кристаллов будет так же эффективна и при изготовлении дискретных полупроводниковых приборов. Именно по такому пути и пошли специалисты компании IXYS, не так давно ставшей подразделением компании Littelfuse, разработав линейку корпусов ISOPLUS.

Конструкция корпусов ISOPLUS

На сегодняшний день разработаны и успешно опробованы несколько видов корпусов ISOPLUS, имеющие одинаковую внутреннюю структуру и отличающиеся лишь формой и количеством выводов. Сейчас по данной технологии монтируются кристаллы достаточно большого количества дискретных полупроводниковых приборов, работающих в широком диапазоне напряжений и частот.

Ключевым элементов корпуса ISOPLUS является тонкое керамическое основание, например, из оксида алюминия, на обеих сторонах которого методом прямого осаждения меди (Direct Bonded Copper, DBC) формируются медные площадки (рисунок 1). Электрическая прочность керамических изоляторов позволяет использовать их в установках с рабочим напряжением до 6 кВ, однако из-за малых размеров, не позволяющих сформировать требуемые величины токов утечки и воздушных зазоров, максимально допустимое напряжение между кристаллом и радиатором большинства корпусов ISOPLUS обычно ограничено значение 2,5 кB. Полупроводниковые приборы припаиваются к площадкам, сформированным на одной (лицевой) стороне керамического основания, и соединяются с выводами с помощью проволочных проводников. Обратная сторона основания имеет одну сплошную медную площадку и предназначена для теплового контакта с радиатором.

Рис. 1. Поперечное сечение корпуса ISOPLUS типа SMPD

Рис. 1. Поперечное сечение корпуса ISOPLUS типа SMPD

Такой способ монтажа позволил свести к минимуму количество препятствий на пути прохождения тепла от кристалла к радиатору. В данном случае тепло, выделяемое на кристалле, вначале проходит через слой припоя, фиксирующего кристалл на медной площадке, композитное многослойное основание, термопасту и, наконец, попадает в радиатор. Очевидно, что это приводит к уменьшению общего теплового сопротивления «кристалл-радиатор» и, как следствие, к лучшему охлаждению полупроводникового прибора, по сравнению с неизолированными корпусами, установленными через изолирующие прокладки. Следует отметить, что монтаж кристалла на медное основание с помощью пайки является достаточно надежным и качественным способом крепления и используется при производстве большого количества самых разных полупроводниковых приборов.

Одной из особенностей всех корпусов ISOPLUS является отсутствие крепежных отверстий. Это позволяет использовать для передачи тепла дополнительную площадь, что еще больше повышает тепловые характеристики корпусов этого типа.

Сравнение тепловых характеристик корпусов ISOPLUS

В отличие от приборов в традиционных корпусах, кристаллы которых закрепляются на выводных рамках, все приборы в корпусах ISOPLUS можно монтировать непосредственно на радиатор без использования дополнительных изоляторов. Однако неровности поверхностей теплоотводящей площадки прибора и радиатора довольно сильно ухудшают тепловой контакт, поэтому на практике почти во всех случаях между этими элементами располагают специализированный термоинтерфейс (Thermal Interface Material, TIM), простейшим вариантом которого является тонкий слой термопасты. И хотя большинство термопаст классифицируется как токонепроводящие, при их использовании непосредственный контакт теплоотводящей площадки и радиатора возникает достаточно часто. С точки зрения теплопередачи это является выгодным, поскольку прямой контакт двух металлов обладает хорошей теплопроводностью и уменьшает тепловое сопротивление, поэтому для обеспечения хорошего охлаждения кристалла стараются обеспечить максимально возможную площадь подобных соединений.

Для приборов в традиционных неизолированных корпусах непосредственный контакт теплоотводящей площадки и радиатора является нежелательным и даже опасным, поэтому в этих случаях используются специализированные изоляторы, обеспечивающие надежную электрическую изоляцию двух токопроводящих поверхностей, например, мягкие силиконовые прокладки. Однако такое решение исключает возможность прямой передачи тепла между прибором и радиатором, что негативно сказывается на величине теплового сопротивления подобных соединений.

Эквивалентная схема тепловой цепи, возникающей между кристаллом, смонтированным в корпусе ISOPLUS, и окружающей средой показана на рисунке 2, где символами Rthjc, Rthcontact, RthTIM и Rthha обозначены, соответственно, тепловые сопротивления «кристалл-корпус», контакта между разными средами распространения тепла, самой термопасты (объемное сопротивление, обычно указываемое в технической документации), а также «радиатор-окружающая среда».

Рис. 2. Эквивалентная схема тепловой цепи при использовании корпусов ISOPLUS

Рис. 2. Эквивалентная схема тепловой цепи при использовании корпусов ISOPLUS

Как видно из рисунка, ключевой особенностью отвода тепла от корпусов ISOPLUS является наличие дополнительного теплового сопротивления RthM2M, учитывающего возможность прямой передачи тепла между двумя металлическими поверхностями. RthM2M, включенное параллельно цепочке из последовательно соединенных элементов Rthcontact и RthTIM, снижает общее тепловое сопротивление в месте установки полупроводникового прибора, что, в совокупности с небольшим значением теплового сопротивления «кристалл-корпус» Rthjc, обеспечиваемым за счет малой толщины керамического основания, способствует хорошему отводу тепла от кристаллов.

При использовании изолирующих прокладок этот путь не может существовать, поэтому в модели охлаждения полупроводниковых приборов в неизолированных корпусах компонент RthM2M отсутствует (рисунок 3), а результирующее тепловое сопротивление «корпус-радиатор» во многом определяется тепловым сопротивлением изолирующей прокладки RthISO, которое обычно больше, чем сопротивление термопасты RthTIM.

Рис. 3. Эквивалентная схема тепловой цепи при использовании традиционных корпусов, изолированных от радиатора силиконовыми прокладками

Рис. 3. Эквивалентная схема тепловой цепи при использовании традиционных корпусов, изолированных от радиатора силиконовыми прокладками

Замена мягкой силиконовой прокладки твердыми керамическими изоляторами, обладающими лучшими изоляционными характеристиками, только ухудшает ситуацию. Керамические поверхности, как и металлические, не могут быть идеально ровными, поэтому керамический изолятор перед установкой должен быть покрыт с двух сторон термопастой. Это еще больше увеличивает путь прохождения тепла (рисунок 4) и, соответственно, ухудшает охлаждение кристалла.

Рис. 4. Эквивалентная схема тепловой цепи при использовании традиционных корпусов, изолированных от радиатора керамическими изоляторами

Рис. 4. Эквивалентная схема тепловой цепи при использовании традиционных корпусов, изолированных от радиатора керамическими изоляторами

Улучшение условий охлаждения кристаллов благоприятно сказывается на всех остальных электрических характеристиках полупроводниковых приборов. Как видно из результатов исследований (рисунок 5), при одинаковых токе стока и температуре радиатора, температура кристалла полевого транзистора, выпускаемого в традиционном неизолированном корпусе PLUS247, оказывается выше чем у приборов, смонтированных в корпусах ISOPLUS. При этом не следует забывать, что корпус PLUS247, имеющий такие же размеры, как и стандартный корпус TO-247, из-за отсутствия крепежного отверстия имеет дополнительное место, позволяющее устанавливать внутри него кристаллы большей площади. Поэтому максимально допустимый ток транзистора в традиционном неизолированном корпусе PLUS247 оказывается выше чем у приборов в корпусах ISOPLUS. Однако из-за худших условий охлаждения все эти преимущества исчезают, поскольку при одной и той же температуре кристалла ток, который может протекать через кристалл меньшего размера транзистора в корпусе ISOPLUS, оказывается выше чем у транзистора в корпусе PLUS247, отделенного от радиатора изолирующей прокладкой. Таким образом, даже простая замена транзисторов в стандартных корпусах на аналогичные приборы, выпускающиеся в корпусах ISOPLUS, позволяет не только упростить производство, но и увеличить срок службы преобразователя за счет уменьшения температуры кристаллов.

Рис. 5. Результаты исследований транзисторов в разных корпусах

Рис. 5. Результаты исследований транзисторов в разных корпусах

Преимущества при серийном производстве

Для хорошего охлаждения силовых элементов в традиционных неизолированных корпусах их лучше всего устанавливать на отдельные радиаторы или, при наличии такой возможности, монтировать на общем радиаторе только приборы с одинаковым потенциалом теплоотводящих площадок. При таком подходе для классического трехфазного инвертора, построенного на основе полумостовых каскадов, потребуются как минимум четыре отдельных радиатора, электрически изолированных от остальных элементов преобразователя. Очевидно, что это значительно усложняет конструкцию устройства, увеличивает уровень излучаемых помех, а в некоторых случаях может создать опасность во время сборки или эксплуатации системы.

Использование приборов в корпусах ISOPLUS позволяет практически полностью устранить эту проблему, ведь корпуса этого типа можно смонтировать на одном общем радиаторе, который можно электрически соединить с корпусом. При необходимости, подробную информацию об особенностях монтажа приборов в корпусах ISOPLUS можно найти в соответствующей технической документации, например, в «Mounting and Cooling Solutions for SMPD Packages». 

Типы корпусов ISOPLUS

С 1998 года, когда был изготовлен первый прибор с изолированным основанием, компания Littelfuse освоила производство более десяти видов корпусов ISOPLUS, предназначенных как для установки в отверстия, так и для поверхностного монтажа (рисунок 6). На сегодняшний день в корпусах ISOPLUS выпускается достаточно большое количество как дискретных полупроводниковых приборов (диодов, MOSFET, IGBT, тиристоров), так и готовых модулей и сборок, сконфигурированных под конкретную задачу.

Рис. 6. Типы корпусов ISOPLUS

Рис. 6. Типы корпусов ISOPLUS

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании IXYS

Одна из ведущих мировых компаний по производству силовых электронных компонентов IXYS была основана в 1983 году в калифорнийской Санта Кларе – в сердце Кремниевой долины – Натаном Зоммером, образовавшим это название от словосочетания Integrated Control SYStems. Компания стала первой в Долине в области силовых полупроводников и одной из первых, бизнес которой строился на принципе fabless – самостоятельная разработка и размещение заказов на партнерских производственных площадках. С самого начал ...читать далее

Товары
Наименование
CS20-22MOF1 (LTL)
FUO22-12N (LTL)
IXGR48N60C3D1 (LTL)
FMM150-0075X2F (LTL)
CS45-16IO1 (LTL)
CS20-22MOF1 (IXYS)
FUO22-12N (IXYS)
IXGR48N60C3D1 (IXYS)
IXA37IF1200HJ (IXYS)
FMM150-0075X2F (IXYS)
CS45-16IO1 (IXYS)