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Fortschrittliche Gehäuse- und Halbleitertechnologie von Leistungselektronik-ICs wirkt sich positiv auf Wärmemanagement aus

Die Wärmeenergie, die in Leistungselektronik-ICs wie MOSFETs erzeugt wird, wirkt sich nicht nur auf die Leistungsfähigkeit dieser Bausteine aus, sondern auch auf die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems: das Ausfallrisiko steigt und die Betriebslebensdauer verringert sich. Eine zu hohe Wärmeentwicklung erhöht auch die Betriebskosten, da Netzteile mit einem schlechten Wirkungsgrad mehr Strom verbrauchen und so die Stromkosten in die Höhe treiben. Entwickler müssen sich heute deshalb dem Thema Wärmeentwicklung stellen.

Kupferclip-Technik verzichtet auf Bonddrähte und ersetzt diese mit elektrisch und thermisch effizienten Gate- und Source-Anschlüssen
Kupferclip-Technik verzichtet auf Bonddrähte und ersetzt diese mit elektrisch und thermisch effizienten Gate- und Source-Anschlüssen

Die Umsetzung eines angemessenen Wärmemanagement ist gefragter denn je, da Designs eine immer höhere Leistungsdichte aufweisen. Das erhöht aber auch die Anforderungen: Wertvoller Platz auf der Leiterplatte muss effektiv genutzt werden, und die Kosten für die Stückliste steigen, genauso wie die Komplexität des Gesamtsystems. Falls der Kühlmechanismus elektromechanisch aufgebaut ist (z.B. ein Lüfter), kann dies den Stromverbrauch zusätzlich erhöhen.

OEMs sind auf der Suche nach effektiveren Möglichkeiten, mit denen sie die in Wärme umgewandelte Energie im Inneren ihrer Bausteine auf ein Minimum reduzieren können. Solche ICs lassen sich dann in noch kleinere Gehäuse integrieren, was sie für Anwender interessanter macht. Zudem steigt die Leistungsfähigkeit, um zusätzliche Funktionen anzubieten, was die Produkte unter Wettbewerbern hervorhebt. Auf Bauteilebene muss also mehr getan werden, um den Ansprüchen der OEMs gerecht zu werden. Leider ist dies nicht immer ganz so einfach.

Es war schon immer schwierig, sowohl Leistungseffizienz als auch Schaltfrequenzen auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Ein geringer Durchlasswiderstand (RDS(ON)), der die Leitfähigkeit verbessert, erfordert leider einen Kompromiss bei der Schaltcharakteristik des MOSFETs. Umgekehrt gilt, dass bei einer minimalen Gate-Ladung (Qg) zwar höhere Schaltfrequenzen möglich sind, aber einen höheren RDS(ON) und größere Leistungsverluste zur Folge haben. Die Abwägung zwischen diesen beiden Parametern wird über den FoM-Wert (FOM: Figure of Merit) beschrieben: RDS(ON) x Qg.

Die Fortschritte bei der Fertigung von Leistungshalbleitern sorgen nun für eine effizientere Leistungswandlung. Damit wird weniger Wärme erzeugt. Hinzu kommt, dass fortschrittlichere Chip-Gehäuse die Wärme besser ableiten. Die Lösung liegt also in einer Doppelstrategie: Aus Halbleitersicht führen die Neuerungen zu einer effizienteren Leistungswandlung und somit zu einer geringeren Wärmeerzeugung. Fortschrittliche Gehäusetechnik sorgt dafür, dass die erzeugte Wärme schnell aus dem System abgeführt wird.

Toshibas neueste UMOS-Bausteine werden im DPAK+-Gehäuse ausgeliefert, das die gleichen Abmessungen wie herkömmliche DPAK-Gehäuse aufweist, nur dass Kupferclips (anstelle von Aluminium-Bonddrähten) zum Einsatz kommen. Damit werden die Gate- und Source-Anschlüsse direkt mit den metallisierten Elektroden auf dem Chip (Die) verbunden, um Leistungsverluste zu verringern.

Weitere Informationen über Toshibas Neuerungen in der Leistungselektronik erhalten Sie über den Download des folgenden Whitepapers:

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