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Implications au niveau gestion thermique des progrès réalisés par les boitiers et les technologies silicium pour semiconducteurs de puissance

La chaleur dégagée par certains CI de puissance, comme les MOSFET, non seulement affecte les performances de ces dispositifs, mais a aussi un impact significatif sur la fiabilité système, en augmentant le risque de panne et en réduisant la durée de vie opérationnelle. L'échauffement a aussi un effet néfaste sur les coûts de fonctionnement puisque les convertisseurs présentant un mauvais rendement devront tirer plus de courant du réseau, augmentant ainsi la facture d'électricité de l'utilisateur. Les concepteurs ne peuvent donc pas se permettre d'ignorer l'aspect dissipation thermique.

La technologie "Copper-Clip" évite les liaisons filaires, en les remplaçant par des connections de grille et de source électriquement et thermiquement optimisées
La technologie "Copper-Clip" évite les liaisons filaires, en les remplaçant par des connections de grille et de source électriquement et thermiquement optimisées

Il est de plus en plus important d'implémenter une bonne gestion thermique, à l'heure où la densité de puissance augmente dans tous les systèmes, mais ceci a également des répercussions. Cela conduit à utiliser une place précieuse sur la carte, à augmenter le coût de la nomenclature et à accroître le coût global du système. En outre, si le système de refroidissement est électromécanique (ventilateur par exemple), il vient aussi augmenter le coût de manière significative.

Les OEM cherchent des moyens plus efficaces d'assurer que l'énergie convertie en chaleur à l'intérieur de leurs produits soit aussi faible que possible. Cela permet aux produits concernés d'être logés dans des boîtiers plus petits (plus séduisants pour les consommateurs), tout en profitant d'une puissance nominale plus élevée, qui facilitera le support d'un plus grand nombre de fonctionnalités (permettant à ces produits de l'emporter sur la concurrence). Des progrès doivent encore être réalisés au niveau composants pour répondre aux attentes des OEM, mais malheureusement les choses ne sont pas si simples.

Maintenir à la fois un bon rendement et une vitesse de commutation élevés constitue un exercice difficile (et parfois frustrant). Maintenir une résistance à l'état passant (RDS(ON)) faible pour améliorer la conduction, nécessite en général d'accepter un compromis sur les performances de commutation des MOSFET. Réciproquement, optimiser le dispositif pour minimiser la charge de grille (Qg) permet d'obtenir des vitesses de commutation plus élevées, mais se traduit aussi par une RDS(ON) plus élevée et donc des pertes accrues. Le compromis entre ces deux paramètres est indiqué par le facteur de mérite (RDS(ON) x Qg) du dispositif.

Les progrès réalisés dans la fabrication des semiconducteurs de puissance permettent aujourd'hui d'améliorer sensiblement le rendement de conversion d'énergie. Il y a donc moins d'échauffement. En outre, l'arrivée de conditionnements de CI plus sophistiqués accélère la dissipation thermique. On observe donc une progression selon deux angles distincts. Du point de vue du silicium, l'innovation permet une amélioration du rendement de conversion d'énergie, et une certaine atténuation des problèmes d'échauffement. Dans le même temps, une technologie de conditionnement plus évoluée permet d'évacuer la chaleur générée.

Les dernières générations de circuits UMOS Toshiba sont logés dans un boîtier DPAK+, qui présente les mêmes dimensions et la même forme qu'un boîtier DPAK conventionnel, mais qui utilisent des clips en cuivre (plutôt que des fils de liaison en aluminium) pour connecter les broches de grille et de source aux électrodes métallisées sur la puce, pour réduire les pertes énergétiques.

Pour en savoir plus sur les innovations Toshiba dans le domaine de la conception des CI de puissance, téléchargez le livre blanc suivant :

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