Explication détaillée du boîtier de dissipation thermique supérieur à haut rendement pour MOSFET

La plupart des MOSFET utilisés dans les applications de puissance sont des composants à montage en surface (CMS), notamment dans des boîtiers tels que SO8FL, u8FL et LFPAK. Ces composants CMS sont généralement privilégiés pour leur bonne capacité de puissance et leur taille réduite, permettant ainsi de réaliser des solutions plus compactes. Cependant, malgré leurs bonnes performances, leur dissipation thermique peut parfois s'avérer insuffisante.

Du fait du soudage direct du cadre de connexion (y compris les plots de drainage exposés) du composant à la zone cuivrée, la chaleur est principalement transmise par le circuit imprimé. Le reste du composant, enfermé dans un boîtier plastique, ne peut dissiper la chaleur que par convection naturelle. Par conséquent, l'efficacité du transfert thermique dépend fortement des caractéristiques du circuit imprimé : la surface cuivrée, le nombre de couches, l'épaisseur et l'agencement. Ce problème persiste, que le circuit imprimé soit installé sur un dissipateur thermique ou non. La puissance maximale admissible des composants classiques ne peut atteindre son niveau optimal, car les circuits imprimés présentent généralement une faible conductivité thermique et une faible inertie thermique. Pour pallier ce problème et réduire davantage la taille des applications, l'industrie a développé un nouveau boîtier MOSFET exposant le cadre de connexion (drain) du MOSFET sur sa face supérieure (voir figure 1).

Figure 1 Ensemble de dissipation thermique supérieur

1. Avantages de la disposition pour la dissipation de chaleur par le haut

Bien que les composants CMS de puissance traditionnels soient avantageux pour la miniaturisation, ils imposent l'absence de composants supplémentaires au dos du circuit imprimé, en raison des contraintes de dissipation thermique. L'espace disponible sur le circuit imprimé est ainsi inutilisable, ce qui augmente la taille globale du circuit final. Le dissipateur thermique supérieur permet de contourner ce problème : la chaleur est dissipée par le dessus. De cette manière, des composants peuvent être placés sur le circuit imprimé sous le MOSFET.

Cet espace peut être utilisé pour disposer les éléments suivants (sans toutefois s'y limiter) :

dispositif d'alimentation

circuit de commande de grille

Composants de support (condensateurs, tampons, etc.)

À l'inverse, elle permet également de réduire la taille du circuit imprimé, de diminuer la longueur du trajet des signaux de commande de grille et d'obtenir une solution plus idéale.

Figure 2 Espace réservé aux composants sur le circuit imprimé

Comparativement aux composants CMS standard, les dissipateurs thermiques supérieurs offrent non seulement plus d'espace d'implantation, mais réduisent également la superposition des flux de chaleur. La majeure partie de la chaleur provenant du boîtier de dissipation thermique supérieur est directement dirigée vers le dissipateur, ce qui diminue la chaleur supportée par le circuit imprimé et contribue à réduire la température de fonctionnement des composants environnants.

2. Avantage en termes de performances thermiques de la dissipation de chaleur supérieure

Contrairement aux MOSFET CMS traditionnels, le boîtier de dissipation thermique supérieur permet de connecter directement le dissipateur thermique au cadre de connexion du composant. Grâce à leur conductivité thermique élevée, les dissipateurs thermiques sont généralement fabriqués à partir de métaux. Par exemple, la plupart des dissipateurs sont en aluminium, dont la conductivité thermique se situe entre 100 et 210 W/mK. Comparée à la méthode classique de dissipation thermique via le circuit imprimé, cette méthode, utilisant des matériaux à haute conductivité thermique, réduit considérablement la résistance thermique. La conductivité thermique et la taille des matériaux sont des facteurs déterminants de la résistance thermique. Plus la résistance thermique est faible, meilleure est la réponse thermique.

Rθ = résistance thermique absolue

ΔX = épaisseur du matériau parallèle au flux de chaleur

A = aire de la section transversale perpendiculaire au flux de chaleur

K = conductivité thermique

Outre l'amélioration de la conductivité thermique, les dissipateurs thermiques offrent une masse thermique plus importante, ce qui contribue à éviter la saturation ou à obtenir une constante de temps thermique plus élevée. Ceci est dû à la possibilité de modifier la taille du radiateur supérieur. Pour une même quantité d'énergie thermique fournie, la masse thermique, ou capacité thermique, est directement proportionnelle à la variation de température.

Cth = capacité thermique, J/K

Q = Énergie thermique, J

ΔT = variation de température, K

Les circuits imprimés présentent souvent des agencements variés, et une faible épaisseur de la feuille de cuivre peut entraîner une masse thermique réduite (capacité thermique) et une mauvaise dissipation de la chaleur. Tous ces facteurs empêchent les MOSFET CMS standard d'atteindre une réponse thermique optimale en fonctionnement. En théorie, le boîtier à dissipation thermique supérieure présente l'avantage de dissiper directement la chaleur grâce à une masse thermique et une conductivité thermique élevées, ce qui améliore sa réponse thermique (Zth (°C/W)). À une certaine augmentation de la température de jonction, cette meilleure réponse thermique permet de supporter une puissance d'entrée plus élevée. Ainsi, pour une même puce MOSFET, les puces avec un boîtier à dissipation thermique supérieure présentent des capacités de courant et de puissance supérieures à celles des puces avec un boîtier CMS standard.

Figure 3 Les voies de dissipation de chaleur du boîtier de dissipation thermique supérieur (en haut) et du boîtier SO8FL (en bas)

3. Dispositif expérimental pour la comparaison des performances thermiques

Afin de démontrer et de valider les avantages en termes de performances thermiques d'une dissipation de chaleur par le haut, nous avons réalisé des tests comparant l'élévation de température et la réponse thermique des puces TCPAK57 et SO8FL dans les mêmes conditions thermiques. Pour garantir l'efficacité du test, les deux dispositifs ont été testés dans les mêmes conditions électriques et thermiques. La différence réside dans l'emplacement du dissipateur thermique : celui du TCPAK57 est installé au-dessus du dispositif, tandis que celui du SO8FL est installé en dessous du circuit imprimé, directement sous la zone du MOSFET (Figure 3). Cette configuration reproduit les conditions d'utilisation réelles du dispositif. Au cours des tests, différentes épaisseurs de matériaux d'interface thermique (TIM) ont également été utilisées afin de déterminer quel boîtier pouvait être optimisé en fonction des différentes conditions thermiques. Le protocole de test est le suivant : un courant fixe (donc une puissance fixe) est appliqué aux deux dispositifs, puis la variation de température de jonction est mesurée afin de déterminer le dispositif le plus performant.

4. Sélection du composant et conception du circuit imprimé

Concernant le choix des composants, les MOSFET de chaque boîtier présentent la même taille de puce et utilisent la même technologie. Ceci garantit une consommation d'énergie identique pour chaque composant à un courant donné et une réponse thermique homogène au niveau du boîtier. Ainsi, nous pouvons être certains que les différences de réponse thermique mesurées sont dues aux différences de boîtier. C'est pourquoi nous avons opté pour les boîtiers TCPAK57 et SO8FL. Ils utilisent des conceptions de fixation et de grille légèrement différentes : l'un avec des broches (TCPAK57) et l'autre sans (SO8FL). Il convient de noter que ces différences sont minimes et n'auront pas d'impact significatif sur la réponse thermique en régime permanent ; elles peuvent donc être négligées. Les composants sélectionnés sont les suivants :

NVMFS5C410N SO8FL

NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

Afin de garantir l'équivalence des autres limites thermiques, nous avons conçu deux circuits imprimés identiques pour accueillir les boîtiers SO8FL et TCPAK57. Chaque circuit imprimé est composé de quatre couches de cuivre d'une épaisseur de 1 once et mesure 122 mm x 7 mm. Le circuit imprimé SO8FL ne comporte pas de vias thermiques reliant la pastille de drainage aux autres couches conductrices (ce qui nuit à la dissipation thermique) ; dans ce contexte comparatif, il représente le scénario de dissipation thermique le plus défavorable.

Figure 5 Chaque couche du PCB (La couche 1 est affichée dans le coin supérieur gauche, la couche 2 est affichée dans le coin supérieur droit, la couche 3 est affichée dans le coin inférieur gauche et la couche 4 est affichée dans le coin inférieur droit)

5. Radiateurs et matériaux d'interface thermique (TIM)

Le dissipateur thermique utilisé lors des tests est en aluminium et conçu spécifiquement pour être installé sur le circuit imprimé. Ce dissipateur de 107 mm × 144 mm est refroidi par liquide et sa zone de dissipation thermique de 35 mm × 38 mm est située directement sous le MOSFET. Le liquide circulant dans le radiateur est de l'eau, un fluide de refroidissement couramment utilisé dans les applications industrielles. Pour tous les tests, le débit est fixé à 0,5 gpm. L'eau contribue à la dissipation de la chaleur en transférant la chaleur du radiateur vers le circuit d'alimentation en eau, ce qui permet de réduire la température du composant.

Figure 6 Paramètres de l'application

Afin d'améliorer la dissipation thermique à l'interface des MOSFET, il est recommandé d'utiliser des matériaux de remplissage d'interface thermique. Ces matériaux permettent de combler les éventuels défauts de surface. L'air, mauvais conducteur thermique, augmente la résistance thermique dès qu'un interstice se forme. Le matériau d'interface thermique (TIM) utilisé pour les tests est le mastic Bergquist 4500CVO, d'une conductivité thermique de 4,5 W/mK. Différentes épaisseurs de ce TIM ont été testées afin d'évaluer la possibilité d'optimiser la réponse thermique. L'épaisseur fixe est obtenue grâce à l'utilisation de joints de précision entre la carte de circuit imprimé et le dissipateur thermique. Les épaisseurs cibles sont comprises entre 200 µm et 700 µm.

6. Circuits de test et méthodes de chauffage/mesure

La configuration de circuit embarquée choisie est un montage en demi-pont, car elle représente une application universelle sur le terrain. La proximité des deux composants reflète fidèlement l'agencement sur site, car un câblage plus court contribue à réduire les effets parasites. En raison du chevauchement thermique entre les composants, cela influencera la réponse thermique.

Pour réaliser un chauffage pertinent à faible intensité, le courant traverse la diode de corps du MOSFET. Afin de garantir ce comportement, court-circuitez les broches grille-source. La réponse thermique d'un composant donné est obtenue en chauffant d'abord le transistor MOSFET demi-pont jusqu'à ce que la température de jonction se stabilise (la température n'augmente plus), puis en mesurant la tension source-drain (Vsd) à l'aide d'une source de signaux de 10 mA pendant le refroidissement. Le temps nécessaire pour atteindre le régime thermique stationnaire lors du chauffage est égal au temps nécessaire pour revenir à un état sans courant. La tension Vsd de la diode de corps étant linéairement proportionnelle à la température de jonction, un rapport constant (mV/°C), déterminé par la caractérisation de chaque composant, permet de la corréler à ΔTj. En divisant ensuite ΔTj pendant toute la période de refroidissement par la consommation électrique à la fin de la phase de chauffage, on obtient la réponse thermique (Zth) du système.

Les mesures des alimentations 2 A et 10 mA, ainsi que de la tension Vsd, sont effectuées par le T3ster. Le T3ster est un appareil de test commercial conçu spécifiquement pour la surveillance de la réponse thermique. Il utilise la méthode décrite précédemment pour calculer cette réponse.

Figure 7 Schéma du circuit

7. Résultats comparatifs populaires

Mesurer les résultats de la réponse thermique de chaque appareil dans deux conditions :

TIM de 200 μm

TIM de 700 μm

Ces deux mesures visent à déterminer, au sein d'un système contrôlé donné, quel type de boîtier présente la meilleure réponse thermique et quel dispositif peut voir sa réponse thermique optimisée par des méthodes de dissipation thermique externe. Il convient de noter que ces résultats ne sont pas généralisables à toutes les applications, mais spécifiques aux limites thermiques mentionnées.

Comparaison de l'encapsulation utilisant une couche TIM de 200 μm installée sur le dissipateur thermique.

Pour le premier test, chaque composant est installé sur un dissipateur thermique refroidi par eau, recouvert d'une couche d'interface thermique (TIM) de 200 μm. Chaque composant reçoit une impulsion de 2 A jusqu'à stabilisation. T3ster surveille la tension Vsd pendant la dissipation thermique et la corrèle inversement à la courbe de réponse thermique du système. La valeur de la réponse thermique en régime permanent du dissipateur supérieur est d'environ 4,13 °C/W, tandis que celle du SO8FL est d'environ 25,27 °C/W. Cette différence significative est conforme aux résultats attendus, car le dissipateur supérieur est directement monté sur un matériau à haute conductivité thermique et à grande capacité thermique, assurant ainsi une bonne dissipation de la chaleur. Pour le SO8FL, en raison de la faible conductivité thermique du circuit imprimé, l'effet de dissipation thermique est négligeable.

Pour mieux comprendre comment exploiter ces avantages dans les applications, la valeur de la réponse thermique peut être liée à la puissance admissible par chaque dispositif. La puissance nécessaire pour augmenter la température de jonction (Tj) d'une température du fluide de refroidissement de 23 °C à une température de fonctionnement maximale de 175 °C est calculée comme suit :

Remarque : Cette différence de puissance est normale pour ce système thermique spécifique.

Dans ce système thermique, l'unité de dissipation thermique supérieure peut gérer six fois la puissance de sortie du SO8FL. Sur site, elle offre plusieurs possibilités d'utilisation. Voici quelques-uns de ses avantages :

Lorsque le courant requis est constant, grâce à une capacité de puissance accrue, un dissipateur thermique plus petit peut être utilisé qu'avec un boîtier SO8FL. Cela peut engendrer des économies.

Pour les applications d'alimentation à découpage, la fréquence de commutation peut être augmentée tout en conservant une marge thermique similaire.

Peut être utilisé pour des applications de puissance supérieure qui n'étaient initialement pas adaptées au SO8FL.

Lorsque la taille de la puce est constante, le dissipateur thermique supérieur aura une marge de sécurité plus élevée que le SO8FL et fonctionnera à une température plus basse pour une demande de courant donnée.

Figure 8 Courbe de réponse thermique avec une couche d'interface thermique (TIM) de 200 μm

Figure 9 Courbe de variation de température avec une couche TIM de 200 μm

     

Comparaison de l'encapsulation utilisant une couche TIM de 700 μm installée sur le dissipateur thermique.

Un autre test a été réalisé avec une couche d'interface thermique (TIM) de 700 μm d'épaisseur. L'objectif était de comparer les variations de réponse thermique avec un test réalisé avec une TIM de 200 μm afin de vérifier l'impact des méthodes de dissipation thermique externe sur chaque boîtier. Ce test a donné les résultats suivants : la résistance thermique du dissipateur supérieur était de 6,51 °C/W et celle du SO8FL de 25,57 °C/W. Pour la dissipation thermique supérieure, la différence entre les deux TIM est de 2,38 °C/W, tandis que celle du SO8FL est de 0,3 °C/W. Cela signifie que la méthode de dissipation thermique externe a un impact significatif sur les dissipateurs supérieurs, mais peu d'effet sur le SO8FL. Ce résultat est conforme aux attentes, car la réponse thermique du dissipateur supérieur dépend principalement de la résistance thermique de la couche de TIM. Comparée aux dissipateurs thermiques, la TIM présente une conductivité thermique plus faible. Par conséquent, l'augmentation de l'épaisseur entraîne une augmentation de la résistance thermique, et donc une valeur de Rth plus élevée.

Le changement d'épaisseur de la pâte thermique SO8FL se produit entre la carte de circuit imprimé et le dissipateur thermique. La chaleur émise par ses composants doit se propager à travers la carte pour atteindre la pâte thermique et le dissipateur ; par conséquent, la variation d'épaisseur a peu d'influence sur la résistance thermique du chemin de dissipation principal. Ainsi, la variation de la réponse thermique est très faible.

Les variations de réponse thermique dues aux variations d'épaisseur de la couche d'interface thermique (TIM) démontrent l'avantage global d'un boîtier à dissipation thermique supérieure. Le TCPAK57 possède un cadre de connexion exposé sur le dessus, permettant un meilleur contrôle de la résistance thermique du circuit de refroidissement. Pour certaines applications et méthodes de dissipation thermique, cette caractéristique peut être exploitée pour optimiser la réponse thermique. Il en résulte une gestion de l'énergie plus maîtrisable et plus performante. Les composants SO8FL et CMS similaires dissipent difficilement la chaleur à travers le circuit imprimé sur lequel ils sont montés, en fonction des caractéristiques de ce dernier. Ce facteur est incontrôlable, car de nombreuses autres variables doivent être prises en compte lors de la conception d'un circuit imprimé, outre la dissipation thermique.

Figure 10 Courbe de variation de température avec une couche TIM de 700 μm

Figure 11 Courbe de variation de température avec une couche TIM de 700 μm

8. Résumé des points clés

Le dissipateur thermique supérieur permet d'éviter la dissipation de chaleur à travers le circuit imprimé, de raccourcir le trajet thermique entre la puce et le dissipateur, et ainsi de réduire la résistance thermique du composant. La résistance thermique est directement liée aux caractéristiques des dissipateurs et des matériaux d'interface thermique. Une faible résistance thermique offre de nombreux avantages d'application, tels que :

Lorsque le courant requis est constant, la capacité de puissance accrue permet d'utiliser des dissipateurs thermiques supérieurs plus petits que les composants CMS standard. Cela peut également engendrer des économies.

Pour les applications d'alimentation à découpage, la fréquence de commutation peut être augmentée tout en conservant une marge thermique similaire.

Peut être utilisé pour des applications de puissance supérieure où les composants CMS standard ne conviennent pas.

Lorsque la taille de la puce est constante, le dissipateur thermique supérieur aura une marge de sécurité plus élevée que les dispositifs CMS équivalents et fonctionnera à une température plus basse pour une demande de courant donnée.

Optimisation accrue de la réponse thermique. Ceci est obtenu en modifiant le matériau et/ou l'épaisseur de l'interface thermique. Plus l'interface est fine et/ou plus sa conductivité thermique est élevée, plus la réponse thermique est faible. La réponse thermique peut également être modifiée en changeant les caractéristiques du dissipateur thermique. Le dissipateur thermique supérieur réduit la propagation de la chaleur à travers le circuit imprimé, limitant ainsi le chevauchement thermique entre les composants. Ce dissipateur thermique supérieur élimine le besoin de connecter un dissipateur thermique à l'arrière du circuit imprimé, permettant une disposition plus compacte des composants.