Entwicklung und Vermessung eines thermischen Aufbaukonzepts für SMD-Leistungshalbleiter

Abstract

Aufgrund der zum Teil hohen Verlustleistung ist eine Kühlung der Leistungselektronik erforderlich. Diese erfolgt mittels eines Luftkühlkörpers. Eine Leistungsstufe kann als Leistungsmodul ausgeführt werden oder diskret aufgebaut sein. Für die diskrete Stufe werden Leistungstransistoren benötigt, welche sich in Packages befinden. Somit obliegt die Entwicklung eines Kuhl- und Isolationskonzepts für diskrete Packages dem Leistungsstufen-Hersteller. Im Vergleich zu Leistungsmodulen erfolgt die Entwärmung über eine größere Fläche, was zu einer gleichmäßigeren Kühlkörpertemperatur fuhrt. Ebenso kann die Entwicklung der Leistungselektroniktopologie unabhängig vom Komponentenhersteller erfolgen. In der Literatur sind unterschiedlichste Arten von Kühlkonzepten zu finden. Es gibt zwei Hauptkategorien in Bezug auf die Wärmeabfuhr von Packages. Die Kühlung durch die Leiterplatte (Bottom-Side-Cooling) und jene über das Lead-Frame direkt zum Kühlkörper (Top-Side-Cooling). Die möglichen Kühlungsvarianten wurden gegenübergestellt. Die Varianten Bottom-Side-Cooling mit einer Metallkernleiterplatte sowie Top-Side-Cooling waren dabei besonders interessant. Aufgrund des zu erwartenden niedrigen Wärmewiderstands, der höheren möglichen Leistungsdichte auf der Leiterplatte und des noch zugeschriebenen hohen Entwicklungspotentials wurde Top-Side-Cooling ausgewählt. Für die Laborvermessung wurde eine Messplatine entwickelt. Wichtig für das designte Kühlkonzept sind die Gehäuseformen der Halbleiter. Es wurden QDPAKs in den Varianten des Einzelschalters und der integrierten Halbbrücke ausgewählt. Zwischen Package und Kühlkörper befinden sich ein oder mehrere wärmeleitende Materialien. Von diesen sogenannten Thermal-Interface-Materials (TIMs) wurden 15 verschiedene Vermessungsvarianten ausgesucht. In der Labormessung zeigte sich, dass Wärmewiderstände ähnlich einem Leistungsmodul mit dieser Aufbautechnik erreichbar sind. Die niedrigsten gemessenen Werte liegen bei 1,3 bis 1,5 K W. Auch ein Unterschied in den verschiedenen TIM-Arten ist erkennbar. Die Gap-Filler weisen aufgrund der geringen Übergangswiderstände sowie der Wärmeabfuhr an den Pins und der Leiterplatte Vorteile gegenüber den Gap-Pads auf. Zu beobachten war ebenfalls ein nicht zu vernachlässigender Wärmestrom über die Drain-Pins. Aus diesen gewonnenen Erkenntnissen wurde dann noch ein qualitatives Wärmewiderstandsnetzwerk abgeleitet.

Datum der Bewilligung	2024
Originalsprache	Deutsch (Österreich)
Betreuer/-in	Gernot Grabmair (Betreuer*in)