In der Leistungselektronik hatte die richtige Kühlung von Bauteilen schon immer Priorität. Einfach ausgedrückt, überhitzen die Bauteile und es kommt zu Fehlfunktionen, wenn nicht alle Wärmeverluste abgeführt werden können. Auf der anderen Seite ist die Vereinfachung der Fertigung ebenfalls ein wichtiger Faktor. SMD-Gehäuse sind gegenüber Durchsteckmontagen im Vorteil, da die SMD-Bestückung sehr einfach ist und der Prozess dadurch wesentlich schneller abläuft. Die endgültige Applikation muss einen Kompromiss zwischen Kühlung und Montage finden und die Gesamtkosten berücksichtigen. SMD-Gehäuse mit Oberseitenkühlung scheinen jedoch den bestmöglichen Kompromiss für dieses Problem darzustellen.

Auch im Inneren des Gehäuses können andere Ansätze verfolgt werden, d. h. die Verwendung von Siliziumkarbid anstelle von Silizium. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Bauteilen mit breiter Bandlücke stark angestiegen, da sie bei Applikationen mit hoher Leistung viele Verluste einsparen können. Geringere Verluste führen zu einer niedrigeren Temperatur der Bauteile bei gleichem Kühlkörper. Berücksichtigt man einen weiteren Vorteil von Siliziumkarbid-MOSFETs, nämlich die höhere Maximaltemperatur, so ist das Ergebnis eindeutig: höhere Leistung auch bei SMD-Gehäusen. Was aber, wenn wir diese beiden Aspekte kombinieren?

Die Motivation für die Oberseitenkühlung liegt auf der Hand, auch wenn wir über das oben Gesagte hinausblicken: Alle Hersteller haben viele Verbesserungen bei den SiC-MOSFETs vorgenommen, warum sollte man sie also durch die Gehäuse einschränken?

Die Lösung von STMicroelectronics heißt HU3PAK – ein von oben gekühltes Gehäuse, das sowohl für Automotive- als auch für Industrieapplikationen geeignet ist und das in Kombination mit ST Gen3 SiC-MOSFETs, etwa dem 750-V-SiC-MOSFET SCT060HU75G3AG, die Automotive-Qualifikationen erfüllt.

Das Gehäuse ist in Abbildung 1 dargestellt und weist einige Ähnlichkeiten mit dem H2PAK auf, einem beliebten SMD-Gehäuse für SiC-MOSFETs. So sind beispielsweise der Abstand der Gate- und Source-Pins sowie die Größe gleich. Der Hauptunterschied ist das Drain-Pad: Im Gegensatz zum H2PAK ist das Drain im HU3PAK auf die Oberseite des Gehäuses gedreht, um direkten Kontakt mit dem Kühlkörper zu erreichen.

Neben allen Ähnlichkeiten gibt es einen weiteren Vorteil: Beim HU3PAK sind die Gate- und Source-Pins gespiegelt. Der Austausch von H2PAK in bestehenden Anwendungen erfordert also nur minimale Änderungen, da sich der Kühlkörper immer noch auf derselben Seite befindet und die einzige Änderung in der Platzierung der MOSFETs besteht.

Fakten, Fakten, Fakten!

Aufgrund dieser Überlegungen haben wir den tatsächlichen Nutzen der Oberseitenkühlung gemessen! Das Ziel war es, den thermischen Widerstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper für beide Gehäuse zu messen und die beste Option zu finden.

Das Setup für H2PAK war keineswegs ungünstig, ganz im Gegenteil: Eine vierlagige Leiterplatte mit 70 µm Kupfer-Beschichtung sorgte für hohe Wärmeleitfähigkeit. Für eine bessere Drain-Kühlung wurden über 170 Durchkontaktierungen verwendet, und die Kühlkörper-Kontaktfläche des rechteckigen Polygons betrug 1000 mm². Für die elektrische Isolierung wurden verschiedene Materialien zur Füllung der thermischen Schnittstellen getestet, was zu einem Rth von 1,6 bis 2,1 K/W zwischen Gehäuse und Kühlkörper führte.

Das HU3PAK-Board war bereits kostengünstiger, da keine Rücksicht auf die Wärmedissipation genommen werden musste, sodass eine einfache zweilagige Leiterplatte verwendet wurde. Natürlich würde die Beschichtung in einer realen Applikation wegen der höheren Ströme wahrscheinlich mindestens 35 µm betragen, aber nicht unbedingt in vier Lagen und schon gar nicht wegen der MOSFET-Gehäuse.

Für den richtigen Kontakt wurde die elektrische Isolierung durch eine dünne Kapton-Folie (70 µm) mit Wärmeleitpaste auf beiden Seiten sichergestellt. Mit diesem einfachen Aufbau wurde ein außerordentlich guter R_th von nur 0,48 K/W erreicht, mehr als dreimal besser als die beste Variante für das H2PAK. Dieses Setup wäre mit dem H2PAK nicht möglich, da dieses Gehäuse das lückenfüllende Wärmeleitmaterial benötigt, weil die Leiterplatte nicht perfekt flach ist.

Auch wenn die dünne Isolierung für H2PAK nicht möglich ist, kann auch der umgekehrte Ansatz verfolgt werden: die Verwendung des lückenfüllenden Materials für HU3PAK. Der thermische Widerstand ist bekanntlich proportional zur Kontaktfläche – und die Leiterplatte mit H2PAK hatte ein großes Kupferpolygon, aber das Pad des HU3PAK hat etwa 110 mm². Der Einfluss der Leiterplatte auf den Wärmepfad ist jedoch erheblich, sodass HU3PAK selbst unter diesen ungünstigen Bedingungen im Durchschnitt um 43 % bessere Ergebnisse als H2PAK erzielte.

Montage des Kühlkörpers

Eine optimale thermische Kopplung mit dem Kühlkörper setzt voraus, dass der Kontakt perfekt sein muss. Das ist zwar logisch, aber nicht so einfach: Die Kräfte auf die Leiterplatte sind nicht zu vernachlässigen, und es wird empfohlen, eine sehr dicke Leiterplatte zu verwenden, um unerwünschte Umwicklungen zu vermeiden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer Gegenplatte, um die Gehäuse direkt auf den Kühlkörper zu drücken. Auf diese Weise werden die meisten Kräfte nicht mehr von der PCB gehalten. Darüber hinaus kann die Gegenplatte bei einem komplexen Leiterplattenlayout ein guter Helfer sein, da wesentlich weniger Verschraubungen durch die Leiterplatte erforderlich sind.

Die beiden oben genannten Optionen – dicke Leiterplatte oder Gegenplatte – zielen auf die besten Ergebnisse ab und schöpfen das volle Potenzial des HU3PAK aus. Natürlich gibt es noch eine einfache Möglichkeit, gute Ergebnisse zu erzielen: das lückenfüllende Material für die Wärmeschnittstelle. Dies ist besonders hilfreich beim Austausch von Gehäusen, bei denen H2PAKs nicht ausreichen oder ein besseres Betriebsverhalten verlangt wird: Aufgrund der Ähnlichkeiten muss nur sehr wenig an der Leiterplatte geändert werden, es sind keine weiteren Schrauben erforderlich, keine dickere Leiterplatte und keine Aussparungen für eine Gegenplatte, und die Ergebnisse mit HU3PAKs sind trotzdem wesentlich besser.

Fazit

Die Motivation für SiC-MOSFETs in oberseitig gekühlten SMD-Gehäusen war von Anfang an klar. Das HU3PAK ist eine Antwort auf die Marktnachfrage, und die Messungen, die mit einem ähnlichen H2PAK-Gehäuse durchgeführt wurden, zeigen seine Vorteile. Neben dem adäquaten thermischen Betriebsverhalten besteht ein großer Vorteil in der Ähnlichkeit mit H2PAK, die einen direkten Austausch von H2PAK zu HU3PAK ermöglicht. In Kombination mit den SiC-MOSFETs der 3. Generation von STMicroelectronics eignet sich dieses Gehäuse für Automotive-Applikationen mit hoher Leistungsfähigkeit wie Ladestationen und On-Board-Ladegeräte.