Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2010 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2010 год.Преимущества транзисторов в корпусах DirectFETАндрей Никитин (г. Минск) Большой объем исследований в области корпусирования мощных полупроводниковых приборов ведется компанией International Rectifier, которая в настоящее время выпускает лучшие в отрасли по соотношению ╚цена-качество╩ MOSFET-транзисторы. В статье рассматривается технология корпусирования DirectFET, которая обеспечивает рекордную для отрасли эффективность корпуса транзисторов.

В настоящее время MOSFET-транзисторы являются одними из самых широко применяемых силовых приборов. Они используются в системах электропитания серверов, рабочих станций и универсальных ЭВМ (в качестве силовых коммутирующих элементов синхронных понижающих преобразователей), блоках питания ноутбуков, в шинных преобразователях телекоммуникационного оборудования и систем передачи данных, в электроприводах различного назначения, в аудиотехнике (силовые каскады усилителей класса D).

Условия жесткой конкурентной борьбы требуют от конструкторов, с одной стороны, обеспечить высокую эффективность разрабатываемых изделий, с другой - минимально возможные энергопотребление и габариты, и при этом - максимально снизить себестоимость конечных изделий. Силовые ключи, основная ниша использования MOSFET-транзисторов, безусловно - весьма чувствительная к названным факторам часть изделия.

Изначально основные усилия разработчиков мощных MOSFET-транзисторов были направлены на совершенствование структуры ячеек, повышение плотности их упаковки, оптимизацию технологических процессов с тем, чтобы:

Минимизировать значение сопротивления открытого канала транзистора RDS(ON), поскольку этот параметр непосредственно влияет на количество энергии, уходящей в рассеиваемое прибором тепло;Минимизировать значение заряда затвора QG, поскольку этот фактор определяет максимальную частоту коммутации ключа (и, как следствие, его эффективность).

Эти усилия привели к ощутимым положительным результатам. Однако в какой-то момент стал очевиден следующий факт - вклад конструкции корпуса (сопротивление выводов, адгезивных материалов, используемых для присоединения кристалла к основанию корпуса, золотых проволочных соединений) в сопротивление RDS(ON) оказывается сопоставимым с вкладом кремния. Кроме того, выводы и герметики стандартных корпусов, таких как TSSOP и SOIC, приводят к увеличению площади, объема и массы транзистора. Поэтому сегодня значительные усилия разработчиков направлены именно на совершенствование корпусов MOSFET-транзисторов.

Высокая эффективность корпуса обеспечивается рядом параметров: малым активным сопротивлением выводов, малым температурным сопротивлением, низким уровнем паразитных факторов. Сюда надо добавить следующие факторы: максимальную площадь теплового и электрического контакта с печатной платой, удобную топологию выводов (для параллельного соединения транзисторов) и, конечно, минимальные габариты корпуса.

До определенного времени работы по повышению эффективности корпусов мощных MOSFET-транзисторов шли в двух направлениях:

Разработка различных вариантов корпусов на базе корпуса SO-8;Разработка вариантов приборов с многорядным расположением шариковых контактов в корпусах типа BGA или бескорпусных FlipChip.

Однако к кардинальным изменениям в повышении эффективности корпусов эти направления не привели. И только предложенная компанией International Rectifier технология DirectFET обеспечила прорыв на пути достижения рекордно высоких показателей эффективности корпуса. На рисунке 1 представлена структура MOSFET-транзистора в корпусе DirectFET.

 

 

Рис. 1. Структура транзистора в корпусе DirectFET

На рисунке 2 приведен внешний вид и модификации корпусов DirectFET. В этой технологии используется специфический кристалл транзистора с двусторонним расположением выводов: площадка затвора и, как правило, несколько площадок истока с одной стороны и сток - с другой. Соединение стока с печатной платой обеспечивается с помощью медной крышки-зажима, на которой и размещен кристалл транзистора. В зависимости от размеров крышки существуют три группы корпусов: small (малые), medium (средние) и large (большие). В каждой из групп существуют различные модификации в зависимости от размера кристалла, позиционирования на крышке и числа контактных площадок. Маркировка, размеры, расположение выводов и рекомендуемая топология печатной платы приведены в [1].

 

 

Рис. 2. Внешний вид и модификации корпусов DirectFET

В корпусах DirectFET отсутствует разварка кристалла (соединение проводниками площадок транзистора с внешними выводами). Основными преимуществами DirectFET являются:

Оптимальные размеры корпуса;Ультранизкое электрическое сопротивление выводов;Низкое температурное сопротивление, высокая рассеивающая способность корпуса;Низкая паразитная индуктивность корпуса.

Оптимальные размеры корпуса. Начнем с «малой группы». По площади корпус DirectFET «S» сравним с TSSOP-8, но за счет низкого профиля объем меньше на 44%. По сравнению с SO-8 площадь меньше на 40%. «Средняя» группа по площади сравнима с SO-8, но объем меньше на 60%. По сравнению с D-Pak площадь меньше на 54%. «Большая» группа: по площади выигрыш у D-Pak - 10%, у D2Pak - 63%. Для всех групп минимальная высота равна 0,7 мм.

Электрическое сопротивление выводов. В транзисторах DirectFET электрический ток протекает по кратчайшему расстоянию  - через кристалл и крышку корпуса, что иллюстрируется рисунком 3. У транзисторов в корпусах SO-8, D-Pak и их разновидностях ток, кроме того, протекает через проводники разварки кристалла и выводы корпуса.

 

 

Рис. 3. Сравнение электрического сопротивления выводов для различных корпусов транзисторов

Электрическое сопротивление корпуса DirectFET менее 0,1 мОм, что более чем в 14 раз ниже, чем у классического корпуса SO-8. По сравнению с другими корпусами - выигрыш в 3,5...12 раз. Отметим, что у DirectFET сопротивление выводов гораздо ниже электрического сопротивления открытого канала RDS(ON).

Низкое температурное сопротивление. У транзисторов в пластмассовых корпусах отвод тепла от кристалла осуществляется только через выводы корпуса. Так, для корпусов SO-8 температурное сопротивление между кристаллом и печатной платой составляет 20°С/Вт. Для корпусов DirectFET аналогичный параметр составляет 1°С/Вт, поскольку площадь отвода тепла существенно выше. Аналогично, температурное сопротивление между кристаллом и верхней поверхностью корпуса для SO-8 составляет 55°С/Вт, а для DirectFET 3°С/Вт. Уже только из этих соображений температура корпуса DirectFET работающего транзистора может быть ниже (вплоть до разницы в 50°С), чем у корпуса SO-8. Рисунок 4 иллюстрирует возможности отвода тепла с корпусов DirectFET: обдувом, радиатором и теплопроводящей пленкой.

 

 

Рис. 4. Способы отвода тепла с корпусов DirectFET

Низкая паразитная индуктивность корпуса. Из-за отсутствия проводников разварки кристалла корпуса DirectFET имеют самую низкую среди корпусов паразитную индуктивность. Она не превышает 5 нГн на частотах до 5 МГц, что втрое ниже, чем у корпуса SO-8, в пять раз ниже, чем у корпуса D-Pak и в 10 раз ниже, чем у D2Pak. Низкая паразитная индуктивность обеспечивает высокое качество переходных процессов в режимах переключения транзистора и возможность работы на высоких частотах ШИМ. На рисунке 5 представлены осциллограммы, иллюстрирующие влияние паразитной индуктивности на качество переходных процессов для корпусов DirectFET и SO-8.

 

 

Рис. 5. Влияние паразитной индуктивности на качество переходных процессов

Ультранизкое сопротивление открытого канала и низкий заряд затвора обеспечивают достижение КПД преобразования выше 90% в одно- и многофазных DC/DC-конверторах, применяемых в компьютерной технике.

Удобство монтажа на печатную плату. Монтаж корпусов DirectFET на печатную плату иллюстрируется рисунком 6. В отличие от разработанных ранее типов корпусов для поверхностного монтажа взаимное расположение выводов DirectFET позволяет выполнить конструкцию проводников на печатной плате в виде трех параллельных шин, на которые удобно монтируются корпуса при параллельном соединении.

 

 

Рис. 6. Монтаж корпусов DirectFET на печатную плату

Достаточные (для всех модификаций) размеры контактных площадок истока, стока и затвора, расстояния между ними и допуска на посадку дают возможность использовать все материалы и технологии производства и монтажа печатных плат. За счет большой площади контакта и взаимного расположения контактных площадок достигается высокая механическая прочность соединения корпуса с платой, улучшенная электрическая и тепловая проводимость с корпуса на плату.

Номенклатура изделий. Номенклатура транзисторов в корпусах DirectFET перекрывает диапазон напряжений 20...200 В. Это позволяет применять их в преобразовательных устройствах со всеми номиналами напряжения батарейного питания и напряжений телекоммуникационных шин. Параметры транзисторов DirectFET представлены в таблице 1.

Таблица 1. MOSFET-транзисторы в корпусах DirectFET   Модель Корпус VDS, В Vgs max, В RDS(on) max 10 В, mOhms ID @ TA=25°C, A Qg Typ, nC Qgd Typ, nC IRF6714M DirectFET MX 25 20 2,1 29,0 29,0 8,3 IRF6716M DirectFET MX 25 20 1,6 39,0 39,0 12,0 IRF6711S DirectFET SQ 25 20 3,8 19,0 13,0 4,4 IRF6674 DirectFET MZ 60 20 11,0 13,4 24,0 8,3 IRF7779L2 DirectFET L8 150 20 11,0 11,0 97,0 33,0 IRF7759L2 DirectFET L8 75 20 2,3 26,0 200,0 62,0 IRF7749L2 DirectFET L8 60 20 1,5 33,0 200,0 71,0 IRF6775M DirectFET MZ 150 20 56,0 4,9 25,0 6,6 IRF6795M DirectFET MX 25 20 1,8 32,0 35,0 10,0 IRF6645 DirectFET SJ 100 20 35,0 5,7 14,0 4,8 IRF6785 DirectFET MZ 200 20 100,0 3,4 26,0 6,9 IRF6712S DirectFET SQ 25 20 4,9 17,0 13,0 4,4 IRF7665S2 DirectFET SB 100 20 62,0 4,1 8,3 3,2 IRF6722S DirectFET ST 30 20 7,7 13,0 11,0 4,1 IRF7769L2 DirectFET L8 100 20 3,5 20,0 200,0 110,0 IRF6722M DirectFET MP 30 20 7,7 13,0 11,0 4,3 IRF6643 DirectFET MZ 150 20 34,5 6,2 39,0 11,0 IRF6721S DirectFET SQ 30 20 7,3 14,0 11,0 3,7 IRF6718L2 DirectFET L2 25 20 0,70 61,0   64,0 IRF6646 DirectFET MN 80 20 9,5 12,0 36,0 12,0 IRF6616 DirectFET MX 40 20 5,0 19,0 29,0 9,4 IRF6613 DirectFET MT 40 20 3,4 23,0 42,0 12,7 IRF6691 DirectFET MT 20 12 1,8 32,0 47,0 15,0 IRF6668 DirectFET MZ 80 20 15,0   22,0 7,8 IRF6797M DirectFET MX 25 20 1,4 36,0 45,0 13,0 IRF6725M DirectFET MX 30 20 2,2 28,0 36,0 11,0 IRF6648 DirectFET MN 60 20 7,0   36,0 14,0 IRF6715M DirectFET MX 25 20 1,6 34,0 40,0 12,0 IRF6726M DirectFET MT 30 20 1,7 32,0 51,0 16,0 IRF6710S2 DirectFET S1 25 20 5,9 12,0 8,8 3,0 IRF6709S2 DirectFET S1 25 20 7,8 12,0 8,1 2,8 IRF6798M DirectFET MX 25 20 1,3 37,0 50,0 16,0 IRF6662 DirectFET MZ 100 20 22,0 8,3 22,0 6,8 IRF6717M DirectFET MX 25 20 1,25 38,0 46,0 14,0 IRF7799L2 DirectFET L8 250 30   6,6 110,0 39,0 IRF6729M DirectFET MX 30 20 1,8 31,0 42,0 14,0 IRF7739 DirectFET L8 40 20 1,0 46,0 220,0 81,0 IRF6665 DirectFET SH 100 20 62,0 4,2 8,7 2,8 IRF6727M DirectFET MX 30 20 1,7 32,0 49,0 16,0 IRF6720S2 DirectFET S1 30 20 8,0 11,0 7,9 2,8 IRF6614 DirectFET ST 40 20 8,3 12,7 19,0 6,0 IRF6644 DirectFET MN 100 20 13,0 10,3 35,0 11,5 IRF6655 DirectFET SH 100 20 62,0 4,2 8,7 2,8 IRF6724M DirectFET MX 30 20 2,5 27,0 33,0 10,0 IRF6641 DirectFET MZ 200 20 59,9 4,6 34,0 9,5 IRF6794M DirectFET MX 25 20 3,0 32,0 31,0 11,0 IRF6713S DirectFET SQ 25 20 3,0 22,0 21,0 6,3

Объединив преимущества технологии корпусирования DirectFET и технологии TrenchFET Gen10.59, компания IR приступила к началу производства нового поколения МОП-транзисторов DirectFET-2. Обновление номенклатуры коснулось диапазона напряжений «сток-исток» 25...30 В. Транзисторы нового поколения производятся в тех же корпусах, что позволяет произвести модернизацию и поднять КПД преобразования без изменения печатной платы.

 

Заключение

Многофазные DC/DC-конверторы, применяемые в вычислительной технике, телекоммуникации, управлении приводами стали в последние годы тем объектом, где выясняется подлинная эффективность современных мощных MOSFET-транзисторов. Для их создания привлекаются все новейшие достижения как в технологиях производства кристаллов и корпусирования, так и в схемотехнике. Стремительное приближение потребления (современными устройствами новейших поколений) тока к отметке 100 А непрерывно повышает сложность решаемых задач при проектировании конверторов.

Подведем итоги:

Транзисторы DirectFET совместимы с требованиями RoHs: корпуса не содержат свинца или бромидов;Низкое температурное сопротивление «кристалл-корпус» позволяет обеспечить эффективный теплоотвод с верхней поверхности корпуса;Низкое температурное сопротивление «кристалл-печатная плата» позволяет обеспечить теплоотвод с площади на печатной плате не более чем у корпусов SO-8;Конструктивное исполнение транзисторов позволяет снизить сопротивление контактов на 90% по сравнению с корпусами SO-8;Низкий профиль по высоте (0,7мм) обеспечивает минимальный объем корпуса;Транзисторы обладают низкой индуктивностью корпуса на высоких частотах;Транзисторы совместимы с традиционным технологическим оборудованием и производственными процессами монтажа печатной платы.

Именно эти достоинства технологии корпусирования DirectFET, разработанной и запатентованной компанией International Rectifier, позволяют создавать изделия, в полной мере соответствующие требованиям настоящего времени.

 

Литература

1. DirectFET® Technology Board Mounting Application Note// документ an-1035.pdf компании International Rectifier.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

 

 

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.