HU3PAK – SMD pouzdro pro nejlepší přenos tepla!

Úvod

Ve výkonové elektronice bývá chlazení součástek často tou nejvyšší prioritou. Důvod je jednoduchý: jakmile není možné odchladit všechny ztráty, přehřátí a následná porucha jsou nevyhnutelné. Krom tohoto poměrně jasného faktu je zde celá řada faktorů, které je nutné zohlednit – a jedním z nich bývá i způsob osazení součástek. V této rovině v posledních dekádách převálcovaly součástky pro povrchovou montáž (SMD) dříve hojně používané osazení skrz desku (THT). Není to překvapivé, neboť osazovací proces je jednodušší a snáze automatizovatelný. Tento trend je patrný i ve výkonové elektronice, je však nutné najít vhodný kompromis se zmíněným chlazením. Skvělým řešením jsou SMD součástky s chlazením shora, tj. nikoli skrz desku.

Ještě lepší přístup k řešení problému s chlazením je neřešit následky (ztrátové teplo), ale podívat se přímo na příčinu: ztráty. I v tomto má výkonová elektronika za sebou jeden důležitý milník – tím je použití karbidu křemíku (SiC) namísto tradičních křemíkových součástek. Podíváme-li se na tranzistory, ty na SiC bázi mají mnohem nižší jak spínací, tak vodivostní ztráty. A aby to nebylo málo, SiC MOSFETy často mají maximální dovolenou pracovní teplotu vyšší (obvykle 175 °C anebo 200 °C) než ty křemíkové, takže i při stejném ztrátovém výkonu může být chladič menší.

Proto je zde HU3PAK!

Možnost zkombinovat vše dohromady (SiC, SMD a chlazení shora) je opravdu lákavá a asi pro nikoho překvapivá. Nahrává jí ještě jeden fakt: všichni výrobci SiC součástek udělali v posledních letech velký pokrok v jejich zlepšování, tak proč se omezovat starým pouzdrem?

Řešení od firmy STMicroelectronics nese název HU3PAK – SMD součástka chlazená shora jako stvořená pro použití v průmyslu i automotive. Tím jde ruku v ruce s třetí generací SiC MOSFETů od ST, které jsou všechny dostupné i v automotive standardu.

Na obr. 1 je ilustrace HU3PAKu – nejedná se o pouzdro zcela odlišné od všech ostatních, naopak s jedním sdílí pár podobností: se sedmipinovou verzí H2PAKu. Viditelné je to hned na řadě pinů, které mají stejné rozměry a rozteč u obou pouzder. I u MOSFETů v HU3PAKu jsou na ně připojené Gate a Source, rozdíl je pak v Drainu, který je orientován pro lepší chlazení na horní stranu a k DPS je připojen pomocí dvou vystouplých plošek. V této podobnosti se skrývá i jedna výhoda – piny pro Gate a Source jsou sice stejné, avšak zrcadlově převrácené. Díky tomu je přechod z H2PAKu na HU3PAK snadný u stávajících projektů: chladič zůstane na stejné straně, a tak ani návrh desky nevyžaduje velké změny.

Obr. 1  Nákres HU3PAKu

Skvělé parametry ustojí i zkoušku měřením

Zmíněný H2PAK je pro SiC MOSFETy asi nejpoužívanějším SMD pouzdrem. Z toho důvodu padlo rozhodnutí otestovat parametry HU3PAKu právě v porovnání s H2PAKem. Měření bylo zaměřeno na tepelný odpor přechodu z pouzdra na chladič, z hlediska chlazení velmi důležitý parametr.

Celý test opravdu nebyl nikterak nevýhodný pro H2PAK, spíše naopak: čtyřvrstvá deska se zesíleným 70µm plátováním a spoustou prokovů pod chladicím padem pro dobrý odvod tepla, pro jeho rozprostření ještě rozlitá měď do plochy 1000 mm². Mezi deskou a chladičem bylo vyzkoušeno několik materiálů tepelného rozhraní, které dosáhly R_th pouzdro-chladič od 1,6 do 2,1 K/W.

Deska pro HU3PAKy byla mnohem jednodušší, jelikož nesloužila k chlazení, takže kupříkladu zmizela rozlitá měď. Samozřejmě v reálné aplikaci by nejspíš byla také vícevrstvá se silnějším plátováním, ale ne kvůli chlazení HU3PAKů. Pro elektrickou izolaci Drainů byla použita 70µm Kaptonová páska s teplovodivou pastou na každé straně, nic víc nebylo pro kontakt s chladičem potřeba. Tato kombinace dosáhla skvělého R_th pouze 0,48 K/W, více než třikrát lepší výsledek oproti nejlepšímu materiálu pro H2PAK! Značný rozdíl je dán tím, že pro H2PAKy musí materiály tepelného rozhraní umět vyplňovat nerovnosti (anglicky gap-fillers) na desce plošných spojů, použitá Kaptonová páska o stejné tloušťce jako měď na desce by nebyla dostatečná.

Obrácený postup ovšem možný je – použít onen vyplňující materiál i pro HU3PAKy a mít přímé srovnání. Nutno podotknout, že zde byl HU3PAK lehce v nevýhodě: tepelný odpor je úměrný ploše kontaktu, která byla 1000 mm² na desce s H2PAKem, kdežto pad HU3PAKu má zhruba jen 110 mm². Nesmíme zapomínat na efekt DPS v cestě odvádění tepla, takže i v těchto nepříznivých podmínkách dosáhl HU3PAK v průměru o 43 % lepších hodnot než H2PAK.

Montáž k chladiči

Pro dosažení těch nejlepších hodnot tepelného odporu musí být kontakt s chladičem dokonalý. Navzdory logice této úvahy nemusí být řešení tak snadné: mechanické síly působící na DPS nejsou zanedbatelné. Aby se předešlo nechtěnému zkroucení desky a jejímu případnému poničení, je doporučeno zvolit opravdu silnou tloušťku. Alternativou může být protiplech, který přitlačí HU3PAKy k chladiči přímo a tím se zmírní mechanické namáhání DPS na minimum.

Obr. 2  Montáž HU3PAKů s protiplechem

Obě zmíněná řešení mají kontakt s chladičem perfektní a dají tak naplno vyniknout výhodám HU3PAKu. Je zde pak ještě další možnost: použít materiály tepelného rozhraní vyplňující nerovnosti. Toto je poměrně snadné řešení při nahrazování H2PAKů ve starších projektech: není potřeba tlustší DPS, žádný protiplech či další šrouby, a přesto lze dosáhnout mnohem lepších výsledků pouhou změnou pouzdra.

Závěr

Motivace pro použití SMD pouzder s horním chlazením pro SiC MOSFETy byla jasná od samého začátku. HU3PAK je odpověď na tuto potávku a měření oproti H2PAKu ukazují, že výhody nezůstaly jen na papíře. Krom mnohem lepšího odvodu tepla je zde i ona podobnost s H2PAKem: přechod na HU3PAK může být opravdu snadný i ve stávajících projektech. V kombinaci s třetí generací SiC MOSFETů od STMicroelectronics a automotive standardu je HU3PAK jako stvořený pro všechny výkonové aplikace, včetně těch pro elektroauta.