Андрей 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, |
Vgs max, |
RDS(on) max 10 В, |
ID @ TA=25°C, |
Qg Typ, |
Qgd Typ, |
|
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.
