Kompakte Powerdioden für Kfz-Steuergeräte CFP-Gehäuse sorgen für effektive Leistungshalbleiter-Entwärmung

Kleiner, leistungsfähiger und zuverlässiger: Diese Forderungen an Kfz-Steuergeräte decken sich mit denen aus fast allen Märkten für elektronische Produkte. Erfüllen lassen sie sich mit neuen, effizienten Gehäusen für Leistungshalbleiter, die bei drastisch reduziertem Platzbedarf gleichzeitig eine bessere Kühlung ermöglichen.

In heutigen Automobilen sorgt ein ungeahnter Grad an Elektrifizierung für Komfort und Sicherheit, fortschrittliche Fahrerassistenz- und automatisierte Fahrsysteme sowie nicht zuletzt für den Antrieb in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Zu Beginn dieses Trends beschränkte sich Elektrifizierung zunächst auf bestimmte Fahrzeugfunktionen – hier war eine lokale Steuerung, also ein domänenbasierter Ansatz, durchaus sinnvoll.

Doch mit der steigenden Zahl an Funktionen wuchs die benötigte Anzahl der Steuergeräte und damit die Komplexität stark an, sodass einige Fahrzeuge mit über 100 solcher Module in einer verteilten Architektur ausgestattet waren (Bild 2 links). Alle mussten irgendwo in der Fahrzeugstruktur untergebracht werden – und dies bei bereits spärlichen Platzverhältnissen. Dazu kam die komplexe Verkabelung, was weder bei der Gewichtseinsparung noch der Verbesserung der Zuverlässigkeit half.

Als Reaktion darauf wird heute der zunehmende Funktionsumfang von Fahrzeugen in speziellen Steuergeräten gebündelt. Diese zonenbasierte Architektur ermöglicht es, die Anzahl der Steuergeräte zu reduzieren und die Verkabelung zu vereinfachen (Bild 2 rechts). Diese statische Architektur kann eine Kostenreduzierung bedeuten – doch wie bei jeder technischen Herausforderung gilt auch hier: Wer in einem Bereich gewinnt, muss in einem anderen zurückstecken. So kann das Konsolidieren mehrerer unterschiedlicher Funktionen in einer geringeren Anzahl von Steuergeräten dazu führen, dass diese Einheiten übermäßig groß, schwer und leistungshungrig werden.

Leistungshalbleiter in der Fahrzeuginfrastruktur

Ingenieure und Entwickler begegnen dieser Herausforderung bereits mit den altbewährten Techniken der Elektronikindustrie: verstärkte Halbleiterintegration und komplexere, mehrschichtige Substrate, die engere Abstände zwischen den Bauteilen und damit kleinere Leiterplattengrößen und kleinere Gehäuseabmessungen ermöglichen.

Mit all diesen zusätzlichen Schaltkreisen auf der Platine steigt jedoch auch der Leistungsbedarf jedes Steuergeräts. Um dem Platzmangel zu begegnen, müssen Stromversorgungsschaltungen kleiner werden und gleichzeitig mehr Leistung aufnehmen. Diese höhere Leistungsdichte erfordert auch eine erhöhte Wärmeableitung, um Überhitzung und einen Ausfall des Steuergeräts zu verhindern.

In anderen Branchen haben Entwickler neue Topologien für die Leistungsumwandlung schnell eingeführt, die mittels Techniken wie synchrone Gleichrichtung und Nullspannungsschaltung den Wirkungsgrad erhöhen und die Verlustleistung verringern. Für die Automobilbranche sind jedoch die Faktoren Kosten, Zuverlässigkeit und Robustheit vorranging. Deshalb setzen Entwickler hier eher auf konservative, bewährte Topologien wie asynchrone Abwärts-, Aufwärts- und SEPIC-Wandler. Während also der Druck auf die Leistungsdichte die Komponentenhersteller zur Entwicklung von Gehäusen mit kleinerer Grundfläche zwingt, müssen die Komponenten weiter die gleiche Menge an Wärme ableiten.

Seit vielen Produktgenerationen verlassen sich Entwickler auf etablierte Gehäuse wie SOT23 und SMx (SMA, SMB, SMC) – diese halten aber mit den sich rasch entwickelnden Anforderungen nicht immer mit. Es zeichnet sich mehr und mehr ab, dass Innovation auch bei Halbleitergehäusen für Transistoren und Dioden benötigt wird. Diese neuen Gehäuse müssen sowohl platzsparend als auch extrem wärmeeffizient sein.

Innovation unter der Haube

Durchsetzen müssen sich die modernen Gehäuse jedoch gegen etablierte Lösungen wie das SOT23-Gehäuse, eines der quer durch alle Branchen beliebtesten oberflächenmontierbaren Gehäuse für Transistoren und Dioden. Dieses Gehäuse, bei dem der Chip an einem Leadframe befestigt ist (oft direkt am Source-Anschluss), während die Gate- und Drain-Anschlüsse mit Bonddrähten verbunden sind, bietet ein paar verbesserungswürdige Punkte.

DFN-Bauteile (discrete flat no-leads) hingegen haben – wie der Name schon sagt – keine herausgeführten Anschluss-Pins. Stattdessen verfügen sie über eine Doppelreihe von Anschlüssen auf der Unterseite, die eng beieinander liegen und somit kürzere Bonddrähte ermöglichen (Bild 3). Diese kürzeren Bonddrähte verbessern auch die elektrische Leistung, indem sie die Gehäuseinduktivität, den elektrischen Widerstand des Gehäuses ohne Die (Die-Free Package Resistance, DFPR) sowie den thermischen Widerstand verringern. Denn im etablierten SOT23-Gehäuse muss die intern erzeugte Wärme durch die mit dem Chip verbundene Schicht zum Leadframe und entlang der Source-Leitung wandern, bis sie das Substrat erreicht. Im Gegensatz dazu leitet das modernere DFN die Wärme vom Chip direkt nach unten zum Source-Pad auf der Gehäuseunterseite – ein viel kürzerer Weg, der eine effizientere Wärmeabfuhr gewährleistet (Bild 4).

Der Clip macht den Unterschied

Entwickler von Leistungsschaltungen suchen auch bei Leistungsdioden nach einer verbesserten Wärmeableitung, da diese bei Schaltvorgängen einen erheblichen Strom führen können. Die SMx-Gehäuse, viele Jahre lang die erste Wahl der Entwickler, weichen nun neueren Lösungen wie den Clip-bonded FlatPower (CFP) Gehäusen. Diese CFP-Gehäuse sparen bis zu 75 Prozent der Leiterplattenfläche im Vergleich zu SMx-Gehäusen ähnlicher Größe und können die gleiche oder sogar mehr Leistung bewältigen (Bild 5). Ausgedrückt in W/cm² bedeutet dies eine erhebliche Steigerung der möglichen Verlustleistungsabfuhr.

Ein Großteil der mit CFP-Gehäusen erzielten Leistungsverbesserung ist auf die Kupfer-Clip-Technologie zurückzuführen, die Nexperia als Alternative zum herkömmlichen Drahtbonden entwickelt hat. Diese Technologie kam vor mehr als 20 Jahren mit der Einführung des LFPAK-Gehäuses (Loss-Free PAcKage) auf den Markt. Der Schlüssel ist der Kupfer-Clip, der die Bonddrähte ersetzt (Bild 1). Dieser ist an der Source-Metallisierung auf der Oberseite des Chips befestigt und senkt sowohl den Wärmewiderstand zwischen Chip und Umgebung als auch den elektrischen Einschaltwiderstand (RDS(on)) des Bauteils. Dies erlaubt zudem die Kühlung sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite des Chips.

CFP ist die Zukunft

Gehäuse mit kleinerer Grundfläche bei zugleich hoher thermischer Effizienz sind heute in allen Automobilanwendungen sehr gefragt – sei es bei LED-Beleuchtungssystemen, Traktionswechselrichtern, dem Batteriemanagementsystem (BMS) oder dem Hochleistungs-Onboard-Charger. Beim Halbleiterhersteller Nexperia ist man überzeugt, dass CFP in Zukunft das bevorzugte Gehäuse für Leistungsdioden sein wird, so wie DFN für Kleinsignaldioden und -transistoren. Dieser Übergang ist in vollem Gange, daher investiert Nexperia bereits in den Ausbau der entsprechenden Fertigungskapazitäten.

Und es gibt weitere Gründe für die kompakten Gehäuse. So erfordert die zunehmende Rechenleistung in einem modernen Auto auch Mikrocontroller mit vielen Pins, die sich nur mit viellagigen Leiterplatten ordnungsgemäß verdrahten lassen. Aufgrund der hohen Kosten dieser Leiterplatten ist die Verwendung von Gehäusen mit kleinerer Grundfläche bei gleicher elektrischer Leistung durchaus lohnenswert – denn die geringeren Systemkosten rechtfertigen die Verwendung von CFP- und DFN-Gehäusen, selbst wenn eine kleinere Gehäuselösung mit höheren Bauteilkosten verbunden ist.

In vielen Fällen ergeben sich durch die kleineren Gehäuse jedoch direkt geringere Teilekosten. Diese Gehäuse lassen sich auf modernen Fertigungslinien kostengünstiger herstellen, da die Gehäusekosten mit der Gehäusegröße skalieren. Nexperia sieht, dass CFP-Gehäuse die traditionellen Gehäuseformen wie SMx, DPAK und TOx in Bezug auf die Produktionskosten bereits unterbieten, und sagt voraus, dass dies auch bei DFN-Gehäusen der Fall sein wird.

Die unaufhaltsam wachsende Nachfrage nach moderner Automobil- und Industrieanwendungen führt bereits jetzt zu einem Trend auf dem Bauelementemarkt, der sich auf Preis und Verfügbarkeit auswirkt. Bald dürfte der Bedarf die Kapazität und Verfügbarkeit der „alten“ Gehäuse wie SMA, SMB und SMC übersteigen. Spätestens dann werden Entwickler die leistungsfähigere Alternative wählen müssen, wenn sie ihre Produkte zukunftssicher machen wollen.

Fazit

Nexperia investiert weiterhin stark in den Ausbau seiner Kapazitäten, um der wachsenden Marktnachfrage nach Produkten im CFP- und DFN-Gehäuse gerecht zu werden, insbesondere in der Automobilindustrie und bei industriellen Anwendungen. Indem das Unternehmen mehrere Versionen dieser Bauelemente auf den Markt bringt, unterstreicht es sein Engagement für erweiterte Fertigungskapazitäten und den beschleunigten Übergang zu kleineren, thermisch optimierten Gehäusen. (cg)

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* Frank Matschullat ist Leiter der Produktgruppe Power Bipolar Discretes bei Nexperia.

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