Carlos Ramirez Ramos, Director de Línea de Productos Discretos de Potencia para Automoción, onsemi
Si bien no se aprecia a primera vista debido al tamaño relativamente grande de los vehículos, el espacio disponible para los equipos electrónicos en los vehículos suele ser bastante pequeño y apretado. El principal motivo es que la mayor parte del espacio disponible se deja para los viajeros en el habitáculo y los sistemas electrónicos se tienen que instalar en el espacio restante.
Esto es lógico pero complica la refrigeración de estos equipos, sobre todo porque los niveles de potencia son elevados en muchas aplicaciones de automoción. De ahí que la industria siga buscando métodos para mejorar la refrigeración y ofrecer una serie de ventajas para los fabricantes de automóviles y los propietarios de vehículos.
En este artículo técnico, onsemi explica cómo las innovaciones en los encapsulados de semiconductores están mejorando enormemente la gestión térmica dentro de las aplicaciones modernas de automoción.
Los vehículos están adoptando la propulsión eléctrica, y muchos sistemas que antes eran mecánicos o hidráulicos se están sustituyendo por actuadores eléctricos, por lo que aumenta de manera significativa la cantidad de conversión de alta potencia en los vehículos modernos. Se están destinando enormes esfuerzos y considerables sumas de dinero a incrementar la eficiencia de estos nuevos sistemas eléctricos, sobre todo para aumentar la autonomía del vehículo.
Una mayor eficiencia supone una gran ventaja para el diseñador del sistema, ya que se reduce de forma significativa la generación de pérdidas por calor. Desde el punto de vista de la gestión térmica, esto significa que las técnicas de refrigeración como los disipadores de calor se pueden reducir o eliminar por completo, y de este modo disminuir el tamaño, el peso y el coste de la solución.
De hecho, como sabe todo ingeniero de potencia, la mejor manera de eliminar calor consiste en no generarlo. La segunda mejor opción es garantizar que toda la energía desperdiciada tenga una via directa hacia el aire del entorno.
Si bien las tecnologías de banda prohibida como el carburo de silicio (SiC) han logrado grandes avances para aumentar la eficiencia, no existe (y seguramente nunca existirá) un dispositivo de potencia que no sufra pérdidas de energía.
Técnicas convencionales para refrigeración de semiconductores
En las aplicaciones de potencia, los MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistors) suelen ser dispositivos de montaje superficial (SMD) con encapsulados de tipo SO8FL, u8FL y LFPAK. El SMD es la tecnología favorita ya que ofrece una buena capacidad de potencia, facilidad en su colocación y soldadura automátizada, así como la disponibilidad de una solución compacta. No obstante, la disipación de calor con dispositivos SMD no es ideal porque la vía de disipación del calor suele atravesando la placa de circuito impreso.
Figura 1: La refrigeración convencional exige que el calor atraviese la placa de circuito impreso hasta un disipador de calor.
En los componentes convencionales, el soporte interno metálico del integrado (lead frame), que incluye un superficie exterior de drenaje del calor, se suelda directamente sobre una superficie de cobre en la placa de circuito impreso para proporcionar una conexión eléctrica y una vía de unión térmica entre el semiconductor y la placa de circuito impreso. Esta es la única conexión térmica galvánica directa a la placa de circuito impreso ya que el resto del dispositivo está encerrado dentro de un compuesto plástico y refrigerado únicamente por convección con el aire circundante.
Con esta técnica, la eficiencia de la transferencia de calor hacia el exterior del dispositivo depende mucho de las propiedades de la placa de circuito impreso, como el tamaño del plano de cobre (Cu), el número de capas , su grosor y el trazado de las pistas de cobre. Esto es válido tanto si la placa está unida a un disipador de calor como si no lo está. La vía térmica se ve restringida, por lo que la capacidad de potencia máxima del dispositivo disminuye debido a que la baja conductividad térmica de la placa de circuito impreso impide la disipación de calor.
El concepto Top Cool
Para abordar este problema, onsemi ha desarrollado un nuevo encapsulado para MOSFETs que presenta al exterior el soporte interno de drenaje de calor por la parte superior del encapsulado. Este método ofrece ventajas tanto para el trazado como en el espacio de la aplicación, así como en la transferencia térmica.
Si bien el método tradicional para refrigerar MOSFETs de potencia es capaz de proporcionar soluciones razonablemente compactas, el lado inferior de la placa de circuito impreso debe quedar vacía para permitir la instalación del disipador de calor. Con este método se suele requerir una placa de circuito más grande para instalar todos los componentes necesarios.
Figura 2: Los dispositivos Top Cool colocan el disipador de calor en la parte superior, mejorando así el rendimiento el trazado y el rendimiento térmico.
Dado que la vía de disipación de calor se encuentra en la parte superior con los dispositivos Top Cool, el disipador se coloca encima de los MOSFETs, lo cual abre la posibilidad de instalar componentes en el lado inferior, como dispositivos de potencia, drivers de puerta y otros componentes, permitiendo así usar una placa de circuito impreso más pequeña. Este diseño más compacto también acorta las pistas para el control de la puerta, lo cual puede ser una ventaja para el funcionamiento a alta frecuencia.
Además ya no es necesario que el calor atraviese la placa de circuito impreso, por lo que ésta se calienta menos y los componentes que rodean los MOSFET funcionarán a temperaturas más bajas lo cual mejorará su fiabilidad.
Junto con las ventajas que aporta en el trazado de las pistas de circuito impreso el uso de los dispositivos Top Cool, existen también unas ventajas significativas desde un punto de vista térmico debido a que el encapsulado se puede conectar directamente al disipador de calor del marco de conexión del dispositivo. Los disipadores de calor más utilizados son de aluminio por su alta conductividad térmica (que suele ser de 100 − 210 W/mk). El aluminio y otros metales similares reducen enormemente la resistencia térmica respecto a la disipación de calor convencional por medio de una placa de circuito impreso, por lo que mejoran la respuesta térmica.
Además de mejorar la conductividad térmica, los disipadores de calor proporcionan una cantidad de masa térmica muy superior que ayuda a evitar la saturación al ofrecer una constante de tiempo térmica más larga, ya que el tamaño del disipador de calor montado en la parte superior se puede adaptar a las necesidades de la aplicación.
Dado lo ventajosa que resulta la unión directa a un disipador de calor con una elevada masa térmica, el encapsulado Top Cool mejorará la respuesta térmica medida como el aumento de la temperatura por vatio. Esta respuesta térmica mejorada permite un funcionamiento con una mayor potencia para un determinado incremento de la temperatura de unión.
Por último, el mismo MOSFET encapsulado en un Top Cool podrá alcanzar mayores valores de corriente y potencia que un encapsulado SMD estándar.
Nueva gama de MOSFETs de canal N Top Cool
onsemi ha desarrollado una gama de dispositivos Top Cool en un encapsulado LFPAK 5×7 modificado que solo mide 5mm x 7mm. Este nuevo encapsulado Top Cool, denominado TCPAK57, incorpora una superficie térmica de 16,5mm2 en el lado superior para permitir el uso de un disipador de calor.
Internamente, los dispositivos TCPAK57 cuentan con una sujeción de cobre para las conexiones de la fuente y el drenador que sustituye a los tradicionales hilos de conexión, que permite conducir corrientes altas con una resistencia mínima, además de establecer una conectividad térmica efectiva con la almohadilla de la cara superior. Los nuevos dispositivos proporcionan la eficiencia eléctrica que exigen las aplicaciones de alta potencia con valores de RDS(ON) a partir de 1mΩ.
Figura 3: El catálogo de Top Cool consta inicialmente de siete dispositivos.
Esta solución aprovecha los avanzados conocimientos de onsemi sobre tecnologías de encapsulado para ofrecer una solución con la densidad de potencia más alta del mercado. El catálogo inicial de TCPAK57 está formado por siete dispositivos de 40V, 60V y 80V. Todos los dispositivos pueden funcionar con temperaturas de unión (Tj) de 175°C, cuentan con la certificación AEC-Q101 y pueden ofrecer proceso de PPAP para automocíon. Todo esto, junto con sus alas de gaviota para ácilitar la inspección de las uniones de soldadura y la fiabilidad superior a nivel de placa, hace que resulten ideales para las aplicaciones más exigentes de automoción. Las aplicaciones a las que se dirigen son controles de motores de alta/media potencia como los utilizados en la dirección asistida eléctrica y las bombas de combustible.
Los dispositivos Top Cool TCPAK57 aumentan la densidad de potencia, y la mayor fiabilidad del nuevo diseño contribuye a prolongar la vida útil del sistema en su conjunto.
Resumen
La gestión del calor en los diseños de potencia es fundamental para cumplir los exigentes objetivos de diseño existentes en la industria de automoción. La refrigeración de dispositivos de potencia discretos como los MOSFETs se ha resuelto de manera convencional haciendo que la energía térmica atraviese la placa de circuito impreso hasta un disipador de calor. Pero esta conexión térmica no es ideal, por lo que el rendimiento del dispositivo se ve perjudicado.
Un nuevo tipo de encapsulado lleva la placa térmica a la parte superior, permitiendo así la conexión directa del disipador de calor al dispositivo. Esto no solo mejora la refrigeración del MOSFET sino que también ofrece la posibilidad de utilizar el lado inferior de la placa de circuito impreso para instalar otros componentes, incrementando de este modo la densidad de potencia en aplicaciones críticas como las de automoción.
