Część 1. Bezpieczeństwo przyrządów półprzewodnikowych mocy

Transkrypt

1 Część 1 Bezpieczeństwo przyrządów półprzewodnikowych mocy

2 Obszar bezpiecznej pracy Definicja Granice mogą wynikać z: obszar na płaszczyźnie charakterystyk statycznych obwodu głównego, w którego dowolnym miejscu może się bezpiecznie znajdować punkt pracy przyrządu, w określonych warunkach cieplnych Obszar bezpiecznej pracy w kierunku przewodzenia (FBSOA) dla tranzystora VDMOS bezpieczeństwa napięciowego obwodu głównego bezpieczeństwa cieplnego obwodu głównego ale także: 1 ograniczeń obwodu sterowania ograniczeń obudowy rezystancja w stanie załączenia 2 maksymalny prąd impulsowy 3a maksymalny prąd ciągły 3 maksymalna moc strat 3b dla pracy impulsowej 4 przebicie cieplne 5 przebicie lawinowe 2

3 Przewodzenie ciepła Liniowe równanie przewodnictwa cieplnego P a= Rezystancja cieplna [K/W C/W] T j T a R th(j-a) Pa moc odprowadzana do otoczenia Tj umowna uśredniona temperatura półprzewodnika Rth (Rθ) rezystancja cieplna j junction złącze ch channel kanał c case obudowa mb mounting base podstawa (rama) l lead wyprowadzenie s heat sink radiator a ambient otoczenie 1 P d W /d t = = R th T T jej odwrotność określa, jak efektywnie przekazywana jest energia cieplna między dwoma punktami W stanie równowagi Pa = Pd Pd moc wydzielana w półprzewodniku np. złącze PN spolaryzowane napięciem wstecznym Ur: B1 B2 3 3 P j =U r A1 T j exp +A 2 T j exp Tj Tj [ ( ) ( )] ustali się taka Tj, dla jakiej równość Pa = Pd jest spełniona 3

4 Przebicie cieplne Mezoplazma obszar półprzewodnika samoistnego o bardzo wysokim poziomie generacji nośników i wysokiej temperaturze tworzy się po przekroczeniu pewnej temperatury krytycznej moc wydzielana P rośnie d szybciej niż odprowadzana Pa Mechanizm lokalny istotny nie prąd globalny, a lokalna gęstość prądu Przyrządy unipolarne (MOSFET) co do zasady T γ pasożytniczy tranzystor BJT T UGS(th) powoduje nieodwracalne uszkodzenie półprzewodnika (pęknięcie, stopienie) Konieczne dodatnie elektrotermiczne sprzężenie zwrotne J T γ (R ) J T przewodnictwo bipolarne powyżej Tcrit 1 punkt stabilny, Top: Pj = Pa jeżeli Tj > Top to Pa > Pd Tj Pd Tj = Top 2 punkt krytyczny jeżeli Tj > Tcrit to Pd > Pa Tj Pd Tj Rth (--) Top, T crit 4

5 Czynniki ograniczające temperaturę pracy Od góry topnienie krzemu (1400 C) przebicie cieplne wzrost koncentracji nośników generowanych termicznie zaciera się różnica między obszarami N i P rosną prądy upływu złącz Od góry i od dołu zależność parametrów statycznych i dynamicznych od temperatury prąd upływu napięcie przebicia lawinowego rezystancja w stanie załączenia czasy przełączania właściwości mechaniczne i cieplne podłoża półprzewodnikowego i materiałów obudowy zmiana wymiarów z różnym współczynnikiem rozszerzalności T (K) 5

6 Mechanizmy chłodzenia Parametry determinujące rezystancję cieplną ciało-chłodziwo ciało = radiator, rama obudowy, ścieżka drukowana itd. 1 R th S η h S powierzchnia kontaktu ciała z chłodziwem η współczynnik opisujący geometrię (kształt chłodzonej bryły) wynika głównie ze stosunku powierzchni do objętości: (S/V) η h współczynnik przenikania ciepła h=h rad +h conv Promieniowanie (radiacja) w T > 0 K atomy każdego ciała drgają; ponieważ protony i elektrony posia dają ładunek elektryczny, więc wywołuje to emisję fali elektromagnetycznej dla T rzędu C w paśmie podczerwieni (prawo Wiena) hrad zależy od: różnicy temperatury między ciałem chłodzonym a chłodziwem całkowitego pola powierzchni ciała chłodzonego tzw. zdolności emisyjnej ciała (materiału) prawo Stefana-Boltzmanna 6

7 Mechanizmy chłodzenia (cd.) prawo Kirchhoffa: zdolność emisyjna jest równa zdolności absorpcyjnej (ciało emituje promieniowanie tak dobrze, jak dobrze je pochłania) dlatego radiatory często pokrywa się matowym czarnym lakierem Konwekcja makroskopowy ruch czynnika chłodzącego (powietrza, cieczy) naturalna (grawitacyjna) różnica gęstości czynnika ciepłego i chłodnego wymuszona wentylator, pompa hconv zależy od: różnicy temperatur prawo Newtona: T h pola powierzchni mającej kontakt z chłodziwem orientacji tej powierzchni względem kierunku przepływu chłodziwa właściwości cieplnych chłodziwa prędkości przepływu chłodziwa Relacja współczynników przenikania przy konwekcji wymuszonej: hconv hrad promieniowanie można zaniedbać przy konwekcji swobodnej: możliwe hrad ~ hconv 7

8 Powierzchnia chłodząca np.: TO-3, 204 TO-220, 247, 262 TO-92 DO-204 (DO-35, 41) DIP Exposed Pad DIP Montaż przewlekany * * * * wyszczególnione wyprowadzenia dalej przez radiator S Rth(j-a) Montaż powierzchniowy np.: TO-252, 263 (DPAK, D2PAK) DO-214, SOD, SOT dalej przez miedź na płytce 1206, 1812 SOIC, (T)(S)SOP, QFP, DFN, QFN * * * * * Metalowe powierzchnie kontaktu standardowo nie są izolowane elektrycznie można je łączyć tylko ze ściśle określonym potencjałem obwodu (PCB) dotyczy również radiatorów wspólnych dla kilku przyrządów 8

9 Chłodzenie przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych mocy SMT Obudowa z wbudowanym radiatorem rama, na której spoczywa struktura półprzewodnikowa, ma bezpośredni kontakt z otoczeniem Obudowa z ramą o zwiększonej przewodności cieplnej rama jest połączona szerokimi i grubymi metalowymi mostkami z ekwipotencjalnymi wyprowadzeniami 9

10 Chłodzenie przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych mocy SMT (cd.) Obudowa z wyprowadzeniem termicznym (thermal pad) chłodzenie głównie przez warstwę dolną odpowiednia ilość przelotek wykorzystanie wszystkich warstw Jak największe pokrycie płytki drukowanej miedzią QFN widok od dołu zalecane: np. ~60% warstwa górna, 85%, 90% środkowe, 95% dolna kompromis lub nawet pierwszeństwo przed regułami elektrycznymi (separacja obwodów, pętle prądowe, indukcyjności, rezystancje) 10

11 Cieplny układ pracy przyrządu półprzewodnikowego i jego analog elektryczny (rama, radiator wbudowany) Układ cieplny Obwód elektryczny temperatura potencjał moc prąd rezystancja cieplna rezystancja liniowe równanie przewodnictwa cieplnego prawo Ohma R th(j-a)=r th(j-mb)+r th(mb-a) I= V 1 V 2 R 12 P d= T j T a R th(j-a) 11

12 Cieplny układ pracy przyrządu z radiatorem R th(j-a)=r th(j-mb)+r th(mb-a) (R th(mb-s) +R th(s-a) ) R th(j-mb)+r th(mb-s) +R th(s-a) Składniki Rth(j-a) Rth(j-mb) przyrząd Rth(mb-a) obudowa Rth(s-a) Rth(mb-s) kontakt obudowa-radiator przyrząd + obudowa radiator ~ 0,5 K/W obudowa ~ 0,1 K/W pasta ~ 0,5 1,5 K/W podkładka izolująca elektrycznie (ceramika, mika, silikon) Podstawa izolowana elektrycznie Rth(mb-s) Rth(j-mb) koszt 12

13 Radiatory Czynniki zmniejszające rezystancję cieplną przewodność cieplna materiału zwykle Al, gdyż Cu łatwo reaguje chemicznie powierzchnia w stosunku do objętości użebrowanie, wycięcia emisyjność dla podczerwieni lakierowanie przewodność cieplna chłodziwa przewodność wielu cieczy większa od powietrza woda, oleje prędkość przepływu chłodziwa orientacja w przestrzeni 31 K/W 24 K/W 21 K/W 10 K/W Minimalne rezystancje uzyskiwalne w praktyce rzędu 1 K/W naturalne rzędu 0,1 K/W konwekcja wymuszona, powietrze rzędu 0,01 K/W konwekcja wymuszona, ciecz 13

14 Radiatory cięte dużej mocy Profil o dowolnej długości długość dobierana dla wymaganej rezystancji cieplnej Zmniejszenie Rth: ze wzrostem mocy P h dzięki lakierowaniu na czarno 14

15 Wpływ montażu na rezystancję cieplną (1) Obudowy do montażu przewlekanego z metalową obudową lub podstawą montażową j-a: bezwarunkowo c-s: użycie pasty termoprzewodzącej (thermal grease), siła docisku Doświadczenie TO220, śruba M3 moment skręcający (torque) Rezystancja Rth(j-c) 15 in lbf = 1,7 N m nominalny 10 in lbf = 1,1 N m wystarcza 26 in lbf = 2,9 N m zerwanie materiały podkładek Mylar poliester (PET) Sil-Pad silikon Bond Ply akryl (winyl) wzmocniony włóknem szklanym 15

16 Wpływ montażu na rezystancję cieplną (2) Obudowy do montażu przewlekanego całkowicie plastikowe, w tym osiowe pole powierzchni miedzi długość wyprowadzeń reguła elektryczna ograniczenie promieniowania zaburzeń: chłodzące pole miedzi na stałym potencjale 3,81 cm 3,81 cm 16

17 Wpływ montażu na rezystancję cieplną (3) Obudowy do montażu powierzchniowego pole powierzchni obszaru miedzi, do którego element jest przylutowany S grubość miedzi V (mniejszy wpływ) D2PAK montaż powierzchniowy na FR4 o grubości miedzi 35 µm TO-220FP TO-220AB NDF NDP IPAK NDD-1 DPAK NDD 2,54 cm 2,54 cm 17

18 Wpływ parametrów płytki na rezystancję cieplną Pole powierzchni miedzi Grubość miedzi 1 in2 6,5 mm2 równoważnie masa na jednostkę powierzchni w oz/f2, w przybli żeniu 1 oz/f2 35 µm Ilość warstw (płytki wielowarstwowe) 18

19 Obudowy SMT i wpływ powierzchni miedzi (1) 19

20 Obudowy SMT i wpływ powierzchni miedzi (2) 20

21 Obudowy SMT i wpływ powierzchni miedzi (3) 21

22 Obudowy SMT i wpływ powierzchni miedzi (4) 22

23 Wpływ prędkości powietrza Uzyskiwane zmniejszenie rezystancji cieplnej montaż powierzchniowy (chłodzenie przez PCB): o kilkanaście procent duży radiator zewnętrzny: nawet kilkakrotne 23

24 Obudowy z izolowaną podstawą montażową W porównaniu z obudową nieizolowaną z podkładką większa rezystancja cieplna (nawet uwzględniając podkładkę) brak wyraźnej różnicy w przypadku niestosowania radiatora wyższa cena TO-220FP TO-220AB NDF NDP łatwiejszy montaż, szczególnie zautomatyzowany IPAK Wytrzymałość napięciowa izolacji NDD-1 DPAK NDD wymaga zachowania odległości między radiatorem a wyprowadzeniami (through-hole) 24