Esta nota de aplicación presenta logros y enfoques recientes para optimizar aún más los componentes semiconductores de alta corriente, bajo voltaje y potencia. Este documento también describe la tecnología de componentes de semiconductores de potencia, los avances y la tecnología de empaquetado.
Primeros pasos: aplicaciones
La electrónica de potencia se ha convertido en una parte integral de los sistemas eléctricos automotrices. Suministro de ventiladores de velocidad variable, bombas de agua o hidráulicas, etc. Con la introducción de sistemas de 42 V con unidades relacionadas, como generadores de arranque y control de válvulas solenoides, se puede esperar un mayor uso. En comparación con la electrónica de potencia industrial, conocida por rangos de potencia similares de varios kilovatios, los niveles actuales de los sistemas automotrices alimentados por baterías son altos. Las altas densidades de corriente en los dispositivos semiconductores son esenciales para lograr secciones de potencia compactas. Las condiciones de funcionamiento del convertidor, que con frecuencia están reguladas por el refrigerante del motor de combustión, se caracterizan por un amplio rango de temperatura con temperaturas máximas del disipador de calor que alcanzan T_S = 110 ⁰C. Esto afecta la confiabilidad de los componentes. Se requiere que esta confiabilidad sea muy alta durante la vida útil esperada del vehículo, lo que lleva a estándares de confiabilidad particularmente estrictos.
Tecnología MOSFET
Varias etapas de la tecnología de chips han contribuido a su desarrollo, como se describe en la Figura 1. Para optimizar el comportamiento de apagado del diodo intrínseco del cuerpo (esencial, por ejemplo, en circuitos de puente como los motores de inducción), el dispositivo se ilumina. Las propiedades de este tipo de chips han mejorado con la nueva generación, que también incluye chips con un área significativamente mayor de 150 mm2, designados en la tabla como MOSFET “planares grandes”.
Un aumento fundamental en la densidad de corriente del dispositivo se combina con la introducción de MOSFET de trinchera. Proporciona un canal vertical como se muestra esquemáticamente en la Figura 2 (derecha), a diferencia de los MOSFET planos con canales esencialmente horizontales que conducen al efecto JFET entre celdas. Este principio se conoce desde hace muchos años. Varias generaciones posteriores se desarrollaron con estructuras de trinchera más estrechas y pasos de celda más pequeños para mejorar las propiedades eléctricas (especialmente la resistencia en estado R_DSon).
tecnología de embalaje
El paquete protege el chip de las influencias ambientales. Proporciona cables para conexiones eléctricas y una interfaz térmica para el disipador de calor. Los módulos y los aislamientos discretos en cuestión en este informe técnico se basan en sustratos cerámicos rodeados por capas de metal en la parte superior e inferior. Normalmente, un DCB con una lámina de cobre sobre una cerámica Al2O3. Al menos una parte del chip y los cables externos están soldados a la metalización superior estructurada de este sustrato. Los enlaces de alambre de aluminio proporcionan conexiones eléctricas desde la parte superior del chip. La metalización inferior del sustrato está destinada a ser presionada contra el disipador de calor para el acoplamiento térmico. El resto de la superficie exterior del paquete del módulo es una especie de marco de plástico, relleno con gel de silicona y, posiblemente, con resina epoxi adicional, mientras que el cuerpo del paquete discreto consta de plástico sólido moldeado. Esta es la razón de la diferencia en la densidad de corriente entre grupos de módulos y grupos de discretos. – Una sola capa de compuesto de moldeo suele ser menos voluminosa que varios componentes en un paquete de módulo y también proporciona un medio para atornillar a un disipador de calor, reemplazando un clip de resorte externo en el caso de discretos separados.