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La principale raison réside dans le fait que la majorité de l’espace disponible est réservée à l’habitacle, remisant ainsi les systèmes électroniques dans des espaces hors d’atteinte.

Alors que ce choix est pertinent, refroidir ces solutions devient un défi, notamment en raison des niveaux de puissance élevés dans de nombreuses applications automobiles. Par conséquent, l’industrie continue de rechercher des solutions d’amélioration pour le refroidissement qui soient aptes à fournir un certain nombre d’avantages aux fabricants et aux propriétaires de voitures.

Dans cet article technique, onsemi va mettre en lumière la manière dont les innovations des boîtiers des semiconducteurs accomplissent de grandes avancées en matière d’amélioration de la gestion thermique à l’intérieur des applications automobiles.

Alors que les véhicules effectuent leur transition vers la propulsion électrique et que de nombreux systèmes auparavant mécaniques ou hydrauliques sont dorénavant remplacés par des actionneurs électriques, le nombre de conversions de haute puissance sur les véhicules modernes augmente significativement. Des efforts considérables et des budgets significatifs sont alloués à l’augmentation de l’efficacité globale de ces nouveaux systèmes électriques, principalement pour accroître l’autonomie.

Par ailleurs, une plus grande efficacité présente un autre avantage aux yeux du concepteur du système : la réduction significative de la génération de chaleur dissipée. Du point de vue de la gestion thermique, cela signifie que les techniques de refroidissement telles que les dissipateurs thermiques peuvent être restreintes, voire entièrement supprimées, avec pour conséquence une réduction de la taille, du poids et du coût de la solution.

En effet, comme chaque ingénieur électronicien le sait, la meilleure façon de supprimer la chaleur est en premier lieu de ne pas en générer. Ensuite, la seconde meilleure option consiste à s’assurer que chaque perte d’énergie dispose d’une sortie aussi directe que possible vers l’air extérieur.

Tandis que les technologies à large bande interdite (wide band gap), telles que le carbure de silicium (SiC), ont réalisé de grands bonds en termes d’amélioration de l’efficacité, il n’existe pas (et il n’existera probablement jamais) un composant de puissance qui ne soit exposé à une quelconque perte d’énergie.

Approches conventionnelles au refroidissement des semi-conducteurs

Dans les applications de puissance, les transistors à effet de champ à grille d’oxyde métallique (Metal oxyde semiconductor field effect transistor, MOSFET) ont tendance à être des composants montés en surface (CMS), avec des boîtiers de type SO8FL, u8FL et LFPAK. Les CMS constituent la technologie privilégiée en raison de sa capacité de puissance optimale, de sa praticité de placement automatique et de soudure ainsi que de sa compacité. Cependant, la dissipation thermique avec les CMS n’est pas idéale. En effet, le parcours de la propagation thermique passe en général par la carte de circuit imprimé (PCB).

Figure 1 : Le refroidissement des semi-conducteurs nécessite le passage de la chaleur par la PCB vers le dissipateur

Dans les composants traditionnels, la connexion en cuivre (lead frame) , incluant la zone d’exposition du drain, est soudée directement sur une empreinte de cuivre sur le PCB. Cette dernière fournit une connexion électrique et une conduction thermique depuis la puce vers le PCB. Il s’agit de la seule connexion thermique galvanique directe vers le PCB. Le reste du composant demeure scellé dans un composé de moulage et refroidi uniquement par convection vers l’air extérieur.

Avec cette approche, l’efficacité d’un transfert thermique du composant vers l’air ambiant est largement dépendante des propriétés du PCB telles que, la taille du plan de cuivre, les couches de cuivre, le poids du cuivre, et la configuration du cuivre. Cela est valable indépendamment de la liaison entre la carte et le dissipateur thermique. En conséquence de ce chemin de disspation thermique restreint, la capacité de puissance maximale du composant est restreinte, car la faible conductivité thermique du PCB freine la dissipation de la chaleur.

Le concept du refroidissement par le haut

Afin de répondre à cette problématique, onsemi a développé un nouveau boîtier pour MOFSETs qui expose le lead frame (et le drain) sur la partie supérieure du boîtier. Cette approche apporte des avantages dans tous les espaces/configurations de l’application et durant le transfert thermique.

Figure 2 : Appareils de refroidissement par le haut plaçant le dissipateur thermique au-dessus, pour une amélioration de la configuration et des performances thermiques

Tandis que l’approche traditionnelle de refroidissement des MOFSETs est apte à fournir des solutions assez compactes, la partie inférieure du PCB doit demeurer vide pour permettre l’installation d’un dissipateur thermique. Dans cette approche, un PCB de plus grande taille est généralement requise pour loger l’ensemble des composants nécessaires.

Le circuit thermique des composants de refroidissement par le haut étant dirigé vers le haut, le dissipateur thermique est placé au-dessus du MOFSET. Cela permet le placement sur la partie inférieure d’autres composants de puissance, des drivers de grilles et autres composants, et permet par conséquent l’utilisation d’un PCB plus petit. Cette configuration plus compacte permet également des traces de driver de grille moins longues, ce qui peut être un avantage pour les hautes fréquences de commutation.

Figure 3 : Le portefeuille de refroidissement par le haut initial inclut sept composants

En outre,la chaleur ne passant plus à travers le PCB, il demeurera plus froid, et les composants entourant le MOFSET fonctionneront à des températures plus basses, améliorant de ce fait leur fiabilité.

Outre les avantages de configuration des composants de refroidissement par le haut, des avantages thermiques notables sont visibles, car le boîtier permet une dissipation thermique directe vers le lead frame du composant. Les dissipateurs thermiques les plus couramment utilisés sont en aluminium en raison de sa haute conductivité thermique (comprise généralement entre 100 et 210 W/mk). L’aluminium, ou les métaux similaires, réduisent grandement la résistance thermique par rapport à la dissipation thermique conventionnelle effectuée via un PCB, fournissant par conséquent une réponse thermique améliorée.

De plus, afin d’améliorer la conductivité thermique, la dissipation thermique fournit une masse thermique plus importante qui contribue à éviter la saturation. Cela fournit une constante de temps thermique plus longue, avec un dissipateur thermique assemblé sur le dessus des composants pouvant dimensionné pour répondre aux besoins exacts des applications.

Profitant de l’avantage du raccordement direct à un dissipateur thermique avec masse thermique élevée, le boîtier de refroidissement par le haut disposera d’une réponse thermique améliorée, quantifiée par la variation de température par Watt. Cette réponse thermique améliorée permet d’augmenter la puissance de fonctionnement pour une augmentation donnée de la température de jonction.

Enfin, ma même puce de MOFSET mise dans un boitier à refroidissement par le haut disposera d’un courant et d’une capacité de puissance plus élevés qu’une puce identique placée dans un boîtier CMS standard.

Nouvelle gamme de MOFSET à refroidissement par le haut N-Channel

onsemi a développé une gamme d’appareils à refroidissement par le haut logés dans un boîtier modifié LFPAK 5x7 et mesurant précisément 5 mm x 7 mm. Nommé TCPAK57, le nouveau boîtier à refroidissement par le haut est accompagné d’un pad thermique de 16,5 mm2 sur la partie supérieure, permettant à la chaleur de se dissiper directement dans un dissipateur thermique.

À l’intérieur, l’appareil TCPAK57 contient un clip en cuivre pour la source et les raccordements au drain. Cela remplace le câblage par fil et permet la conduction de courants élevés avec une résistance minimum, ainsi qu’une connexion thermique efficace vers la partie latérale du pad. Le nouveau composantfournit l’efficacité électrique nécessaire dans les applications de puissance élevées avec des valeurs RDS(ON) aussi faibles que 1 mΩ.

Cette solution mobilise la solide expertise de onsemi dans le design de boîtier afin de fournir la solution de densité de courant la plus élevée de l’industrie. Le portefeuille initial du TCPAK57 inclut un nombre total de sept composants, avec des tensions de 40 V, 60 V et 80 V. Tous les composants sont capables de fonctionner à des températures de jonction (Tj) de 175 °C et sont certifiés AEC-Q101 et compatibles PPAP. Ces éléments, ainsi que les lead frames pliés en forme d’aile de mouette permettant d’inspecter les joints de soudure et d’obtenir un niveau de fiabilité de la carte supérieur constituent des éléments optimaux pour répondre aux applications automobiles les plus exigeantes. Les applications cibles sont les contrôles de moteur de puissance tels que la direction assistée électrique et les pompes à huile.

Le composant à refroidissement par le haut TCPAK57 fournit une densité de courant augmentée. De plus, la fiabilité améliorée de la nouvelle conception ajoute une durée de vie supplémentaire à l’ensemble du système.

En résumé

Gérer la chaleur dans les conceptions de puissance est fondamental pour atteindre les objectifs de conception exigeants de l’industrie automobile. Traditionnellement, le refroidissement de composants discrets comme les MOFSET impliquait de faire passer l’énergie thermique à travers la PCB vers le dissipateur thermique. Cependant, ce chemin thermique n’est pas idéal, car il entrave les performances de l’appareil.

Néanmoins, un nouveau style de boîtier déplace le chemin thermique vers le haut, permettant par conséquent de relier directement un dissipateur thermique au composant. Non seulement cette méthode améliore le refroidissement du MOFSET, mais elle permet également à la partie inférieure du PCB d’être utilisé pour placer des composants, augmentant par conséquent la densité d’énergie dans les applications exigeantes telles que l’automobile.

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