DFN- und SOT-Packages im Vergleich

Welchen Einfluss hat das Chip-Package auf die Wärmeableitung?

13. Juli 2020, 09:53 Uhr   |  von Hans-Jürgen Funke und Nima Lotfi, Nexperia

Welchen Einfluss hat das Chip-Package auf die Wärmeableitung?
© Nexperia

Deutlicher Größenunterschied: SOT23, DFN1412D-3 und DFN1110D-3

Der Vergleich von Chip-Packages ohne Anschlussbeinchen (dafür mit Heatsink) und den klassischen SOT-Gehäusen bringt es auf den Punkt, wie groß der Einfluss des Gehäuses auf das thermische Verhalten von Halbleitern ist.

In nahezu jeder Applikation – von automobil- und industrietechnischen Anwendungen bis hin zum kleinsten Wearable – entwickelt sich das thermische Verhalten von Bauelementen zunehmend zu einem kritischen Thema. Wegen der Integration von immer mehr Funktionen auf kleinem Raum ist es unabdingbar, eine angemessene Wärmeableitung zu gewährleisten.

In der Vergangenheit ließ sich die Wärmeproblematik noch vergleichsweise einfach lösen, zum Beispiel durch das Anbringen eines Kühlkörpers am Chip oder Board. Da die elektronischen Bauelemente jedoch immer kleiner werden, immer höhere Taktraten aufweisen und auf Leiterplatten mit hoher Packungsdichte montiert werden, steigen die Temperaturen der Halbleiter weiter zusehends an. Diese Situation kann sich durch die Temperatur der Betriebsumgebung noch verschlechtern.

Neue Gehäuse für Halbleiterbauelemente werden künftig einen wichtigen Beitrag leisten, das thermische Verhalten besser in den Griff zu bekommen.

Flache Chip-Packages ohne herausgeführte Anschlussbeinchen, kurz DFN-Packages (Dual oder Discrete Flat No lead), sparen Platz auf der Leiterplatte.

Entwickler können durch den Einsatz von kompakten Halbleitern in diesem Chip-Gehäuse entweder die Platine verkleinern oder auf gleicher Fläche mehr Funktionalität unterbringen. Sie müssen auch nicht auf eine AOI-Fähigkeit (Automatische Optische Inspektion) verzichten, dank der seitlich benetzbaren Flanken (SFW, side wettable flanks) bei den No-lead-Gehäusen. Einer der größten Vorteile von DFN-Gehäusen ist jedoch, dass sich das thermische Verhalten der Halbleiter positiv beeinflussen lässt.

SMD-Gehäuse vs. DFN-Gehäuse

Um den Vergleich der thermischen Eigenschaften fair zu gestalten, wählt Nexperia für diesen Test drei Kleinsignal-MOSFETs mit gleicher Chip- und Bondtechnik aus. Weil diese Chips alle fast identische elektrische Parameter aufweisen, lässt sich der Fokus auf die Leiterplattenfläche, die Gesamtverlustleistung und den Wärmewiderstand legen:

  • Das SOT23-Package beansprucht eine Fläche von 6,7 mm2 und es kann eine Gesamtleistung von 1,3 W über eine 6 cm2 große Drain-Kühlfläche abführen.
  • Das SOT457-Package benötigt zwar etwas mehr Platz, kann aber bei gleichen Bedingungen rund 30 Prozent mehr Leistung als das SOT23-Package ableiten.
  • Im extremen Gegensatz dazu lässt sich über das DFN-Package (DFN2020MD-6) eine 15-fach höhere Gesamtverlustleistung im Vergleich zum SOT23 abführen – und zwar auf rund 40 Prozent weniger Fläche. Dies ist auf die Heatsink auf der Gehäuserückseite zurückzuführen.

Thermischer Widerstand und thermische Impedanz

Der thermische Widerstand Rth ist das statische Maß für die Erwärmung bzw. die Temperaturerhöhung eines Bauteils bei konstantem Leistungsfluss unter DC-Bedingungen.

Wichtig sind drei Arten des thermischen Widerstands: Junction-zu-Gehäuse (Rth (j-c)), Junction-zu-Umgebung (Rth (j-a)) und Junction-zu-Lötstelle (Rth (j-sp)). Letzterer thermischer Widerstand ist der aussagekräftigste Wert, weil der hauptsächliche Wärmeableitpfad von der Junction zur Lötstelle verläuft. Er ist außerdem der einzige reale Bauteilparameter, der nicht durch die Montage- bzw. Bestückungsbedingungen beeinflusst wird.

Der Wärmewiderstand von Junction-zu-Umgebung ist im jeweiligen Datenblatt für Standardmaße oder Kühlflächenauslegung aufgeführt. So kann zum Beispiel eine 6 cm2 große Kühlfläche den Rth um den Faktor 3 verringern.

Während Rth den statischen Zustand beschreibt, stellt die thermische Impedanz Zth das dynamische Wärmeableitverhalten dar. Daher geht nun der Blick auf die thermische Impedanz als Funktion der Impulsdauer für unterschiedliche Tastverhältnisse. Bauelemente können bei kleineren Tastverhältnissen oder kürzeren Impulsdauern mehr Verlustleistung abführen. Die Erhöhung der Junction-Temperatur für eine gegebene Verlustleistung berechnet sich aus: ∆Tj = Zth(j-sp) x Pdiss.

Simulation und Messung

Bei dem Vergleich von SMD- gegenüber DFN-Packages werden alle drei Bauelemente mit einer Standard-Testleiterplatte und einem 1 cm2 großen Kühlkörper bzw. einer Wärmesenke (Heatsink) am Drain-Pin simuliert. Die Leistung liegt konstant bei 600 mW. Nach Ablauf von 1000 Sekunden, also 16,7 Minuten, erhöht sich die Temperatur des MOSFET im DFN2020MD-6-Gehäuse um bis zu 43 Prozent weniger als beim SOT23-Bauelement.

Für die realen Messexperimente verwendet Nexperia identische Leiterplatten. Wieder wird für dieselbe Dauer dieselbe Leistung zugeführt. Das Messergebnis ist, dass das DFN-Package – in Übereinstimmung mit den Datenblattparametern – das beste Wärmeableitverhalten aufweist.

Der Unterschied in der Sperrschichttemperatur ist beachtenswert: Es sind in einem solchen Package nicht nur höhere Ströme möglich, sondern – und vielleicht ist dies der wichtigere Aspekt – das Bauelement läuft im Normalbetrieb auch kühler. Das trägt zu einer längeren Lebensdauer und zu einer höheren Systemzuverlässigkeit bei.

Neue DFN-Packages für Automotive-Applikationen

Vor allem die Automobilbranche stellt besonders hohe Anforderungen an das thermische Verhalten von Halbleitern. Als Antwort darauf hat Nexperia neue DFN-Produkte auf den Markt gebracht, die das breit gefächerte AEC-Q101-Portfolio ergänzen.

Dazu gehören unter anderem die kleineren DFN-Packages DFN1412D-3 und DFN1110D-3, in denen sich verschiedene diskrete Halbleiter wie Bipolar-Transistoren, Dioden, ESD-Schutzkomponenten und MOSFETs platzieren lassen. Die mit seitlich benetzbaren Flanken (SWF) ausgestatteten Gehäuse helfen dabei, Platz und Gewicht einzusparen, ohne Zugeständnisse bei der Performance machen zu müssen – insbesondere bei hohen Temperaturen. Mit Seitenlängen von gerade einmal 1,4 mm x 1,2 mm, oder noch kompakter mit 1,1 mm x 1,0 mm, schneiden sie im Vergleich zu älteren Bauelementen im SOT23-Package sehr gut ab.

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