Les dispositifs à semi-conducteurs de puissance sont largement utilisés dans l'industrie, la consommation, l'armée et d'autres domaines, et occupent une position stratégique élevée. Jetons un coup d'œil à l'image globale des appareils électriques à partir d'une image :
Les dispositifs à semi-conducteurs de puissance peuvent être divisés en type complet, type semi-contrôlé et type non contrôlable en fonction du degré de contrôle des signaux du circuit. Ou selon les propriétés du signal du circuit de commande, il peut être divisé en type piloté par tension, type piloté par courant, etc.
| Classification | taper | Dispositifs semi-conducteurs de puissance spécifiques |
| Contrôlabilité des signaux électriques | Type semi-contrôlé | RCS |
| Contrôle total | GTO, GTR, MOSFET, IGBT | |
| Incontrôlable | Diode de puissance | |
| Propriétés du signal de conduite | Type piloté par tension | IGBT, MOSFET, SITH |
| Type piloté par courant | SCR, GTO, GTR | |
| Forme d'onde de signal efficace | Type de déclenchement par impulsion | SCR、GTO |
| Type de contrôle électronique | GTR, MOSFET, IGBT | |
| Situations dans lesquelles participent des électrons porteurs de courant | appareil bipolaire | Diode de puissance, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT |
| Appareil unipolaire | MOSFET, SIT | |
| Appareil composite | MCT, IGBT, SITH et IGCT |
Différents dispositifs à semi-conducteurs de puissance ont des caractéristiques différentes telles que la tension, la capacité de courant, la capacité d'impédance et la taille. En utilisation réelle, les appareils appropriés doivent être sélectionnés en fonction de différents domaines et besoins.
L’industrie des semi-conducteurs a traversé trois générations de changements importants depuis sa création. Jusqu’à présent, le premier matériau semi-conducteur représenté par le Si est encore principalement utilisé dans le domaine des dispositifs semi-conducteurs de puissance.
| Matériau semi-conducteur | Bande interdite (eV) | Point de fusion (K) | application principale | |
| Matériaux semi-conducteurs de 1ère génération | Ge | 1.1 | 1221 | Transistors basse tension, basse fréquence, moyenne puissance, photodétecteurs |
| Matériaux semi-conducteurs de 2ème génération | Si | 0,7 | 1687 | |
| Matériaux semi-conducteurs de 3ème génération | GaAs | 1.4 | 1511 | Appareils à micro-ondes, à ondes millimétriques, appareils électroluminescents |
| SiC | 3.05 | 2826 | 1. Appareils haute puissance haute température, haute fréquence et résistant aux rayonnements 2. Diodes électroluminescentes bleues, violettes, lasers à semi-conducteurs | |
| GaN | 3.4 | 1973 | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | >3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Résumez les caractéristiques des appareils électriques semi-contrôlés et entièrement contrôlés :
| Type d'appareil | RCS | RTM | MOSFET | IGBT |
| Type de contrôle | Déclencheur d'impulsion | Contrôle actuel | contrôle de tension | centre de cinéma |
| ligne d'arrêt automatique | Arrêt de la navette | dispositif d'arrêt automatique | dispositif d'arrêt automatique | dispositif d'arrêt automatique |
| fréquence de travail | ＜1khz | <30khz | 20 kHz-Mhz | <40khz |
| Puissance motrice | petit | grand | petit | petit |
| pertes de commutation | grand | grand | grand | grand |
| perte de conduction | petit | petit | grand | petit |
| Niveau de tension et de courant | 最大 | grand | minimum | plus |
| Applications typiques | Chauffage par induction moyenne fréquence | Convertisseur de fréquence UPS | alimentation à découpage | Convertisseur de fréquence UPS |
| prix | le plus bas | inférieur | au milieu | Le plus cher |
| effet de modulation de conductance | avoir | avoir | aucun | avoir |
Apprenez à connaître les MOSFET
Le MOSFET a une impédance d'entrée élevée, un faible bruit et une bonne stabilité thermique ; il a un processus de fabrication simple et un fort rayonnement, il est donc généralement utilisé dans les circuits amplificateurs ou les circuits de commutation ;
(1) Principaux paramètres de sélection : tension drain-source VDS (tension de tenue), courant de fuite continu ID, résistance à l'état passant RDS(on), capacité d'entrée Ciss (capacité de jonction), facteur de qualité FOM=Ron*Qg, etc.
(2) Selon différents processus, il est divisé en TrenchMOS : MOSFET de tranchée, principalement dans le domaine basse tension dans les 100 V ; MOSFET SGT (Split Gate) : MOSFET à grille divisée, principalement dans le domaine moyenne et basse tension dans les 200 V ; SJ MOSFET : MOSFET à super jonction, principalement dans le domaine haute tension 600-800 V ;
Dans une alimentation à découpage, telle qu'un circuit à drain ouvert, le drain est connecté à la charge intact, appelé drain ouvert. Dans un circuit à drain ouvert, quelle que soit la tension à laquelle la charge est connectée, le courant de charge peut être activé et désactivé. C'est un dispositif de commutation analogique idéal. C'est le principe du MOSFET en tant que dispositif de commutation.
En termes de part de marché, les MOSFET sont presque tous concentrés entre les mains de grands fabricants internationaux. Parmi eux, Infineon a acquis IR (American International Rectifier Company) en 2015 et est devenu le leader du secteur. ON Semiconductor a également finalisé l'acquisition de Fairchild Semiconductor en septembre 2016. , la part de marché est passée à la deuxième place, puis les classements des ventes étaient Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna, etc. ;
Les marques grand public de MOSFET sont divisées en plusieurs séries : américaines, japonaises et coréennes.
Séries américaines : Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS, etc. ;
Japonais : Toshiba, Renesas, ROHM, etc. ;
Séries coréennes : Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
Catégories de packages MOSFET
Selon la manière dont il est installé sur la carte PCB, il existe deux principaux types de boîtiers MOSFET : enfichables (Through Hole) et à montage en surface (Surface Mount).
Le type enfichable signifie que les broches du MOSFET traversent les trous de montage de la carte PCB et sont soudées à la carte PCB. Les packages de plug-ins courants incluent : le package double en ligne (DIP), le package de contour de transistor (TO) et le package de réseau de broches (PGA).
Emballage enfichable
Le montage en surface est l'endroit où les broches MOSFET et la bride de dissipation thermique sont soudées aux plots sur la surface de la carte PCB. Les packages typiques à montage en surface comprennent : le contour de transistor (D-PAK), le transistor à petit contour (SOT), le boîtier à petit contour (SOP), le boîtier plat quadruple (QFP), le support de puce à plomb en plastique (PLCC), etc.
paquet de montage en surface
Avec le développement de la technologie, les cartes PCB telles que les cartes mères et les cartes graphiques utilisent actuellement de moins en moins d'emballages enfichables directement, et de plus en plus d'emballages à montage en surface sont utilisés.
1. Double package en ligne (DIP)
Le boîtier DIP comporte deux rangées de broches et doit être inséré dans un support de puce avec une structure DIP. Sa méthode de dérivation est SDIP (Shrink DIP), qui est un package rétractable double en ligne. La densité des broches est 6 fois supérieure à celle du DIP.
Les formes de structure d'emballage DIP comprennent : DIP double en ligne en céramique multicouche, DIP double en ligne en céramique monocouche, DIP à grille de connexion (y compris le type d'étanchéité en vitrocéramique, le type de structure d'encapsulation en plastique, l'encapsulation en verre à faible fusion en céramique type), etc. La caractéristique de l'emballage DIP est qu'il peut facilement réaliser un soudage traversant de cartes PCB et a une bonne compatibilité avec la carte mère.
Cependant, comme sa surface d'emballage et son épaisseur sont relativement grandes et que les broches sont facilement endommagées pendant le processus de branchement et de débranchement, la fiabilité est médiocre. Dans le même temps, en raison de l'influence du processus, le nombre de broches ne dépasse généralement pas 100. Par conséquent, dans le processus de forte intégration de l'industrie électronique, l'emballage DIP s'est progressivement retiré du stade de l'histoire.
2. Ensemble de contour de transistor (TO)
Les premières spécifications d'emballage, telles que TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251, etc. sont toutes des conceptions d'emballage enfichables.
TO-3P/247 : Il s'agit d'un boîtier couramment utilisé pour les MOSFET moyenne-haute tension et haute intensité. Le produit présente les caractéristiques d'une tension de tenue élevée et d'une forte résistance aux claquages.
TO-220/220F : TO-220F est un emballage entièrement en plastique et il n'est pas nécessaire d'ajouter un coussin isolant lors de son installation sur un radiateur ; Le TO-220 a une tôle reliée à la broche centrale et un coussin isolant est requis lors de l'installation du radiateur. Les MOSFET de ces deux styles de boîtier ont des apparences similaires et peuvent être utilisés de manière interchangeable.
TO-251 : Ce produit emballé est principalement utilisé pour réduire les coûts et réduire la taille du produit. Il est principalement utilisé dans des environnements à moyenne tension et courant élevé inférieurs à 60A et haute tension inférieurs à 7N.
TO-92 : ce package est uniquement utilisé pour les MOSFET basse tension (courant inférieur à 10 A, tension de tenue inférieure à 60 V) et haute tension 1N60/65, afin de réduire les coûts.
Ces dernières années, en raison du coût de soudage élevé du processus d'emballage enfichable et des performances de dissipation thermique inférieures aux produits de type patch, la demande sur le marché du montage en surface a continué d'augmenter, ce qui a également conduit au développement de l'emballage TO. dans un emballage pour montage en surface.
TO-252 (également appelé D-PAK) et TO-263 (D2PAK) sont tous deux des packages à montage en surface.
À emballer l'apparence du produit
Le TO252/D-PAK est un boîtier de puces en plastique, couramment utilisé pour emballer des transistors de puissance et des puces de stabilisation de tension. C'est l'un des packages grand public actuels. Le MOSFET utilisant cette méthode de conditionnement comporte trois électrodes : grille (G), drain (D) et source (S). La goupille de vidange (D) est coupée et non utilisée. Au lieu de cela, le dissipateur thermique à l'arrière est utilisé comme drain (D), qui est directement soudé au PCB. D'une part, il est utilisé pour produire des courants importants et, d'autre part, il dissipe la chaleur à travers le PCB. Par conséquent, il y a trois plots D-PAK sur le PCB et le plot de drainage (D) est plus grand. Ses spécifications d’emballage sont les suivantes :
Spécifications de taille du boîtier TO-252/D-PAK
Le TO-263 est une variante du TO-220. Il est principalement conçu pour améliorer l’efficacité de la production et la dissipation thermique. Il supporte un courant et une tension extrêmement élevés. Il est plus courant dans les MOSFET moyenne tension à courant élevé inférieur à 150 A et supérieur à 30 V. En plus du D2PAK (TO-263AB), il comprend également TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 et d'autres styles, qui sont subordonnés au TO-263, principalement en raison du nombre et de la distance différents des broches. .
Spécification de la taille du boîtier TO-263/D2PAKs
3. Package de réseau de broches (PGA)
Il y a plusieurs broches carrées à l’intérieur et à l’extérieur de la puce PGA (Pin Grid Array Package). Chaque broche carrée est disposée à une certaine distance autour de la puce. Selon le nombre de broches, il peut être formé en 2 à 5 cercles. Lors de l'installation, insérez simplement la puce dans le support PGA spécial. Il présente les avantages d'un branchement et d'un débranchement faciles et d'une grande fiabilité, et peut s'adapter à des fréquences plus élevées.
Style de paquet PGA
La plupart de ses substrats de puces sont en céramique et certains utilisent une résine plastique spéciale comme substrat. En termes de technologie, l'entraxe des broches est généralement de 2,54 mm et le nombre de broches varie de 64 à 447. La caractéristique de ce type d'emballage est que plus la zone d'emballage (volume) est petite, plus la consommation d'énergie (performances) est faible. ) il peut résister, et vice versa. Ce style d'emballage de puces était plus courant au début et était principalement utilisé pour emballer des produits à forte consommation d'énergie tels que les processeurs. Par exemple, les processeurs Intel 80486 et Pentium utilisent tous ce style d'emballage ; il n'est pas largement adopté par les fabricants de MOSFET.
4. Petit paquet de transistors (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) est un petit boîtier de transistor de puissance de type patch, comprenant principalement SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (c'est-à-dire SOT23-5), etc. SOT323, SOT363/SOT26 (c'est-à-dire SOT23-6) et d'autres types sont dérivés, qui sont plus petits en taille que les packages TO.
Type de colis SOT
SOT23 est un boîtier de transistor couramment utilisé avec trois broches en forme d'aile, à savoir un collecteur, un émetteur et une base, qui sont répertoriées des deux côtés du côté long du composant. Parmi eux, l'émetteur et la base sont du même côté. Ils sont courants dans les transistors de faible puissance, les transistors à effet de champ et les transistors composites dotés de réseaux de résistances. Ils ont une bonne résistance mais une mauvaise soudabilité. L'apparence est représentée sur la figure (a) ci-dessous.
SOT89 possède trois broches courtes réparties sur un côté du transistor. L'autre côté est un dissipateur thermique métallique connecté à la base pour augmenter la capacité de dissipation thermique. Il est courant dans les transistors de puissance en silicium montés en surface et convient aux applications de puissance plus élevée. L'apparence est représentée sur la figure (b) ci-dessous.
Le SOT143 comporte quatre broches courtes en forme d'aile, qui sortent des deux côtés. L'extrémité la plus large de la broche est le collecteur. Ce type de boîtier est courant dans les transistors haute fréquence et son apparence est illustrée dans la figure (c) ci-dessous.
SOT252 est un transistor haute puissance avec trois broches partant d'un côté, et la broche du milieu est plus courte et constitue le collecteur. Connectez-vous à la plus grande broche à l'autre extrémité, qui est une feuille de cuivre pour la dissipation thermique, et son apparence est celle indiquée sur la figure (d) ci-dessous.
Comparaison commune de l'apparence des packages SOT
Le MOSFET SOT-89 à quatre bornes est couramment utilisé sur les cartes mères. Ses spécifications et dimensions sont les suivantes :
Spécifications de taille du MOSFET SOT-89 (unité : mm)
5. Petit paquet de grandes lignes (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) est l'un des packages de montage en surface, également appelé SOL ou DFP. Les épingles sont tirées des deux côtés de l’emballage en forme d’aile de mouette (forme de L). Les matériaux sont le plastique et la céramique. Les normes d'emballage SOP incluent SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28, etc. Le numéro après SOP indique le nombre de broches. La plupart des packages MOSFET SOP adoptent les spécifications SOP-8. L'industrie omet souvent le « P » et l'abrége en SO (Small Out-Line).
Taille du paquet SOP-8
SO-8 a été développé pour la première fois par la société PHILIP. Il est emballé dans du plastique, n'a pas de plaque inférieure de dissipation thermique et a une mauvaise dissipation thermique. Il est généralement utilisé pour les MOSFET de faible consommation. Plus tard, des spécifications standard telles que TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP), etc. ont été progressivement dérivées ; parmi eux, TSOP et TSSOP sont couramment utilisés dans les emballages MOSFET.
Spécifications dérivées du SOP couramment utilisées pour les MOSFET
6. Paquet plat quadruple (QFP)
La distance entre les broches de la puce dans le boîtier QFP (Plastic Quad Flat Package) est très petite et les broches sont très fines. Il est généralement utilisé dans les circuits intégrés à grande ou ultra-grande échelle, et le nombre de broches est généralement supérieur à 100. Les puces emballées sous cette forme doivent utiliser la technologie de montage en surface SMT pour souder la puce à la carte mère. Cette méthode d'emballage présente quatre caractéristiques principales : ① Elle convient à la technologie de montage en surface CMS pour installer le câblage sur les cartes de circuits imprimés ; ② Il convient à une utilisation à haute fréquence ; ③ Il est facile à utiliser et a une grande fiabilité ; ④ Le rapport entre la zone de puce et la zone d'emballage est faible. Comme la méthode d'emballage PGA, cette méthode d'emballage enveloppe la puce dans un emballage en plastique et ne peut pas dissiper la chaleur générée lorsque la puce fonctionne en temps opportun. Cela limite l'amélioration des performances du MOSFET ; et l'emballage en plastique lui-même augmente la taille de l'appareil, ce qui ne répond pas aux exigences du développement des semi-conducteurs dans le sens d'être léger, fin, court et petit. De plus, ce type de procédé d'emballage est basé sur une seule puce, ce qui présente les problèmes d'une faible efficacité de production et d'un coût d'emballage élevé. Par conséquent, QFP est plus adapté à une utilisation dans les circuits LSI logiques numériques tels que les microprocesseurs/réseaux de portes, et convient également au conditionnement de produits de circuits LSI analogiques tels que le traitement du signal VTR et le traitement du signal audio.
7、Quad Flat Package sans fils (QFN)
Le boîtier QFN (Quad Flat Non-leaded package) est équipé de contacts d'électrode sur les quatre côtés. Puisqu'il n'y a pas de câbles, la zone de montage est plus petite que QFP et la hauteur est inférieure à QFP. Parmi eux, le QFN en céramique est également appelé LCC (Leadless Chip Carriers), et le QFN en plastique à faible coût utilisant un matériau de base de substrat imprimé en résine époxy de verre est appelé plastique LCC, PCLC, P-LCC, etc. Il s'agit d'un emballage de puce à montage en surface émergent. technologie avec une petite taille de tampon, un petit volume et du plastique comme matériau d'étanchéité. QFN est principalement utilisé pour le packaging de circuits intégrés et MOSFET ne sera pas utilisé. Cependant, comme Intel a proposé une solution intégrée de pilote et de MOSFET, il a lancé DrMOS dans un boîtier QFN-56 (« 56 » fait référence aux 56 broches de connexion à l'arrière de la puce).
Il convient de noter que le boîtier QFN a la même configuration de câbles externes que le boîtier ultra-mince à petit contour (TSSOP), mais sa taille est 62 % plus petite que celle du TSSOP. Selon les données de modélisation QFN, ses performances thermiques sont 55 % supérieures à celles du boîtier TSSOP, et ses performances électriques (inductance et capacité) sont respectivement 60 % et 30 % supérieures à celles du boîtier TSSOP. Le plus gros inconvénient est qu’il est difficile à réparer.
DrMOS dans le boîtier QFN-56
Les alimentations à découpage abaisseur DC/DC discrètes traditionnelles ne peuvent pas répondre aux exigences d'une densité de puissance plus élevée, ni résoudre le problème des effets de paramètres parasites à des fréquences de commutation élevées. Avec l'innovation et les progrès de la technologie, il est devenu une réalité d'intégrer des pilotes et des MOSFET pour construire des modules multipuces. Cette méthode d'intégration peut économiser un espace considérable et augmenter la densité de consommation d'énergie. Grâce à l'optimisation des pilotes et des MOSFET, c'est devenu une réalité. Efficacité énergétique et courant continu de haute qualité, il s'agit d'un circuit intégré de pilote intégré DrMOS.
DrMOS Renesas 2ème génération
Le boîtier sans fil QFN-56 rend l'impédance thermique DrMOS très faible ; Grâce à la liaison par fil interne et à la conception de clips en cuivre, le câblage externe du PCB peut être minimisé, réduisant ainsi l'inductance et la résistance. De plus, le processus MOSFET au silicium à canal profond utilisé peut également réduire considérablement les pertes de conduction, de commutation et de charge de grille ; il est compatible avec une variété de contrôleurs, peut atteindre différents modes de fonctionnement et prend en charge le mode de conversion de phase active APS (Auto Phase Switching). Outre le conditionnement QFN, le conditionnement plat bilatéral sans plomb (DFN) est également un nouveau processus de conditionnement électronique largement utilisé dans divers composants d'ON Semiconductor. Comparé au QFN, le DFN comporte moins d’électrodes de sortie des deux côtés.
8. Support de puce au plomb en plastique (PLCC)
Le PLCC (Plastic Quad Flat Package) a une forme carrée et est beaucoup plus petit que le boîtier DIP. Il comporte 32 broches avec des broches tout autour. Les broches sortent des quatre côtés de l’emballage en forme de T. C'est un produit en plastique. L'entraxe des broches est de 1,27 mm et le nombre de broches varie de 18 à 84. Les broches en forme de J ne se déforment pas facilement et sont plus faciles à utiliser que le QFP, mais l'inspection de l'apparence après soudage est plus difficile. L'emballage PLCC convient à l'installation de câblage sur PCB à l'aide de la technologie de montage en surface SMT. Il présente les avantages d’une petite taille et d’une grande fiabilité. Le packaging PLCC est relativement courant et est utilisé dans les circuits logiques LSI, DLD (ou dispositif logique de programme) et autres circuits. Cette forme de packaging est souvent utilisée dans le BIOS des cartes mères, mais elle est actuellement moins courante dans les MOSFET.
Encapsulation et amélioration pour les grandes entreprises
En raison de la tendance au développement de la basse tension et du courant élevé dans les processeurs, les MOSFET doivent avoir un courant de sortie important, une faible résistance à l'état passant, une faible génération de chaleur, une dissipation thermique rapide et une petite taille. En plus d'améliorer la technologie et les processus de production de puces, les fabricants de MOSFET continuent également d'améliorer la technologie de conditionnement. Sur la base de la compatibilité avec les spécifications d'apparence standards, ils proposent de nouvelles formes d'emballage et déposent des noms de marque pour les nouveaux emballages qu'ils développent.
1、RENESAS WPAK, LFPAK et LFPAK-IPackages
WPAK est un package de rayonnement thermique élevé développé par Renesas. En imitant le boîtier D-PAK, le dissipateur thermique de la puce est soudé à la carte mère et la chaleur est dissipée à travers la carte mère, de sorte que le petit boîtier WPAK puisse également atteindre le courant de sortie du D-PAK. Le WPAK-D2 contient deux MOSFET haut/bas pour réduire l'inductance du câblage.
Taille du paquet Renesas WPAK
LFPAK et LFPAK-I sont deux autres packages à petit facteur de forme développés par Renesas et compatibles avec SO-8. LFPAK est similaire au D-PAK, mais plus petit que le D-PAK. LFPAK-i place le dissipateur thermique vers le haut pour dissiper la chaleur à travers le dissipateur thermique.
Forfaits Renesas LFPAK et LFPAK-I
2. Emballage Vishay Power-PAK et Polar-PAK
Power-PAK est le nom du package MOSFET enregistré par Vishay Corporation. Power-PAK comprend deux spécifications : Power-PAK1212-8 et Power-PAK SO-8.
Ensemble Vishay Power-PAK1212-8
Ensemble Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK est un petit emballage avec dissipation thermique double face et constitue l'une des principales technologies d'emballage de Vishay. Polar PAK est le même que le package so-8 ordinaire. Il comporte des points de dissipation sur les côtés supérieur et inférieur de l'emballage. Il n'est pas facile d'accumuler de la chaleur à l'intérieur du boîtier et peut augmenter la densité de courant de fonctionnement jusqu'à deux fois celle du SO-8. Actuellement, Vishay a concédé sous licence la technologie Polar PAK à STMicroelectronics.
Forfait Vishay Polar PAK
3. Paquets de câbles plats Onsemi SO-8 et WDFN8
ON Semiconductor a développé deux types de MOSFET à conducteurs plats, parmi lesquels ceux à conducteurs plats compatibles SO-8 sont utilisés par de nombreuses cartes. Les MOSFET de puissance NVMx et NVTx récemment lancés par ON Semiconductor utilisent des boîtiers compacts DFN5 (SO-8FL) et WDFN8 pour minimiser les pertes de conduction. Il présente également un faible QG et une faible capacité pour minimiser les pertes de pilotes.
ON Semiconductor Boîtier de câbles plats SO-8
Boîtier ON Semiconductor WDFN8
4. Emballage NXP LFPAK et QLPAK
NXP (anciennement Philps) a amélioré la technologie d'emballage SO-8 en LFPAK et QLPAK. Parmi eux, LFPAK est considéré comme le boîtier de puissance SO-8 le plus fiable au monde ; tandis que QLPAK présente les caractéristiques d'une petite taille et d'une efficacité de dissipation thermique plus élevée. Comparé au SO-8 ordinaire, QLPAK occupe une surface de carte PCB de 6*5 mm et a une résistance thermique de 1,5 k/W.
Package NXP LFPAK
Emballage NXP QLPAK
4. Boîtier ST Semiconductor PowerSO-8
Les technologies de conditionnement de puces MOSFET de puissance de STMicroelectronics incluent SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK, etc. Parmi elles, Power SO-8 est une version améliorée de SO-8. De plus, il existe PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 et d'autres packages.
Boîtier STMicroelectronics Power SO-8
5. Package Fairchild Semiconductor Power 56
Power 56 est le nom exclusif de Farichild et son nom officiel est DFN5×6. Sa zone d'emballage est comparable à celle du TSOP-8 couramment utilisé, et le boîtier mince permet d'économiser la hauteur de dégagement des composants, et la conception du coussin thermique en bas réduit la résistance thermique. Par conséquent, de nombreux fabricants de dispositifs électriques ont déployé le DFN5×6.
Forfait Fairchild Power 56
6. Package FET direct International Rectifier (IR)
Direct FET fournit un refroidissement supérieur efficace dans un encombrement SO-8 ou inférieur et convient aux applications de conversion de puissance AC-DC et DC-DC dans les ordinateurs, ordinateurs portables, équipements de télécommunications et électroniques grand public. La construction du boîtier métallique de DirectFET offre une dissipation thermique double face, doublant efficacement les capacités de gestion du courant des convertisseurs abaisseurs DC-DC haute fréquence par rapport aux boîtiers discrets en plastique standard. Le boîtier Direct FET est un type à montage inversé, avec le dissipateur thermique de drainage (D) orienté vers le haut et recouvert d'une coque métallique à travers laquelle la chaleur est dissipée. L'emballage Direct FET améliore considérablement la dissipation thermique et prend moins de place avec une bonne dissipation thermique.
Résumer
À l'avenir, à mesure que l'industrie de la fabrication électronique continue de se développer dans le sens de l'ultra-mince, de la miniaturisation, de la basse tension et du courant élevé, l'apparence et la structure interne du boîtier du MOSFET changeront également pour mieux s'adapter aux besoins de développement de l'industrie manufacturière. industrie. De plus, afin d'abaisser le seuil de sélection des fabricants de composants électroniques, la tendance du développement des MOSFET vers la modularisation et le conditionnement au niveau système deviendra de plus en plus évidente, et les produits se développeront de manière coordonnée à partir de multiples dimensions telles que les performances et le coût. . Le package est l’un des facteurs de référence importants pour la sélection des MOSFET. Différents produits électroniques ont des exigences électriques différentes, et différents environnements d'installation nécessitent également des spécifications de taille correspondantes. Lors de la sélection réelle, la décision doit être prise en fonction des besoins réels selon le principe général. Certains systèmes électroniques sont limités par la taille du PCB et la hauteur interne. Par exemple, les modules d'alimentation des systèmes de communication utilisent généralement des boîtiers DFN5*6 et DFN3*3 en raison de restrictions de hauteur ; dans certaines alimentations ACDC, les conceptions ultra-minces ou en raison des limitations de la coque conviennent à l'assemblage de MOSFET de puissance en boîtier TO220. À ce stade, les broches peuvent être directement insérées dans la racine, ce qui ne convient pas aux produits emballés TO247 ; certaines conceptions ultra fines nécessitent que les broches du dispositif soient pliées et posées à plat, ce qui augmentera la complexité de la sélection du MOSFET.
Comment choisir un MOSFET
Un ingénieur m'a dit un jour qu'il n'avait jamais regardé la première page d'une fiche technique MOSFET car les informations « pratiques » n'apparaissaient que sur la deuxième page et au-delà. Pratiquement chaque page d'une fiche technique MOSFET contient des informations précieuses pour les concepteurs. Mais il n’est pas toujours clair comment interpréter les données fournies par les fabricants.
Cet article décrit certaines des spécifications clés des MOSFET, la manière dont elles sont indiquées sur la fiche technique et l'image claire dont vous avez besoin pour les comprendre. Comme la plupart des appareils électroniques, les MOSFET sont affectés par la température de fonctionnement. Il est donc important de comprendre les conditions de test dans lesquelles les indicateurs mentionnés sont appliqués. Il est également crucial de comprendre si les indicateurs que vous voyez dans la « Présentation du produit » sont des valeurs « maximales » ou « typiques », car certaines fiches techniques ne le précisent pas.
Niveau de tension
La principale caractéristique qui détermine un MOSFET est sa tension drain-source VDS, ou « tension de claquage drain-source », qui est la tension la plus élevée que le MOSFET peut supporter sans dommage lorsque la grille est court-circuitée à la source et au courant de drain. est de 250 μA. . VDS est également appelé « tension maximale absolue à 25 °C », mais il est important de se rappeler que cette tension absolue dépend de la température et qu'il y a généralement un « coefficient de température VDS » dans la fiche technique. Vous devez également comprendre que le VDS maximum correspond à la tension continue plus les pointes de tension et les ondulations pouvant être présentes dans le circuit. Par exemple, si vous utilisez un appareil 30 V sur une alimentation 30 V avec une pointe de 100 mV, 5 ns, la tension dépassera la limite maximale absolue de l'appareil et celui-ci pourra passer en mode avalanche. Dans ce cas, la fiabilité du MOSFET ne peut être garantie. À des températures élevées, le coefficient de température peut modifier considérablement la tension de claquage. Par exemple, certains MOSFET à canal N avec une tension nominale de 600 V ont un coefficient de température positif. À mesure qu'ils approchent de leur température de jonction maximale, le coefficient de température fait que ces MOSFET se comportent comme des MOSFET 650 V. Les règles de conception de nombreux utilisateurs de MOSFET exigent un facteur de déclassement de 10 à 20 %. Dans certaines conceptions, étant donné que la tension de claquage réelle est de 5 à 10 % supérieure à la valeur nominale à 25 °C, une marge de conception utile correspondante sera ajoutée à la conception réelle, ce qui est très bénéfique pour la conception. Il est tout aussi important pour la sélection correcte des MOSFET de comprendre le rôle de la tension grille-source VGS pendant le processus de conduction. Cette tension est la tension qui assure la pleine conduction du MOSFET dans une condition RDS(on) maximale donnée. C'est pourquoi la résistance à l'état passant est toujours liée au niveau VGS, et ce n'est qu'à cette tension que l'appareil peut être allumé. Une conséquence importante de la conception est que vous ne pouvez pas activer complètement le MOSFET avec une tension inférieure au VGS minimum utilisé pour atteindre la valeur nominale RDS(on). Par exemple, pour piloter un MOSFET à fond avec un microcontrôleur de 3,3 V, vous devez pouvoir allumer le MOSFET à VGS = 2,5 V ou moins.
Résistance à l'état passant, charge de porte et « facteur de mérite »
La résistance à l'état passant d'un MOSFET est toujours déterminée à une ou plusieurs tensions grille-source. La limite maximale RDS(on) peut être de 20 % à 50 % supérieure à la valeur typique. La limite maximale de RDS(on) se réfère généralement à la valeur à une température de jonction de 25°C. À des températures plus élevées, RDS(on) peut augmenter de 30 % à 150 %, comme le montre la figure 1. Étant donné que RDS(on) change avec la température et que la valeur de résistance minimale ne peut pas être garantie, la détection du courant basée sur RDS(on) n'est pas une méthode très précise.
Figure 1 : RDS(on) augmente avec la température dans la plage de 30 % à 150 % de la température de fonctionnement maximale
La résistance à l'état passant est très importante pour les MOSFET à canal N et à canal P. Dans les alimentations à découpage, Qg est un critère de sélection clé pour les MOSFET à canal N utilisés dans les alimentations à découpage, car Qg affecte les pertes de commutation. Ces pertes ont deux effets : l'un est le temps de commutation qui affecte l'activation et la désactivation du MOSFET ; l'autre est l'énergie nécessaire pour charger la capacité de grille pendant chaque processus de commutation. Une chose à garder à l'esprit est que Qg dépend de la tension grille-source, même si l'utilisation d'un Vgs inférieur réduit les pertes de commutation. Pour comparer rapidement les MOSFET destinés à être utilisés dans les applications de commutation, les concepteurs utilisent souvent une formule unique composée de RDS(on) pour les pertes de conduction et de Qg pour les pertes de commutation : RDS(on)xQg. Ce « chiffre de mérite » (FOM) résume les performances du dispositif et permet de comparer les MOSFET en termes de valeurs typiques ou maximales. Pour garantir une comparaison précise entre les appareils, vous devez vous assurer que le même VGS est utilisé pour RDS(on) et Qg, et que les valeurs typiques et maximales ne sont pas mélangées dans la publication. Un FOM inférieur vous offrira de meilleures performances lors du changement d'application, mais ce n'est pas garanti. Les meilleurs résultats de comparaison ne peuvent être obtenus que dans un circuit réel et, dans certains cas, il peut être nécessaire d'affiner le circuit pour chaque MOSFET. Courant nominal et dissipation de puissance, basés sur différentes conditions de test, la plupart des MOSFET ont un ou plusieurs courants de drain continus dans la fiche technique. Vous voudrez examiner attentivement la fiche technique pour déterminer si la valeur nominale est à la température du boîtier spécifiée (par exemple TC=25°C) ou à la température ambiante (par exemple TA=25°C). Laquelle de ces valeurs est la plus pertinente dépendra des caractéristiques de l'appareil et de son application (voir Figure 2).
Figure 2 Toutes les valeurs maximales absolues de courant et de puissance sont des données réelles
Pour les petits appareils montés en surface utilisés dans les appareils portables, le niveau de courant le plus pertinent peut être celui à une température ambiante de 70 °C. Pour les gros équipements équipés de dissipateurs thermiques et de refroidissement à air forcé, le niveau actuel à TA=25℃ peut être plus proche de la situation réelle. Pour certains appareils, la puce peut gérer plus de courant à sa température de jonction maximale que les limites du boîtier. Dans certaines fiches techniques, ce niveau de courant « limité à la puce » est une information complémentaire au niveau de courant « limité au package », ce qui peut vous donner une idée de la robustesse de la puce. Des considérations similaires s’appliquent à la dissipation continue de puissance, qui dépend non seulement de la température mais également de la durée. Imaginez un appareil fonctionnant en continu à PD=4W pendant 10 secondes à TA=70℃. Ce qui constitue une période de temps « continue » varie en fonction du package MOSFET. Vous souhaiterez donc utiliser le tracé d'impédance transitoire thermique normalisé de la fiche technique pour voir à quoi ressemble la dissipation de puissance après 10 secondes, 100 secondes ou 10 minutes. . Comme le montre la figure 3, le coefficient de résistance thermique de cet appareil spécialisé après une impulsion de 10 secondes est d'environ 0,33, ce qui signifie qu'une fois que le boîtier atteint la saturation thermique après environ 10 minutes, la capacité de dissipation thermique de l'appareil n'est que de 1,33 W au lieu de 4 W. . Bien que la capacité de dissipation thermique de l'appareil puisse atteindre environ 2 W sous un bon refroidissement.
Figure 3 Résistance thermique du MOSFET lorsqu'une impulsion de puissance est appliquée
En fait, nous pouvons diviser le choix du MOSFET en quatre étapes.
La première étape : choisissez le canal N ou le canal P
La première étape dans le choix du dispositif adapté à votre conception consiste à décider s'il convient d'utiliser un MOSFET à canal N ou à canal P. Dans une application d'alimentation typique, lorsqu'un MOSFET est connecté à la terre et que la charge est connectée à la tension secteur, le MOSFET forme le commutateur côté bas. Dans le commutateur côté bas, des MOSFET à canal N doivent être utilisés en raison de considérations sur la tension requise pour éteindre ou allumer l'appareil. Lorsque le MOSFET est connecté au bus et à la charge à la terre, un interrupteur côté haut est utilisé. Les MOSFET à canal P sont généralement utilisés dans cette topologie, ce qui est également dû à des considérations de commande de tension. Pour sélectionner le bon appareil pour votre application, vous devez déterminer la tension requise pour piloter l'appareil et la manière la plus simple de le faire dans votre conception. L'étape suivante consiste à déterminer la tension nominale requise ou la tension maximale que l'appareil peut supporter. Plus la tension nominale est élevée, plus le coût de l'appareil est élevé. D'après l'expérience pratique, la tension nominale doit être supérieure à la tension du réseau ou à la tension du bus. Cela fournira une protection suffisante pour que le MOSFET ne tombe pas en panne. Lors de la sélection d'un MOSFET, il est nécessaire de déterminer la tension maximale pouvant être tolérée du drain à la source, c'est-à-dire le VDS maximum. Il est important de savoir que la tension maximale qu'un MOSFET peut résister aux changements avec la température. Les concepteurs doivent tester les variations de tension sur toute la plage de températures de fonctionnement. La tension nominale doit avoir une marge suffisante pour couvrir cette plage de variation afin de garantir que le circuit ne tombera pas en panne. Parmi les autres facteurs de sécurité que les ingénieurs concepteurs doivent prendre en compte, citons les transitoires de tension induits par les composants électroniques de commutation tels que les moteurs ou les transformateurs. Les tensions nominales varient selon les applications ; généralement, 20 V pour les appareils portables, 20-30 V pour les alimentations FPGA et 450-600 V pour les applications 85-220 V CA.
Étape 2 : Déterminer le courant nominal
La deuxième étape consiste à choisir le calibre actuel du MOSFET. En fonction de la configuration du circuit, ce courant nominal doit être le courant maximum que la charge peut supporter en toutes circonstances. Comme pour la situation de tension, le concepteur doit s'assurer que le MOSFET sélectionné peut résister à ce courant nominal, même lorsque le système génère des pointes de courant. Les deux conditions de courant prises en compte sont le mode continu et le pic d'impulsion. En mode de conduction continue, le MOSFET est dans un état stable, où le courant circule en continu à travers le dispositif. Un pic d'impulsion fait référence à une forte surtension (ou courant de pointe) circulant à travers l'appareil. Une fois le courant maximum dans ces conditions déterminé, il suffit simplement de sélectionner un appareil capable de gérer ce courant maximum. Après avoir sélectionné le courant nominal, la perte de conduction doit également être calculée. Dans les situations réelles, le MOSFET n'est pas un dispositif idéal car il se produit une perte d'énergie électrique pendant le processus de conduction, appelée perte de conduction. Un MOSFET se comporte comme une résistance variable lorsqu'il est « activé », qui est déterminé par le RDS(ON) de l'appareil et change de manière significative avec la température. La perte de puissance de l'appareil peut être calculée par Iload2×RDS(ON). Étant donné que la résistance à l'état passant change avec la température, la perte de puissance changera également proportionnellement. Plus la tension VGS appliquée au MOSFET est élevée, plus le RDS(ON) sera petit ; à l’inverse, plus le RDS(ON) sera élevé. Pour le concepteur du système, c'est là qu'interviennent les compromis en fonction de la tension du système. Pour les conceptions portables, il est plus facile (et plus courant) d'utiliser des tensions inférieures, tandis que pour les conceptions industrielles, des tensions plus élevées peuvent être utilisées. Notez que la résistance RDS(ON) augmentera légèrement avec le courant. Les variations des divers paramètres électriques de la résistance RDS(ON) peuvent être trouvées dans la fiche technique fournie par le fabricant. La technologie a un impact significatif sur les caractéristiques de l'appareil, car certaines technologies ont tendance à augmenter le RDS(ON) lors de l'augmentation du VDS maximum. Pour une telle technologie, si vous avez l'intention de réduire VDS et RDS(ON), vous devez augmenter la taille de la puce, augmentant ainsi la taille du package correspondant et les coûts de développement associés. Il existe plusieurs technologies dans l'industrie qui tentent de contrôler l'augmentation de la taille des puces, les plus importantes étant les technologies d'équilibrage des canaux et des charges. Dans la technologie des tranchées, une tranchée profonde est intégrée dans la tranche, généralement réservée aux basses tensions, pour réduire la résistance à l'état passant RDS(ON). Afin de réduire l'impact du VDS maximum sur le RDS(ON), un processus de colonne de croissance épitaxiale/colonne de gravure a été utilisé pendant le processus de développement. Par exemple, Fairchild Semiconductor a développé une technologie appelée SuperFET qui ajoute des étapes de fabrication supplémentaires pour la réduction du RDS(ON). Cette focalisation sur RDS(ON) est importante car à mesure que la tension de claquage d'un MOSFET standard augmente, RDS(ON) augmente de façon exponentielle et entraîne une augmentation de la taille de la puce. Le processus SuperFET transforme la relation exponentielle entre RDS(ON) et la taille de la tranche en une relation linéaire. De cette manière, les dispositifs SuperFET peuvent atteindre un faible RDS(ON) idéal dans des puces de petite taille, même avec des tensions de claquage allant jusqu'à 600 V. Le résultat est que la taille des plaquettes peut être réduite jusqu'à 35 %. Pour les utilisateurs finaux, cela signifie une réduction significative de la taille du package.
Troisième étape : déterminer les exigences thermiques
L'étape suivante dans la sélection d'un MOSFET consiste à calculer les exigences thermiques du système. Les concepteurs doivent envisager deux scénarios différents, le pire des cas et le scénario du monde réel. Il est recommandé d'utiliser le résultat de calcul le plus défavorable, car ce résultat offre une plus grande marge de sécurité et garantit que le système ne tombera pas en panne. Certaines données de mesure nécessitent également une attention particulière sur la fiche technique du MOSFET ; telles que la résistance thermique entre la jonction semi-conductrice du dispositif emballé et l'environnement, et la température de jonction maximale. La température de jonction de l'appareil est égale à la température ambiante maximale plus le produit de la résistance thermique et de la puissance dissipée (température de jonction = température ambiante maximale + [résistance thermique × puissance dissipée]). Selon cette équation, la dissipation de puissance maximale du système peut être résolue, qui est égale à I2×RDS(ON) par définition. Puisque le concepteur a déterminé le courant maximum qui traversera l'appareil, RDS(ON) peut être calculé à différentes températures. Il convient de noter que lorsqu’ils traitent des modèles thermiques simples, les concepteurs doivent également prendre en compte la capacité thermique de la jonction semi-conductrice/boîtier du dispositif et du boîtier/environnement ; cela nécessite que le circuit imprimé et le boîtier ne chauffent pas immédiatement. Le claquage par avalanche signifie que la tension inverse sur le dispositif semi-conducteur dépasse la valeur maximale et forme un champ électrique puissant pour augmenter le courant dans le dispositif. Ce courant dissipera l'énergie, augmentera la température de l'appareil et éventuellement l'endommagera. Les sociétés de semi-conducteurs effectueront des tests d'avalanche sur les appareils, calculeront leur tension d'avalanche ou testeront la robustesse de l'appareil. Il existe deux méthodes pour calculer la tension nominale d'avalanche ; l'une est une méthode statistique et l'autre est un calcul thermique. Le calcul thermique est largement utilisé car plus pratique. De nombreuses entreprises ont fourni des détails sur les tests de leurs appareils. Par exemple, Fairchild Semiconductor fournit des « Power MOSFET Avalanche Guidelines » (Power MOSFET Avalanche Guidelines - peut être téléchargé à partir du site Web de Fairchild). Outre l’informatique, la technologie a également une grande influence sur l’effet d’avalanche. Par exemple, une augmentation de la taille de la puce augmente la résistance aux avalanches et, en fin de compte, augmente la robustesse du dispositif. Pour les utilisateurs finaux, cela signifie utiliser des packages plus volumineux dans le système.
Étape 4 : Déterminer les performances du commutateur
La dernière étape de la sélection d'un MOSFET consiste à déterminer les performances de commutation du MOSFET. De nombreux paramètres affectent les performances de commutation, mais les plus importants sont la capacité grille/drain, grille/source et drain/source. Ces condensateurs créent des pertes de commutation dans l'appareil car ils sont chargés à chaque commutation. La vitesse de commutation du MOSFET est donc réduite, ainsi que l'efficacité du dispositif. Pour calculer les pertes totales dans un appareil lors de la commutation, le concepteur doit calculer les pertes lors de la mise sous tension (Eon) et les pertes lors de la désactivation (Eoff). La puissance totale du commutateur MOSFET peut être exprimée par l'équation suivante : Psw=(Eon+Eoff)×fréquence de commutation. La charge de grille (Qgd) a le plus grand impact sur les performances de commutation. Compte tenu de l’importance des performances de commutation, de nouvelles technologies sont constamment développées pour résoudre ce problème de commutation. L'augmentation de la taille des puces augmente la charge de porte ; cela augmente la taille de l'appareil. Afin de réduire les pertes de commutation, de nouvelles technologies telles que l'oxydation à fond épais de canal ont vu le jour, visant à réduire la charge de grille. Par exemple, la nouvelle technologie SuperFET peut minimiser les pertes de conduction et améliorer les performances de commutation en réduisant le RDS(ON) et la charge de grille (Qg). De cette manière, les MOSFET peuvent gérer les transitoires de tension (dv/dt) et de courant (di/dt) à grande vitesse pendant la commutation, et peuvent même fonctionner de manière fiable à des fréquences de commutation plus élevées.
Heure de publication : 23 octobre 2023
