شرح مفصل لحزمة تبديد الحرارة العلوية لترانزستور MOSFET عالي الكفاءة

معظم ترانزستورات MOSFET المستخدمة في تطبيقات الطاقة هي أجهزة تركيب سطحي (SMD)، بما في ذلك عبوات مثل SO8FL وu8FL وLFPAK. ويُعزى اختيار هذه الأجهزة عادةً إلى قدرتها العالية على تحمل الطاقة وحجمها الصغير، مما يُسهم في الحصول على حلول أكثر إحكامًا. وعلى الرغم من قدرة هذه الأجهزة العالية على تحمل الطاقة، إلا أن تبديد الحرارة فيها قد لا يكون مثاليًا في بعض الأحيان.

بسبب اللحام المباشر لإطار التوصيل (بما في ذلك نقاط التصريف المكشوفة) للجهاز بالمنطقة المطلية بالنحاس، تنتقل الحرارة بشكل رئيسي عبر لوحة الدوائر المطبوعة. أما باقي الجهاز فهو مغلف بغلاف بلاستيكي، ولا يمكنه تبديد الحرارة إلا عن طريق الحمل الحراري. لذلك، تعتمد كفاءة نقل الحرارة بشكل كبير على خصائص لوحة الدوائر: حجم منطقة الطلاء النحاسي، وعدد الطبقات، والسماكة، والتصميم. قد يحدث هذا سواءً كانت لوحة الدوائر مثبتة على مشتت حراري أم لا. لا يمكن للأجهزة التقليدية الوصول إلى أقصى قدرة طاقة لها لأن لوحات الدوائر المطبوعة لا تتمتع عمومًا بموصلية حرارية وكتلة حرارية عاليتين. ولمعالجة هذه المشكلة وتقليل حجم التطبيق، طورت الصناعة غلافًا جديدًا لترانزستور MOSFET يكشف إطار توصيل MOSFET (التصريف) في الجزء العلوي من الغلاف (كما هو موضح في الشكل 1).

الشكل 1: حزمة تبديد الحرارة العلوية

1- مزايا تصميم تبديد الحرارة من الأعلى

على الرغم من أن تقنية SMD التقليدية للطاقة تُعدّ مثالية لتحقيق حلول التصغير، إلا أنها تتطلب عدم وضع أي مكونات أخرى على الجزء الخلفي من لوحة الدائرة أسفلها، وذلك لاعتبارات تبديد الحرارة. يؤدي ذلك إلى عدم استغلال بعض المساحة على لوحة الدائرة، مما ينتج عنه حجم أكبر للوحة النهائية. ويمكن لمكون المشتت الحراري العلوي تجاوز هذه المشكلة، حيث يتم تبديد حرارته من خلال الجزء العلوي منه. وبهذه الطريقة، يمكن وضع المكونات على اللوحة أسفل MOSFET.

يمكن استخدام هذه المساحة لترتيب المكونات التالية (على سبيل المثال لا الحصر):

جهاز الطاقة

دائرة تشغيل البوابة

مكونات الدعم (المكثفات، والمخازن المؤقتة، وما إلى ذلك)

وعلى العكس من ذلك، يمكن أن يقلل ذلك أيضًا من حجم لوحة الدائرة، ويقلل من مسار إشارات تشغيل البوابة، ويحقق حلاً أكثر مثالية.

الشكل 2: مساحة جهاز لوحة الدوائر المطبوعة

بالمقارنة مع أجهزة SMD القياسية، لا توفر مكونات المشتت الحراري العلوي مساحة أكبر للتصميم فحسب، بل تقلل أيضًا من تداخل الحرارة. إذ تنتقل معظم الحرارة من غلاف تبديد الحرارة العلوي مباشرةً إلى المشتت الحراري، مما يقلل من الحرارة التي تتعرض لها لوحة الدوائر المطبوعة. وهذا بدوره يساعد على خفض درجة حرارة تشغيل الأجهزة المحيطة.

2- ميزة الأداء الحراري لتبديد الحرارة من الأعلى

على عكس ترانزستورات MOSFET التقليدية المثبتة على السطح، تسمح حزمة تبديد الحرارة العلوية بتوصيل المشتت الحراري مباشرةً بإطار التوصيل للجهاز. ونظرًا للتوصيل الحراري العالي للمعادن، تُصنع مواد المشتت الحراري عادةً من المعادن. على سبيل المثال، تُصنع معظم المشتتات الحرارية من الألومنيوم، الذي تتراوح موصليته الحرارية بين 100 و210 واط/متر.كلفن. وبالمقارنة مع الطريقة التقليدية لتبديد الحرارة عبر لوحة الدوائر المطبوعة، فإن هذه الطريقة، التي تعتمد على مواد ذات موصلية حرارية عالية، تُقلل المقاومة الحرارية بشكل كبير. وتُعد الموصلية الحرارية وحجم المادة من العوامل الرئيسية التي تُحدد المقاومة الحرارية. فكلما انخفضت المقاومة الحرارية، كان الأداء الحراري أفضل.

R θ = المقاومة الحرارية المطلقة

Δ X = سمك المادة الموازية لاتجاه تدفق الحرارة

A = مساحة المقطع العرضي العمودي على تدفق الحرارة

K = الموصلية الحرارية

إضافةً إلى تحسين التوصيل الحراري، توفر مشتتات الحرارة كتلة حرارية أكبر، مما يساعد على تجنب التشبع أو توفير ثابت زمني حراري أكبر. ويعود ذلك إلى إمكانية تغيير حجم المشتت العلوي. فبالنسبة لكمية معينة من الطاقة الحرارية المُدخلة، تتناسب الكتلة الحرارية أو السعة الحرارية تناسبًا طرديًا مع التغير في درجة الحرارة.

Cth = السعة الحرارية، جول/كلفن

Q = الطاقة الحرارية، جول

ΔT = التغير في درجة الحرارة، كلفن

غالبًا ما تختلف تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة، وإذا كان سمك رقائق النحاس منخفضًا، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض الكتلة الحرارية (السعة الحرارية) وضعف انتقال الحرارة. كل هذه العوامل تجعل ترانزستورات MOSFET القياسية المثبتة على السطح غير قادرة على تحقيق استجابة حرارية مثالية أثناء الاستخدام. نظريًا، تتميز حزمة تبديد الحرارة العلوية بقدرتها على تبديد الحرارة مباشرةً من خلال مصدر ذي كتلة حرارية عالية وموصلية حرارية عالية، مما يُحسّن استجابتها الحرارية (Zth (℃/W)). عند ارتفاع درجة حرارة الوصلة، تدعم الاستجابة الحرارية الأفضل مدخلات طاقة أعلى. وبالتالي، بالنسبة لشريحة MOSFET نفسها، تتمتع الشرائح ذات التغليف العلوي لتبديد الحرارة بقدرات تيار وطاقة أعلى من الشرائح ذات التغليف القياسي للتثبيت على السطح.

الشكل 3 مسارات تبديد الحرارة لحزمة تبديد الحرارة العلوية (أعلى) وحزمة SO8FL (أسفل)

3- إعداد اختبار لمقارنة الأداء الحراري

لإثبات مزايا الأداء الحراري لتبديد الحرارة العلوي والتحقق منها، أجرينا اختبارات لمقارنة ارتفاع درجة حرارة الشريحة والاستجابة الحرارية لجهازي TCPAK57 وSO8FL في ظل نفس الظروف الحرارية. ولضمان الفعالية، تم اختبار الجهازين في ظل نفس الظروف الكهربائية والحرارية. ويكمن الاختلاف في أن مشتت الحرارة لجهاز TCPAK57 مُثبّت فوق الجهاز، بينما مُثبّت مشتت الحرارة لجهاز SO8FL في أسفل لوحة الدوائر المطبوعة، مباشرةً أسفل منطقة MOSFET (الشكل 3). وهذا يُحاكي استخدام الجهاز في التطبيقات العملية. خلال فترة الاختبار، استُخدمت أيضًا مواد توصيل حراري (TIMs) بسماكات مختلفة للتحقق من إمكانية تحسين تغليف الجهاز باستخدام ظروف حرارية مختلفة. يُجرى الاختبار بشكل عام كما يلي: يُطبّق تيار ثابت (وبالتالي طاقة ثابتة) على الجهازين، ثم يُرصد التغير في درجة حرارة الوصلة لتحديد الجهاز ذي الأداء الأفضل.

4- اختيار الجهاز وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة

فيما يتعلق باختيار الأجهزة، تتميز ترانزستورات MOSFET في كل عبوة بنفس حجم الشريحة وتستخدم نفس التقنية. يضمن هذا أن يكون استهلاك الطاقة متساوياً لكل جهاز عند تيار محدد، وأن تكون الاستجابة الحرارية متسقة على مستوى العبوة. وبهذه الطريقة، نضمن أن الاختلافات المقاسة في الاستجابة الحرارية ناتجة عن اختلافات في التغليف. لهذه الأسباب، اخترنا استخدام TCPAK57 وSO8FL. يستخدم هذان النوعان تصميمات مختلفة قليلاً للمشابك وإطارات التوصيل، أحدهما مزود بأطراف توصيل (TCPAK57) والآخر بدونها (SO8FL). تجدر الإشارة إلى أن هذه الاختلافات طفيفة ولن يكون لها تأثير كبير على الاستجابة الحرارية في حالة الاستقرار، لذا يمكن تجاهلها. بعد تحديد المعايير، تكون الأجهزة المختارة كما يلي:

NVMFS5C410N SO8FL

NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

لضمان تكافؤ جميع الحدود الحرارية الأخرى، صممنا لوحتي دوائر مطبوعة متطابقتين لاستيعاب حزم SO8FL أو TCPAK57. يتكون تصميم لوحة الدوائر المطبوعة من 4 طبقات، تحتوي كل منها على 28 غرامًا من النحاس. أبعادها 122 مم × 7 مم. لا تحتوي لوحة SO8FL على فتحات حرارية تربط وسادة التصريف بالطبقات الموصلة الأخرى للوحة (وهو ما لا يُعدّ الأمثل لتبديد الحرارة)؛ في هذه المقارنة، يمكن اعتبارها أسوأ سيناريو لتبديد الحرارة.

الشكل 5: كل طبقة من طبقات لوحة الدوائر المطبوعة (الطبقة 1 معروضة في الزاوية العلوية اليسرى، والطبقة 2 معروضة في الزاوية العلوية اليمنى، والطبقة 3 معروضة في الزاوية السفلية اليسرى، والطبقة 4 معروضة في الزاوية السفلية اليمنى).

5- المشعات ومواد التوصيل الحراري (TIM)

المشتت الحراري المستخدم في عملية الاختبار مصنوع من الألومنيوم ومصمم خصيصًا للتركيب على لوحة الدوائر المطبوعة. يبلغ مقاس المشتت 107 مم × 144 مم، وهو مُبرّد بسائل تبريد، مع مساحة تبديد حرارة تبلغ 35 مم × 38 مم تقع أسفل موضع MOSFET مباشرةً. السائل الذي يمر عبر المشتت هو الماء، وهو سائل تبريد شائع الاستخدام في التطبيقات الميدانية. في جميع سيناريوهات الاختبار، تم ضبط معدل التدفق على قيمة ثابتة قدرها 0.5 جالون في الدقيقة. يوفر الماء سعة حرارية إضافية، حيث ينقل الحرارة من المشتت إلى نظام إمداد الماء، مما يساعد على خفض درجة حرارة الجهاز.

الشكل 6: إعدادات التطبيق

لتحسين تبديد الحرارة عند وصلة MOSFET، يُنصح باستخدام مواد حشو الفجوات الحرارية. يساعد ذلك على سد أي عيوب محتملة على سطح الوصلة. ونظرًا لأن الهواء موصل حراري ضعيف، فإنه يزيد المقاومة الحرارية مع أي فجوة هوائية. المادة الحرارية المستخدمة في الاختبار هي مادة Bergquist 4500CVO المانعة للتسرب، ذات موصلية حرارية تبلغ 4.5 واط/متر.كلفن. تم استخدام عدة سماكات مختلفة من هذه المادة الحرارية لإثبات إمكانية تحسين الاستجابة الحرارية. تم تحديد السماكة المطلوبة باستخدام حشيات دقيقة بين لوحة الدائرة والمشتت الحراري. السماكة المستهدفة هي: من 200 ميكرومتر إلى 700 ميكرومتر تقريبًا.

6- اختبار الدوائر وطرق التسخين/القياس

يُعدّ تصميم الدائرة المدمجة المختارة تصميمًا نصف جسري، نظرًا لكونه مناسبًا للتطبيقات الميدانية العامة. ويعكس تقارب الجهازين من بعضهما بدقة تصميم الموقع، حيث يُسهم تقصير الأسلاك في تقليل التأثيرات الطفيلية. وبسبب التداخل الحراري بين الأجهزة، سيؤثر ذلك بشكل ملحوظ على الاستجابة الحرارية.

لتحقيق التسخين المطلوب عند قيمة تيار منخفضة، يمر التيار عبر ثنائي الجسم في ترانزستور MOSFET. ولضمان ذلك، يتم توصيل طرفي البوابة والمصدر بدائرة قصر. تُحسب الاستجابة الحرارية للجهاز بتسخين ترانزستور نصف الجسر أولًا حتى الوصول إلى درجة حرارة الوصلة المستقرة (أي عندما تتوقف درجة الحرارة عن الارتفاع)، ثم مراقبة جهد المصدر-المصب (Vsd) باستخدام مصدر إشارة صغير بقيمة 10 مللي أمبير مع عودة درجة حرارة الوصلة إلى درجة حرارة التبريد. يتساوى الزمن اللازم للوصول إلى حالة الاستقرار الحراري أثناء التسخين مع الزمن اللازم للعودة إلى حالة انقطاع التيار الكهربائي. يرتبط جهد Vsd لثنائي الجسم خطيًا بدرجة حرارة الوصلة، لذا يمكن استخدام نسبة ثابتة (مللي فولت/درجة مئوية) (تُحدد بتحليل خصائص كل جهاز) لربطها بـ ΔTj. بعد ذلك، يُقسم ΔTj خلال فترة التبريد كاملةً على استهلاك الطاقة في نهاية مرحلة التسخين للحصول على الاستجابة الحرارية (Zth) للنظام.

يقوم جهاز T3ster بقياس كل من مصدر الطاقة 2 أمبير، ومصدر الطاقة 10 مللي أمبير، وVsd. وهو جهاز اختبار تجاري مصمم خصيصًا لمراقبة الاستجابة الحرارية، ويستخدم الطريقة المذكورة سابقًا لحسابها.

الشكل 7: مخطط الدائرة

7- نتائج المقارنة الأكثر رواجًا

قم بقياس نتائج الاستجابة الحرارية لكل جهاز في ظل حالتين:

200 ميكرومتر TIM

700 ميكرومتر TIM

يهدف هذان القياسان إلى تحديد أيّ غلاف في نظام تحكم معين يتمتع باستجابة حرارية أفضل، وأيّ جهاز يمكن تحسين استجابته الحرارية من خلال طرق تبديد الحرارة الخارجية. تجدر الإشارة إلى أن هذه النتائج لا تنطبق على جميع التطبيقات، بل هي خاصة بالحدود الحرارية المذكورة.

مقارنة بين التغليف باستخدام مادة التوصيل الحراري بسمك 200 ميكرومتر مثبتة على المشتت الحراري.

في عملية الاختبار الأولى، تم تركيب كل جهاز على مشتت حراري مبرد بالماء باستخدام مادة توصيل حراري بسمك 200 ميكرومتر. تلقى كل جهاز نبضة تيار 2 أمبير حتى وصل إلى حالة الاستقرار. راقب برنامج T3ster جهد Vsd أثناء تبديد الحرارة وربطه عكسيًا بمنحنى الاستجابة الحرارية للنظام. بلغت قيمة الاستجابة الحرارية في حالة الاستقرار لتبديد الحرارة العلوي حوالي 4.13 درجة مئوية/واط، بينما بلغت قيمة SO8FL حوالي 25.27 درجة مئوية/واط. يتوافق هذا الفرق الكبير مع النتائج المتوقعة، حيث تم تركيب حزمة تبديد الحرارة العلوية مباشرةً على مشتت حراري ذي موصلية حرارية عالية وسعة حرارية كبيرة، مما يحقق انتشارًا حراريًا جيدًا. أما بالنسبة لـ SO8FL، فنظرًا لضعف الموصلية الحرارية للوحة الدوائر المطبوعة، كان تأثير الموصلية الحرارية ضعيفًا.

لفهم كيفية الاستفادة من هذه المزايا في التطبيقات، يمكن ربط قيمة الاستجابة الحرارية بكمية الطاقة التي يتحملها كل جهاز. تُحسب الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة الوصلة (Tj) من درجة حرارة سائل التبريد 23 درجة مئوية إلى درجة حرارة التشغيل القصوى 175 درجة مئوية كما يلي:

ملاحظة: من المتوقع حدوث هذا الاختلاف في الطاقة في هذا النظام الحراري المحدد.

في هذا النظام الحراري، تستطيع وحدة تبديد الحرارة العلوية التعامل مع طاقة خرج تفوق ستة أضعاف طاقة وحدة SO8FL. ويمكن استغلال هذه الميزة في التطبيقات الميدانية بعدة طرق مختلفة. إليكم بعض مزاياها:

عندما يكون التيار المطلوب ثابتًا، وبفضل القدرة المحسّنة للطاقة، يمكن استخدام مشتت حراري أصغر مقارنةً بـ SO8FL. وقد يؤدي ذلك إلى توفير في التكاليف.

بالنسبة لتطبيقات إمداد الطاقة ذات الوضع التبديل، يمكن زيادة تردد التبديل مع الحفاظ على هامش حراري مماثل.

يمكن استخدامه لتطبيقات الطاقة العالية التي لم تكن مناسبة في الأصل لـ SO8FL.

عندما يكون حجم الشريحة ثابتًا، فإن مكون المشتت الحراري العلوي سيكون له هامش أمان أعلى مقارنة بـ SO8FL، وسيعمل عند درجة حرارة أقل في ظل طلب تيار معين.

الشكل 8: منحنى الاستجابة الحرارية باستخدام مادة التوصيل الحراري بسمك 200 ميكرومتر

الشكل 9: منحنى تغير درجة الحرارة باستخدام مادة مانعة للتسرب حرارياً بسمك 200 ميكرومتر

     

مقارنة التغليف باستخدام مادة التوصيل الحراري بسمك 700 ميكرومتر مثبتة على المشتت الحراري.

أُجريت عملية اختبار أخرى باستخدام طبقة عازلة حرارية (TIM) بسماكة 700 ميكرومتر. يهدف هذا الاختبار إلى مقارنة تغيرات الاستجابة الحرارية مع اختبار طبقة عازلة حرارية بسماكة 200 ميكرومتر، وذلك للتحقق من تأثير طرق تبديد الحرارة الخارجية على كل غلاف. أسفرت عملية الاختبار عن نتائج الاستجابة الحرارية التالية: بلغت قيمة معامل انتقال الحرارة لمكون المشتت الحراري العلوي 6.51 درجة مئوية/واط، بينما بلغت قيمة معامل انتقال الحرارة لطبقة SO8FL 25.57 درجة مئوية/واط. بالنسبة لتبديد الحرارة العلوي، بلغ الفرق بين عمليتي الاختبار باستخدام الطبقة العازلة الحرارية 2.38 درجة مئوية/واط، بينما بلغ الفرق بين عمليتي الاختبار باستخدام طبقة SO8FL 0.3 درجة مئوية/واط. هذا يعني أن طريقة تبديد الحرارة الخارجية لها تأثير كبير على مكونات المشتت الحراري العلوي، ولكن تأثيرها ضئيل على طبقة SO8FL. وهذا متوقع، لأن الاستجابة الحرارية لجهاز تبديد الحرارة العلوي تعتمد بشكل أساسي على المقاومة الحرارية لطبقة العازل الحراري. تتميز الطبقة العازلة الحرارية بموصلية حرارية أقل مقارنةً بالمشتتات الحرارية. لذلك، مع زيادة السماكة، ستزداد المقاومة الحرارية، مما يؤدي إلى زيادة قيمة Rth.

يحدث تغيير مادة التوصيل الحراري SO8FL بين لوحة الدائرة والمشتت الحراري. يجب أن تنتقل الحرارة من مكوناتها عبر لوحة الدائرة لتصل إلى مادة التوصيل الحراري والمشتت الحراري، لذا فإن تغير السماكة له تأثير ضئيل على المقاومة الحرارية لمسار الحرارة الرئيسي. وبالتالي، يكون التغير في الاستجابة الحرارية ضئيلاً للغاية.

تُظهر التغيرات في الاستجابة الحرارية الناتجة عن اختلاف سُمك مادة التوصيل الحراري (TIM) الميزة العامة لتغليف تبديد الحرارة من الأعلى. يحتوي غلاف TCPAK57 على إطار توصيل مكشوف في الجزء العلوي، مما يسمح بتحكم أفضل في المقاومة الحرارية لمسار الحرارة. بالنسبة لتطبيقات محددة وطرق تبديد حرارة معينة، يمكن الاستفادة من هذه الميزة لتحسين الاستجابة الحرارية، مما يوفر بدوره قدرات طاقة أكثر قابلية للتحكم وأكثر فائدة. أما أجهزة SO8FL والأجهزة السطحية المماثلة، فيصعب تبديد الحرارة من خلالها عبر لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وذلك تبعًا لخصائص لوحة الدوائر المطبوعة. يُعد هذا عاملًا خارجًا عن السيطرة، إذ توجد العديد من المتغيرات الأخرى التي يجب مراعاتها في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة إلى جانب تبديد الحرارة.

الشكل 10: منحنى تغير درجة الحرارة باستخدام مادة TIM بسمك 700 ميكرومتر

الشكل 11: منحنى تغير درجة الحرارة باستخدام مادة TIM بسمك 700 ميكرومتر

٨- ملخص النقاط الرئيسية

تساهم حزمة تبديد الحرارة العلوية في تجنب تبديد الحرارة عبر لوحة الدوائر المطبوعة، وتقصير مسار الحرارة من الشريحة إلى جهاز تبديد الحرارة، وبالتالي تقليل المقاومة الحرارية للجهاز. ترتبط المقاومة الحرارية ارتباطًا مباشرًا بخصائص مشتتات الحرارة ومواد التوصيل الحراري. توفر المقاومة الحرارية المنخفضة العديد من المزايا التطبيقية، مثل:

عندما يكون التيار المطلوب ثابتًا، وبفضل تحسين قدرة الطاقة، يمكن استخدام أجهزة تبديد حرارة علوية أصغر حجمًا مقارنةً بأجهزة SMD القياسية. في المقابل، قد يؤدي ذلك أيضًا إلى توفير في التكاليف.

بالنسبة لتطبيقات إمداد الطاقة ذات الوضع التبديل، يمكن زيادة تردد التبديل مع الحفاظ على هامش حراري مماثل.

يمكن استخدامها في تطبيقات الطاقة العالية حيث لا يكون SMD القياسي مناسبًا.

عندما يكون حجم الشريحة ثابتًا، فإن مكون المشتت الحراري العلوي سيكون له هامش أمان أعلى مقارنة بأجهزة SMD المكافئة، وسيعمل عند درجة حرارة أقل في ظل طلب تيار معين.

قدرة مُحسّنة على تحسين الاستجابة الحرارية. يتحقق ذلك بتغيير مادة التوصيل الحراري و/أو سُمكها. كلما كانت مادة التوصيل الحراري أرق و/أو كانت موصليتها الحرارية أفضل، انخفضت الاستجابة الحرارية. يمكن أيضًا تغيير الاستجابة الحرارية بتغيير خصائص المشتت الحراري. تُقلل حزمة تبديد الحرارة العلوية من انتشار الحرارة عبر لوحة الدوائر المطبوعة، مما يُقلل من تداخل الحرارة بين الأجهزة. يُغني تبديد الحرارة العلوي عن الحاجة إلى توصيل مشتت حراري بالجزء الخلفي من لوحة الدوائر المطبوعة، مما يسمح بترتيب أكثر إحكامًا للمكونات على لوحة الدوائر المطبوعة.