Hallo miteinander Ich habe mir letzthin das folgende Evaluations-Board von Wolfspeed angeschaut (https://www.digikey.ch/en/products/detail/wolfspeed-inc/KIT-CRD-8FF90P/14010329). Aus dem Datenblatt sind die beiden Abbildungen im angehängten Bild entnommen. Die Wärme die in den beiden D2PAK MOSFETs entsteht wird durch das PCB in einen Kühlkörper abgeführt. Dabei wir gemäss Datenblatt ein sogenannter Aluminium-Nitrid "PCB Insert" benutzt, um die Wärme durch das PCB hindurch abzuführen. Ich sehe solche Inserts jetzt zum ersten mal und hätte ein paar Fragen dazu: 1.) Wenn ich es richtig verstehe, müssen diese Inserts im Laufe des PCB Herstellungsprozesses eingeführt werden, man kann diese also nur benutzen, wenn der entsprechende PCB Produzent dies unterstützt? 2.) Der thermische Widerstand des Inserts (Rth,c-s [case-sink]) wird mit 1.28°C/W angegeben was mit einigermassen hoch erscheint. Grundsätzlich könnte man doch einen ähnlichen Wert mit thermischen Vias erreichen? (Die 7x8 thermischen Vias in "dpak-thermal-vias.png" beispielsweise sollten einen thermischen Widerstand von ca. 0.84°C/W haben. Evtl müsste man die Lochdurchmesser noch etwas kleiner wählen um einen Lotabfluss während dem Reflow zu verhindern, aber grundsätzlich sollte eine "thermische Durchkontaktierung" mittels Vias von 1°C/W erreichbar sein, zumindest rechnerisch? Was wäre dann also der Vorteil diese Inserts zu benutzen?
Angehängte Dateien:
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ain_insert_pcbs.png
380 KB -
dpak_thermal_vias.png
92 KB
1) Ja, der LP-Hersteller muss die einlaminieren. 2) Ich hab deine Zahlen nicht nachgeprüft, aber wenn das stimmt würde es keinen Sinn machen. Evtl. sind Vias uneben? Oder wegen des Pastenabsaugens in die Löcher? Oder um Voids zu vermeiden wegen "Restluft" in den Vias?
Angehängte Dateien:
Das Paper hier https://ieeexplore.ieee.org/document/6646981 geht etwas genauer auf die Kühlung von DPAKs mit thermischen Vias ein. Für das Pattern 3, welches ähnlich ist wie dasjenige von mir, wird ebenfalls ein ziemlich niedriger thermischer Widerstand berechnet (ca. 0.6°C/W, aber mit Vias die mit normalem PCB resin gefüllt sind). In der experimentellen section scheinen die allerdings einen äquivalenten thermischen Widerstand von ca. 2.9°C/W zwischen Case und Kühlkörper zu messen. Evtl. kommt es wegen den vielen Vias zu einer schlechteren Kontaktierung zwischen MOSFET Rückseite und PCB was zu einer Erhöhung des thermischen Widerstand führt. Allerdings scheinen 3°C/W für den thermischen Widerstand zwischen case und PCB Rückseite in etwa realistisch zu sein.
Es gibt auch PCB Hersteller die "normale" Leiterplatten mit Vias machen, in die Vias aber was thermisch gut leitfähiges rein schmieren um die Entwärmung zu verbessern, um Luftblasen zu vermeiden und um den Abfluss von Lötzinn beim löten zu vermeiden. Wenn das gut genug ist sollte das billiger sein als irgendwelche Inserts.
Thermal Vias leiten Wärme UND Strom. AlN-Inserts nur Wärme. Dadurch kann das Wärmeleitpad unter der Lp dünner und/oder leitfähig ausgebildet werden ( z.B. Grafit-folie) Muss man von Fall zu Fall durchrechnen.
Xerxes schrieb: > Thermal Vias leiten Wärme UND Strom. > AlN-Inserts nur Wärme. AlN leitet Wärme besser als Kupfer. Thermo Vias haben nur den Hülsenrand zum Wärmeleiten. Die eventuelle Füllung (plugged vias) ist besser als Luft aber viel schlechter als Kupfer. Die ganze Maßnahme ist zu kompliziert und ineffektiv. Der AlN Körper ist zu klein und kontaktiert einen Alu Kühlkörper. Mit einem direkt kontaktierten Kupfer Heatspreader wäre man wohl weiter gekommen.
Max M. schrieb: > AlN leitet Wärme besser als Kupfer. Halte ich für ein Gerücht. Wikipedia sagt: > AlN-Keramik besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/(m·K) Für reines (99,999%) Kupfer werden 403 W/(m·K) angegeben. Etwas besser ist Silber mit 430 W/(m·K), aber die Metalle bieten eben keine elektrische Isolation. Wirklich besser und isolierend ist Diamant mit 1000–2500 W/(m·K) (fünfmal besser als Silber), aber der kommt nur für sehr kleine hochbelastete Dies, z.B. Laserdioden, in Frage. Gebräuchlichere isolierende gute Wärmeableiter sind auch Berylliumoxid BeO mit 300 W/(m·K) (giftig), sowie (kubisches) Bornitrid BN (teuer) mit der fünffachen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Bemerkenswert ist, dass die Kristallgitter aller dieser Stoffe die Wurtzitstruktur haben. Vielfach sind es auch nicht richtige Isolatoren, sondern Halbleiter mit grossem Bandabstand. Im Prinzip gleicht dieses Kristallgitter dem Diamantkristall (reiner Kohlenstoff), wobei die Gitterplätze aber abwechselnd von den beiden Atomsorten besetzt sind. Der Namensgeber dieses Gitters, Wurtzit (Zinksulfid ZnS), wird m.W. nicht als Wärmeleiter verwendet, vermutlich wegen seiner geringen chemischen Beständigkeit. Wohl aber sein Geschwister das Zinkoxid ZnO, das in den Wärmeleitpasten, meist mit Silikonfett vermischt, enthalten ist. Wichtig zu wissen ist, dass die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien mit steigender Temperatur deutlich abnimmt. Das preiswerte Aluminiumoxid Al2O3, das als Substrat für manche Dickfilmschaltungen verwendet wird, ist ein vergleichsweise mässiger Wärmeleiter mit bestenfalls 40 W/(m·K) (als Saphir) eher aber 25 W/(m·K) als Keramik.
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