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L’esigenza di superiori densità di potenza nel settore automotive promuove l’innovazione nel packaging

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 24 novembre 2009

Il settore del packaging dell’elettronica di potenza è interessato da nuove tendenze alimentate dalle necessità di potenze superiori espresse in larga misura dal mercato automotive

La costante “elettrificazione” all’interno dei veicoli di nuove funzioni che richiedono superiori potenze, come servosterzo elettronico (EPS, Electric Power Steering), alternatore-starter, impianto di condizionamento, pompa dell’acqua e inverter di trazione, impongono nuove soluzioni che consentano l’utilizzo di moduli di potenza in sostituzione dei componenti discreti. Se in teoria è possibile progettare inverter ad alta potenza e convertitori DC/DC disponendo in parallelo più componenti discreti, nella pratica ciò si scontra con difficoltà tali da indurre i progettisti a ricercare strade alternative. La collocazione in parallelo di più dispositivi aumenta le dimensioni ma soprattutto introduce fenomeni di instabilità di natura termica (thermal runaway) divergenti nelle variabili del processo produttivo. In particolare, nei dispositivi configurati in parallelo si evidenziano differenze nei parametri elettrici e nella resistenza termica.

L’alternativa consiste nel limitare la quantità di dispositivi posti in parallelo oppure nell’eliminarli completamente, sostituendoli con moduli di potenza. I componenti di potenza discreti comportano ulteriori limitazioni che possono anch’esse essere superate ricorrendo a soluzioni alternative. I componenti discreti sono soggetti ai limiti associati alle dimensioni fisiche dei circuiti che possono esservi integrati. Limitazioni nella dissipazione termica derivano anche dai metodi di montaggio (clip e pad nei dissipatori di calore, saldatura su PCB collegati tramite fori al dissipatore di calore). Nelle applicazioni a bassa tensione la gestione della corrente è limitata in misura sempre maggiore dal package piuttosto che dal circuito. Si tratta di un nuovo fenomeno che non era mai stato riscontrato in passato, ma poiché i progressi tecnologici hanno ridotto il valore di on-resistance, semplificando dunque la gestione della corrente del chip stesso, il fattore limitante è divenuto il package. Le possibilità di accoppiamento termico delle componenti discrete a un termistore, che potrebbe essere utilizzato a scopo di protezione, sono limitate. La circuiteria discreta è senza dubbio più “involuta” e ciò comporta superiori valori di induttanza e resistenza parassita, che a loro volta si traducono in emissioni EMI più elevate. Per finire, l’efficacia degli eventuali filtri EMC risulta limitata, in quanto non è fisicamente possibile collocarli attraverso lo switch.

Sergio Fissore, Senior product engineer, Fairchild Semiconductor

I moduli di potenza offrono la flessibilità necessaria per superare o quanto meno ridurre molte di queste limitazioni, fornendo vantaggi tali da giustificare la differenza di prezzo. La domanda di veicoli più efficienti per controbilanciare i costi alla pompa sempre più elevati dei carburanti ha alimentato la domanda relativa a veicoli elettrici e ibrido-elettrici. Tali veicoli sono molto più esigenti riguardo l’elettronica di potenza e richiedono il superamento di molte delle problematiche sopra elencate. I moduli di potenza dovevano rappresentare la soluzione a queste sfide ma le tecnologie tradizionali si sono rivelate insufficienti allo scopo. Le esigenze in termini di dimensioni e dissipazione termica hanno alimentato negli anni recenti una vera rivoluzione nelle tecnologie di packaging dei moduli di potenza, con una conseguente incredibile innovazione. Proprio queste tecnologie emergenti permetteranno di superare le sfide relative a costi e affidabilità.

Questi moduli di potenza, caratterizzati dalla presenza al loro interno di dispositivi insolitamente grandi, richiederanno ridotte differenze nel coefficiente di espansione termica (CTE) dei materiali coinvolti, nuove leghe e nuovi processi di saldatura in grado di assicurare superiori livelli di affidabilità. I dispositivi di grandi dimensioni sono soggetti a maggiori possibilità di incorporare difetti, con una conseguente resa inferiore e dunque un prezzo per unità d’area superiore. I processi di fabbricazione dei wafer verranno ulteriormente sviluppati per migliorare ulteriormente il livello di densità dei difetti. Per esempio, nel caso di un livello pari a 10 difetti per wafer in un wafer contenente 10.000 dispositivi, la perdita di resa è dello 0,1%. Tuttavia, se il wafer contiene 100 dispositivi di maggiori dimensioni, la perdita di resa è del 10%, richiedendo dunque un sensibile miglioramento nel numero medio di difetti per wafer.

Con dispositivi di questo genere la necessità di limitare costi e dimensioni è più sentita e, pertanto, giustificherà gli investimenti necessari nelle caratteristiche termiche ed elettriche dei moduli di potenza. La temperatura massima che un chip può raggiungere nelle peggiori condizioni operative ne definisce le dimensioni, pertanto i design dei package in grado di migliorare il trasferimento termico e di abbassare i picchi di temperatura transiente diverranno sempre più popolari. Per esempio, si diffonderanno sempre più tecniche quali il raffreddamento sui due lati e interconnessioni in grado di soddisfare tanto i requisiti di connessione elettrica quanto quelli di dissipazione termica.

Questa spasmodica ricerca di nuove soluzioni continuerà per un certo tempo e darà vita a nuovi materiali, nuovi substrati (quali AlN e SiN, substrati tipo thick-film caratterizzati da un maggiore spessore conduttivo che sfruttano le nanotecnologie) e nuove tecnologie di saldatura che porteranno a un’ulteriore contrazione delle dimensioni e a un significativo miglioramento della dissipazione termica e dell’affidabilità. Con il crescere della diffusione dei veicoli ibrido-elettrici, le economie di scala permetteranno a questi materiali di raggiungere livelli di prezzo che li renderanno più convenienti per l’impiego nel settore automotive.
 

Sergio Fissore, senior product engineer, Fairchild Semiconductor

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