En électronique de puissance, assurer le refroidissement correct des appareils a toujours été une priorité. En termes simples, si vous ne réussissez pas à dissiper toutes les pertes, l’appareil commencera à surchauffer et à dysfonctionner. Par ailleurs, veiller à faciliter les processus de fabrication constitue aussi un enjeu important. Si les boîtiers CMS sont prédominants par rapport aux boîtiers traversants, c’est principalement parce que leur type d’assemblage est bien plus simple et rapide à mettre en œuvre. Pour ce qui est de l’application finale, la question est de trouver le meilleur compromis entre refroidissement et assemblage tout en tenant compte du total des coûts. Dans cette optique, les boîtiers CMS à refroidissement par le haut semblent offrir la solution la plus convaincante.

Il est toutefois aussi possible de suivre d’autres approches en partant de l’intérieur du boîtier, ce qui implique d’utiliser du carbure de silicium à la place du silicium. Ces dernières années, les dispositifs à large bande interdite ont connu une demande accrue, car ils permettent d’éviter de nombreuses pertes dans les applications de forte puissance. À dissipateur thermique identique, un dispositif avec des pertes plus faibles aura également une température plus basse. Et si l’on considère que les MOSFET SiC présentent en outre l’avantage d’avoir une température maximale plus élevée, il est alors clairement possible d’obtenir une capacité de puissance plus élevée, même avec des boîtiers CMS. Mais que se passe-t-il donc si l’on combine les deux ?

Les raisons qui motivent le recours au refroidissement par le haut sont claires, et ce, malgré les considérations exposées ci-dessus, à savoir que si tous les fabricants ont apporté de nombreuses améliorations aux MOSFET SiC, à quoi bon les limiter avec des boîtiers ?

La solution proposée par STMicroelectronics s’appelle HU3PAK. Il s’agit d’un boîtier avec refroidissement par le haut adapté aux applications automobiles et industrielles qui, associé à des MOSFET SiC ST Gen3 (comme le MOSFET SiC 750 V SCT060HU75G3AG), répond aux qualifications automobiles.

Le boîtier est présenté dans la figure 1 et partage certaines similitudes avec le H2PAK, un boîtier CMS fréquemment utilisé pour les MOSFET SiC. Par exemple, les broches de grille et de source partagent le même pas et la même taille. La principale différence réside dans le drain : contrairement au H2PAK, le drain du HU3PAK est renversé vers le haut du boîtier afin de créer un contact direct avec le dissipateur thermique.

Une autre similitude présente aussi un avantage, à savoir le fait que les broches de grille et de source sont disposées en miroir sur le HU3PAK. Grâce à cette disposition, le remplacement du H2PAK dans des applications existantes ne nécessite qu’un minimum de modifications, car le dissipateur thermique se trouvera toujours du même côté. Seul l’emplacement des MOSFET change.

Des faits, des faits, des faits !

Toutes ces considérations nous ont amenés à prendre la mesure de l’avantage réel du refroidissement par le haut. Commençons donc par mesurer la résistance thermique entre le boîtier et le dissipateur thermique pour les deux types de boîtiers et voyons lequel offre la meilleure solution.

Dans notre test, le H2PAK a bénéficié d’une excellente configuration : un circuit imprimé (PCB) à quatre couches avec un placage en cuivre de 70 µm pour une excellente conductivité thermique. Plus de 170 vias ont été utilisés pour un meilleur refroidissement des drains et la zone de contact du dissipateur thermique du polygone rectangulaire avait une surface de 1 000 mm². Plusieurs matériaux d’interface thermique ont été testés pour assurer l’isolation thermique, ce qui a permis d’obtenir une résistance thermique allant de 1,6 à 2,1 K/W entre le boîtier et le dissipateur.

Pour ce qui est de la carte utilisée pour le HU3PAK, celle-ci était d’office moins chère, puisqu’elle ne devait répondre à aucune exigence particulière en matière de dissipation thermique. Nous avons donc utilisé un PCB à deux couches. Bien sûr, dans une application réelle, le placage serait probablement d’au moins 35 µm en raison des courants plus élevés, mais quatre couches ne s’avéreraient pas forcément nécessaires, et certainement pas pour les boîtiers MOSFET.

Pour garantir un bon contact, l’isolation électrique est assurée par une fine feuille de Kapton (70 µm) enduite de pâte thermique sur ses deux faces. Grâce à cette configuration simple, nous avons obtenu une R_th exceptionnelle de seulement 0,48 K/W, ce qui est plus de trois fois supérieur au résultat obtenu avec la meilleure option pour le H2PAK. Notons que cette configuration ne pourrait pas être utilisée avec un H2PAK, car ce boîtier nécessite l’utilisation d’un matériau d’interface thermique du fait que le PCB n’est pas parfaitement plane.

Bien que l’isolation fine ne puisse pas être mise en œuvre pour le boîtier H2PAK, il est cependant possible de suivre l’approche inverse, à savoir : utiliser le matériau de remplissage avec le HU3PAK. Vous n’êtes pas sans savoir que la résistance thermique est proportionnelle à la surface de contact. Or, si le PCB du H2PAK est doté d’un grand polygone de cuivre, le plot du HU3PAK a une surface de contact d’environ 110 mm². Le PCB a toutefois une incidence significative sur le chemin thermique, de sorte que même dans ces conditions défavorables, le boîtier HU3PAK a obtenu en moyenne des résultats 43 % supérieurs à ceux du H2PAK.

Assemblage du dissipateur thermique

Le fait de rechercher le meilleur couplage thermique avec le dissipateur thermique implique naturellement que le contact doit être parfait. Si cela semble aller de soi, ce n’est pourtant pas si simple à réaliser. Les forces exercées sur le PCB ne sont pas négligeables et il est pour cela recommandé d’opter pour un PCB très épais afin d’éviter toute déformation de la carte. Une autre option consiste à utiliser une contre-plaque pour presser les boîtiers directement sur le dissipateur thermique. De cette façon, la plupart des forces ne sont plus supportées par le PCB. De plus, si le routage du PCB est assez complexe, la contre-plaque pourrait apporter une petite aide précieuse, car il y alors beaucoup moins de vis traversantes à installer.

Les deux options que nous venons détailler – utiliser un PCB épais ou une contre-plaque – permettent d’obtenir les meilleurs résultats de façon à libérer tout le potentiel du boîtier HU3PAK. Bien sûr, il y a toujours un moyen plus simple d’obtenir de bons résultats. Cela concerne l’utilisation d’un matériau d’interface thermique. Cette méthode est particulièrement utile dans le contexte d’un changement de boîtier, lorsque les H2PAK ne suffisent pas à obtenir de meilleures performances. Parce que les deux types de boîtiers présentent beaucoup de similitudes, très peu de choses doivent être modifiées sur la carte : pas besoin de vis supplémentaires, ni d’un PCB plus épais, ni de découpes pour la contre-plaque, mais un résultat bien meilleur avec des boîtiers HU3PAK.

Conclusion

Dès le départ, les raisons qui motivent l’utilisation de MOSFET SiC dans des boîtiers CMS avec refroidissement par le haut étaient claires. Le boîtier HU3PAK répond à la demande du marché et les mesures comparatives par rapport à un boîtier H2PAK similaire fournissent la preuve de ses avantages. Outre le fait que le HU3PAK affiche des performances thermiques adéquates, sa similitude avec le H2PAK constitue un énorme avantage et facilite le passage direct du H2PAK au HU3PAK. Associé aux MOSFET SiC de 3^e génération de STMicroelectronics, ce boîtier de classe automobile convient aux applications hautes performances comme les stations de recharge et les chargeurs embarqués.