Uživatelská příručka k modulům Onsemi SiC E1B

Uživatelská příručka k modulům Onsemi SiC E1B

Rozsah

Společnost onsemi je průkopníkem v zavádění SiC JFETů v kaskodové konfiguraci s kompatibilitou s hradlovým pohonem pro Si MOSFETy, IGBT a SiC MOSFETy, na základě prahového napětí 5 V.taga široký provozní rozsah hradla ±25 V.

Tato zařízení jsou ze své podstaty velmi rychle spínaná a mají vynikající charakteristiky tělesných diod. Společnost Onsemi zkombinovala výhodutagVýkonové zařízení založené na SiC JFET s průmyslovým standardním pouzdrem výkonového modulu E1B pro další zvýšení hustoty výkonu, účinnosti, nákladové efektivity a snadného použití v průmyslových energetických systémech.

Tato aplikační poznámka představuje pokyny k montáži (deska plošných spojů a chladič) pro nejnovější pouzdra napájecích modulů E1B od společnosti Onsemi (polomůstek a plný můstek).

DŮLEŽITÉ: Pro moduly SiC E1B se důrazně doporučují tlumiče napětí (snubbery) kvůli jejich inherentně vysoké rychlosti spínání. Tlumič také výrazně snižuje ztráty při vypínání, což činí moduly SiC E1B extrémně atraktivními v ZVS (nulový objem).tag(např. zapínání) aplikace s měkkým přepínáním, jako je fázově posunutý plný můstek (PSFB), LLC atd.

Tento produkt se doporučuje pro použití s ​​materiály pro připevnění pájecích pinů a tepelné rozhraní s fázovou změnou a nedoporučuje se pro implementace s lisovaným uchycením a nanášením teplovodivé pasty. Podrobné informace naleznete v montážních pokynech a uživatelských příručkách k tomuto produktu.

Tato aplikační poznámka také poskytuje odkazy na simulační modely, montážní pokyny, tepelné charakteristiky, spolehlivost a kvalifikační dokumenty.

Zdroje a reference

1. Technické informace o modulech SiC E1Bview
2. Montážní návod k modulům SiC E1B
3. Uživatelská příručka SiC Cascode JFET a modulu
4. Uživatelská příručka pro moduly SiC E1B DPT EVB
5. Odkaz na modul SiC od Onsemi: SiC moduly
6. Simulátor výkonu EliteSiC
7. onsemi Centrální uzel pro řešení napájení SiC
8. Počátky SiC JFETů a jejich vývoj směrem k dokonalému přepínači

Informace o modulu E1B

Hlavní příčinou selhání výkonových polovodičových modulů je nesprávná montáž. Špatná montáž bude mít za následek zvýšenou nebo nadměrnou teplotu spoje, což výrazně omezí provozní životnost modulu. Správná instalace modulu je proto zásadní pro dosažení spolehlivého přenosu tepla ze spoje SiC součástky do chladicího kanálu.

Moduly E1B jsou navrženy k připájení k desce plošných spojů (PCB) a k upevnění k chladiči pomocí předem smontovaných šroubů a podložek, jak je znázorněno na obrázku. Obrázek 1 a Obrázek 2Podrobnější informace o rozměrech a tolerancích pro návrh hardwaru pro tyto systémy naleznete v datových listech modulů.

Obrázek 1. Umístění montážních šroubů modulu (horní View)

AND90340/D

Obrázek 2. Montáž modulu s deskou plošných spojů a chladičem (rozložené sestavení) View)

Doporučená montážní sekvence

Společnost Onsemi doporučuje pro lepší tepelný výkon a životnost modulu SiC E1B následující postup montáže:

1. Připájejte pin modulu k desce plošných spojů (PCB)
2. Namontujte desku plošných spojů na modul
3. Namontujte modul na chladič

Pomocí předem smontovaného šroubu (kombinace šroubu, podložky a pojistné podložky) upevněte modul k chladiči s použitím omezeného utahovacího momentu. Je třeba poznamenat, že velikost a povrch chladiče je nutné zohlednit během celého procesu pájení, protože správný přenos tepla mezi zadní stranou modulu a rozhraním chladiče je zásadní pro celkový výkon pouzdra v systému (viz obrázek 2).

1. Pájení pinů modulu k desce plošných spojů
   Pájetelné piny použité na modulu E1B byly kontrolovány a kvalifikovány společností onsemi pro standardní desky plošných spojů FR4.
   Pokud deska plošných spojů vyžaduje proces pájení reflow pro jiné součástky, doporučuje se desku plošných spojů reflow před montáží modulu, aby se zabránilo vystavení vysokým teplotám.

Typický profesionál v pájení vlnoufile je znázorněno na obrázku 4 a v tabulce 1.
Pokud se při výrobě desek plošných spojů používají jiné manipulační techniky, je nutné provést další testování, kontrolu a certifikaci.

Požadavek na desku plošných spojů
Deska plošných spojů FR4 s maximální tloušťkou 2 mm.
Pro kontrolu, zda materiál desek plošných spojů splňuje normové požadavky, se řiďte normou IEC 61249−2−7:2002.
Uživatel musí určit optimální vodivé vrstvy pro správný návrh vrstev plošných spojů, ale musí zajistit, aby vícevrstvé plošné spoje splňovaly normu IEC 60249-2-11 nebo IEC 60249-2-1.
Pokud zákazník zvažuje oboustranné desky plošných spojů, řiďte se normami IEC 60249-2-4 nebo IEC 60249-2-5.

Požadavek na pájecí kolík
Klíčovými faktory pro dosažení pájených spojů s vysokou spolehlivostí je konstrukce desky plošných spojů.
Průměry pokovených průchozích otvorů na desce plošných spojů musí být vyrobeny podle rozměru pájecího pinu. (viz obrázek 3).

AND90340
Pokud není návrh otvoru v desce plošných spojů správný, mohou nastat potenciální problémy.
Pokud je konečný průměr otvoru příliš malý, nemusí být správně zasunut a může dojít k zlomení pinů a poškození desky plošných spojů.
Pokud je konečný průměr otvoru příliš velký, nemusí to po pájení vést k dobrým mechanickým a elektrickým vlastnostem. Kvalita pájky by měla odpovídat normě IPC-A-610.
Doporučené parametry pro teplotu procesu pájení vlnoufilejsou založeny na normách IPC-7530, IPC-9502 a IEC 61760-1:2006.

Obrázek 3. Montáž modulu na desku plošných spojů před montáží na chladič

Obrázek 4. Typický přístroj pro pájení vlnoufile (Referenční EN EN 61760-1:2006)

Tabulka 1. TYPICKÉ PÁJENÍ VLNOU PROFILE (Referenční EN EN 61760-1:2006)

Montáž plošných spojů na modul

Pokud je deska plošných spojů připájena přímo na horní část modulu, mechanické namáhání je přítomno zejména na pájeném spoji. Pro snížení tohoto namáhání lze k upevnění desky plošných spojů do čtyř distančních otvorů modulu použít další šroub. viz obrázek 5.
Moduly jsou kompatibilní se samořeznými šrouby (M2.5 x L (mm)) v závislosti na tloušťce desky plošných spojů.

Délka závitu vstupujícího do distančního otvoru by měla mít minimální Lmin 4 mm a maximální Lmax 8 mm. Pro zajištění větší přesnosti se doporučuje použít elektronicky řízený šroubovák nebo elektrický šroubovák.


Obrázek 5. Montáž desky plošných spojů na modul E1B: (a) Montážní otvor desky plošných spojů E1B s distančním odstupem a (b) Maximální hloubka zasunutí závitu šroubu

Požadavek na montáž desky plošných spojů
Hloubka distančních otvorů 1.5 mm slouží pouze jako vodítko pro zašroubování a neměly by vyvíjet žádnou sílu.

Klíčovým faktorem je povolený točivý moment pro proces předběžného utahování a utahování:

• Předběžné utažení = 0.2 ~ 0.3 Nm
• Utahovací moment = max. 0.5 Nm

Obrázek 6. Montáž desky plošných spojů na modul E1B: Vertikální zarovnání samořezného šroubu (a) Zarovnáno a (b) Nezarovnáno.

Montáž modulu k chladiči

Požadavek na chladič
Povrch chladiče je zásadním faktorem celého systému přenosu tepla a musí být v plném kontaktu s chladičem. Povrch substrátu modulu a povrch chladiče musí být před montáží rovnoměrný, čistý a bez kontaminace. Tím se zabrání vzniku dutin, minimalizuje tepelná impedance a maximalizuje množství energie, které lze rozptýlit v modulu, a dosáhne se cílového tepelného odporu uvedeného v datovém listu. Povrchové vlastnosti chladiče jsou nezbytné pro dosažení dobré tepelné vodivosti dle normy DIN 4768−1.

• Drsnost (Rz): ≤10 m
• Rovinnost chladiče na základě délky 100 mm: ≤50 m

Materiál tepelného rozhraní (TIM)
Tepelně vodivý materiál použitý mezi pouzdrem modulu a chladičem je klíčem k dosažení spolehlivého a vysoce kvalitního tepelného výkonu. Pro modul bez základní desky, jako je E1B, se nedoporučuje používat teplovodivou pastu ani mazivo..
Bez silné měděné základní desky sloužící jako rozvaděč tepla zhoršuje efekt vyčerpávání teplovodivé pasty (tepelnou roztažností a smršťováním vrstvy TIM mezi pouzdrem modulu a chladičem během cyklování napájení nebo teplotních cyklů) tvorbu dutin ve vrstvě TIM a má významný negativní dopad na životnost modulu při cyklování napájení.

Místo toho, Pro moduly E1B se důrazně doporučuje TIM s použitím materiálu pro změnu fáze. Obrázek 7 ukazuje výsledky cyklování napájení pro 1200V 100A polomůstkový modul (UHB100SC12E1BC3N) s použitím dvou různých metod, teplovodivé pasty vs. materiálu s fázovou změnou. Vodorovná osa znázorňuje počet cyklů. Svislá osa znázorňuje VDS zařízení během Tj_rise při 100 °C. Červená křivka znázorňuje cyklování napájení s teplovodivou pastou. Modrá křivka znázorňuje cyklování napájení s materiálem s fázovou změnou. Červená křivka může dosáhnout pouze 12,000 1 cyklů, než dojde k tepelnému úniku v důsledku degradace tepelného odporu v důsledku efektu vyčerpání teplovodivé pasty. U stejného modulu E58,000B použití materiálu s fázovou změnou pro chladič výrazně zlepšuje cyklování napájení nad XNUMX XNUMX cyklů.

Obrázek 8 znázorňuje podmínky a nastavení testu cyklování napájení. Obrázek 7. Výkon modulu E1B při cyklování napájení. s různou teplotou výměny (TIM) pro chladič: Teplovodní pasta vs. materiál s fázovou změnou

Obrázek 8. Zkouška cyklického zapínání a vypínání modulu E1B (a) Nastavení a (b) Zkušební podmínky

Typicky by se po mechanické montáži měl materiál s fázovou změnou vypálit v peci, aby TIM mohl změnit svou fázi a dále vyplnit mikroskopické dutiny mezi pouzdrem modulu a chladičem a snížit tepelný odpor mezi pouzdrem modulu a chladičem. Ve výše uvedeném příkladuampJak je znázorněno na obrázku 7 a obrázku 8, tepelný odpor mezi spojem zařízení a vodou se po 0.52 hodině pečení při teplotě 0.42 °C sníží z 1 °C/W na 65 °C/W. Podrobné pokyny vám poskytne dodavatel TIM.

POZNÁMKA: Jakýkoli jiný typ materiálu s fázovou změnou by měl být zákazníkem dodatečně vyhodnocen a otestován podle pokynů dodavatele TIM (materiálu s fázovou změnou), aby byl zajištěn optimální výkon.

Montáž modulu k chladiči
Postup montáže je také důležitým faktorem pro zajištění efektivního kontaktu modulu a chladiče s fázově měnícím se materiálem mezi nimi. Chladič a modul by se neměly dotýkat celou plochou, aby se zabránilo lokálnímu oddělení mezi oběma komponentami. Tabulka 2 shrnuje pokyny pro montáž chladiče.

Tabulka 2. DOPORUČENÍ PRO MONTÁŽ CHLADIČE MODULU ONSEMI SiC E1B

Další montážní aspekty

Je třeba zvážit celkový systém namontovaného modulu. Pokud je modul správně připevněn k chladiči a desce plošných spojů, bude dosaženo celkového výkonu produktu.
Je třeba přijmout vhodná opatření k minimalizaci vibrací, protože deska plošných spojů je připájena pouze k modulu.
Je třeba se vyhnout slabým pájeným svorkám. Jednotlivé piny lze zatěžovat pouze kolmo k chladiči s maximálním tlakem, napětím a dostatečnou vzdálenost mezi deskou plošných spojů a chladičem je třeba posoudit dle aplikace zákazníka.

Pro minimalizaci mechanického namáhání desky plošných spojů a modulu, zejména pokud deska plošných spojů obsahuje těžké součástky, se doporučuje použít distanční sloupky. viz obrázek 9.

Obrázek 9. Montáž desky plošných spojů modulu E1B a chladiče s vymezovacím sloupkem

Doporučený rozměr (X) mezi distančním sloupkem a okrajem montážního otvoru pro desku plošných spojů je ≤ 50 mm.
V případě, že je na stejné desce plošných spojů namontováno více modulů, může výšková odchylka mezi moduly vést k mechanickému namáhání pájeného spoje. Pro minimalizaci namáhání je doporučená výška (H) distančních kolíků 12.10 (±0.10) mm.

Požadavek na vzdušnou vzdálenost a povrchovou cestu

Mechanická vzdálenost sestavy mezi modulem a deskou plošných spojů musí splňovat požadavky na mezeru a povrchovou dráhu podle normy IEC 60664-1, revize 3. Obrázek 10 znázorňuje ilustraci.
Minimální mezera je vzdálenost mezi hlavou šroubu a spodním povrchem desky plošných spojů. Musí být zajištěna dostatečná vzdálenost, aby se v této oblasti zabránilo elektrické vodivosti.
Alternativně může být nutné provést dodatečná izolační opatření, jako je například otvor v desce plošných spojů, povlakování nebo speciální zalévání, aby byly splněny příslušné normy pro vzdušné vzdálenosti a povrchové cesty.

Obrázek 10. Vzdálenost mezi šroubem a deskou plošných spojů

Typ šroubu určuje minimální mezeru mezi ním a deskou plošných spojů. S použitím šroubu s půlkulatou hlavou dle normy ISO7045, pojistné podložky dle normy DIN 127B a ploché podložky DIN 125A a clamp jak je znázorněno na obrázku 10, bude vzdálenost 4.25 mm. Typická mezera a povrchová cesta jsou k dispozici v datovém listu. Další podrobnosti o mezerách modulů nebo povrchové dráze získáte od podpory aplikací nebo od obchodního a marketingového oddělení.

Všechny názvy značek a produktů uvedené v tomto dokumentu jsou registrované ochranné známky nebo ochranné známky příslušných vlastníků.

onsemi, a další názvy, značky a značky jsou registrované a/nebo běžné ochranné známky společnosti Semiconductor Components Industries, LLC dba "onsemi" nebo jejích přidružených společností a/nebo dceřiných společností ve Spojených státech amerických a/nebo jiných zemích. onsemi vlastní práva k řadě patentů, ochranných známek, autorských práv, obchodního tajemství a dalšího duševního vlastnictví.
Seznam onsemiho pokrytí produktu/patentu je dostupné na adrese www.onsemi.com/site/pdf/Patent-Marking.pdf. onsemi si vyhrazuje právo kdykoli provést změny jakýchkoli produktů nebo informací zde uvedených bez předchozího upozornění. Zde uvedené informace jsou poskytovány „tak, jak jsou“ a onsemi neposkytuje žádnou záruku, prohlášení ani záruku týkající se přesnosti informací, vlastností produktu, dostupnosti, funkčnosti nebo vhodnosti svých produktů pro jakýkoli konkrétní účel, ani onsemi převzít jakoukoli odpovědnost vyplývající z aplikace nebo použití jakéhokoli produktu nebo okruhu a konkrétně se zříká jakékoli odpovědnosti, včetně, bez omezení, zvláštních, následných nebo náhodných škod. Kupující je odpovědný za používání svých produktů a aplikací onsemi produktů, včetně souladu se všemi zákony, předpisy a bezpečnostními požadavky nebo standardy, bez ohledu na jakoukoli podporu nebo informace o aplikacích, které poskytují onsemi. „Typické“ parametry, které mohou být uvedeny v onsemi datové listy a/nebo specifikace se mohou a mění v různých aplikacích a skutečný výkon se může v průběhu času lišit. Všechny provozní parametry, včetně „Typických“, musí být pro každou zákaznickou aplikaci ověřeny technickými odborníky zákazníka. onsemi neposkytuje žádnou licenci v rámci svých práv duševního vlastnictví ani práv jiných osob. onsemi produkty nejsou navrženy, zamýšleny nebo schváleny k použití jako kritická součást v systémech podpory života nebo v jakýchkoli lékařských zařízeních FDA třídy 3 nebo zdravotnických zařízeních se stejnou nebo podobnou klasifikací v zahraniční jurisdikci nebo v jakýchkoli zařízeních určených k implantaci do lidského těla. Měl by kupující koupit nebo použít onsemi produkty pro jakékoli takové nezamýšlené nebo neoprávněné použití, kupující odškodní a zadrží onsemi a její důstojníci, zaměstnanci, dceřiné společnosti, přidružené společnosti a distributoři neškodí vůči všem nárokům, nákladům, škodám a výdajům a přiměřeným poplatkům za právní zastoupení vyplývající přímo nebo nepřímo z jakéhokoli nároku na zranění nebo smrt spojené s takovým nezamýšleným nebo neoprávněným použitím , i když takové tvrzení tvrdí, že onsemi byla nedbalá ohledně návrhu nebo výroby součásti. onsemi je zaměstnavatel rovných příležitostí/afirmativní akce. Tato literatura podléhá všem platným zákonům o autorských právech a není možné ji žádným způsobem dále prodávat.

DOPLŇUJÍCÍ INFORMACE

TECHNICKÉ PUBLIKACE:
Technická knihovna: www.onsemi.com/design/resources/technical-documentation
onsemi Webmísto: www.onsemi.com
ONLINE PODPORA: www.onsemi.com/support
Další informace vám poskytne místní obchodní zástupce na adrese www.onsemi.com/support/sales