Руководство пользователя модулей onsemi SiC E1B

Руководство пользователя модулей onsemi SiC E1B

Объем

Компания Onsemi стала пионером в области внедрения SiC JFET в каскодной конфигурации с совместимым управлением затвором для Si MOSFET, IGBT и SiC MOSFET на основе порогового значения 5 В.tage и широкий рабочий диапазон затвора ±25 В.

Эти устройства по своей сути очень быстро переключаются, с превосходными характеристиками внутреннего диода. Компания onsemi объединила передовыеtagСиловое устройство на основе SiC JFET с корпусом силового модуля промышленного стандарта E1B для дальнейшего повышения плотности мощности, эффективности, экономичности и простоты использования промышленных энергосистем.

В данной статье приводятся рекомендации по монтажу (печатной платы и радиатора) новейших корпусов силовых модулей E1B компании OnSemi (полумостовых и полномостовых).

ВАЖНЫЙ: Снабберы настоятельно рекомендуются для модулей SiC E1B из-за их собственной высокой скорости переключения. Кроме того, снаббер значительно снижает потери переключения при выключении, что делает модули SiC E1B чрезвычайно привлекательными в ZVS (нулевой объем)tag(e turn-on) приложения с мягкой коммутацией, такие как фазосдвигающие полные мосты (PSFB), LLC и т. д.

Этот продукт рекомендуется использовать с припоем и материалами для термоинтерфейса с изменением фазы, и не рекомендуется для реализаций с прессовой посадкой и нанесением термопасты. Подробную информацию см. в руководстве по монтажу и руководстве пользователя, связанных с этим продуктом.

В данной заметке по применению также содержатся ссылки на ресурсы, связанные с имитационными моделями, инструкциями по сборке, тепловыми характеристиками, надежностью и документами по квалификации.

Ресурсы и ссылки

1. Технические характеристики модулей SiC E1Bview
2. Руководство по монтажу модулей SiC E1B
3. Руководство пользователя SiC Cascode JFET и модуля
4. Модули SiC E1B DPT EVB Руководство пользователя
5. Ссылка на модуль onsemi SiC: Модули SiC
6. Симулятор мощности EliteSiC
7. онсеми Центральный узел решения SiC power
8. Происхождение SiC JFET и их эволюция на пути к идеальному переключателю

Информация о модуле E1B

Основной причиной выхода из строя силового полупроводникового модуля является неправильный монтаж. Неправильный монтаж приведет к повышенной или чрезмерной температуре перехода, что значительно ограничит срок службы модуля. В результате правильная установка модуля имеет решающее значение для достижения надежной теплопередачи от перехода SiC-устройства к охлаждающему каналу.

Модули E1B предназначены для пайки на печатную плату (ПП) и крепления к радиатору с помощью предварительно собранных винтов и шайб, как показано на рисунке. Рисунок 1 и Рисунок 2Более подробную информацию о размерах и допусках для проектирования оборудования для этих систем можно найти в технических описаниях модулей.

Рисунок 1. Расположение винтов крепления модуля (верхняя часть) View)

И90340/Д

Рисунок 2. Монтаж модуля с печатной платой и радиатором (сборка в разобранном виде) View)

Рекомендуемая последовательность монтажа

Для улучшения тепловых характеристик и увеличения срока службы модуля SiC E1B компания onsemi рекомендует следующую последовательность монтажа:

1. Припаяйте штырь модуля к печатной плате (PCB).
2. Установите печатную плату на модуль
3. Установите модуль на радиатор.

С помощью предварительно собранного винта (винт, шайба и стопорная шайба) закрепите модуль на радиаторе, используя предельный крутящий момент. Следует отметить, что размер и поверхность радиатора должны учитываться на протяжении всего процесса пайки, поскольку правильная передача тепла между задней стороной модуля и интерфейсом радиатора имеет решающее значение для общей производительности пакета в системе (см. рисунок 2).

1. Припаяйте штырь модуля к печатной плате
   Используемые в модуле E1B паяемые контакты проверены и сертифицированы компанией onsemi для стандартных печатных плат FR4.
   Если для печатной платы требуется пайка оплавлением припоя других компонентов, рекомендуется выполнить пайку оплавлением припоя перед монтажом модуля, чтобы избежать воздействия высоких температур.

Типичный специалист по пайке волной припояfile показано на рисунке 4 и в таблице 1.
Если при производстве печатных плат используются другие методы обработки, требуются дополнительные испытания, проверки и сертификация.

Требования к печатной плате
Печатная плата FR4 с максимальной толщиной 2 мм.
Чтобы проверить, соответствует ли материал печатной платы требованиям стандарта, обратитесь к IEC 61249−2−7:2002.
Пользователь должен определить оптимальные проводящие слои для правильного проектирования слоев стопки печатных плат, но необходимо убедиться, что многослойные печатные платы соответствуют IEC 60249-2-11 или IEC 60249-2-1
Если заказчик рассматривает возможность использования двухсторонних печатных плат, обратитесь к IEC 60249-2-4 или IEC 60249-2-5.

Требования к припою
Ключевым фактором для получения паяных соединений с высокой надежностью является конструкция печатной платы.
Диаметры металлизированных отверстий на печатной плате должны быть изготовлены в соответствии с размером паяльника. (см. рис. 3).

И90340
Если отверстие в печатной плате спроектировано неправильно, могут возникнуть проблемы.
Если окончательный диаметр отверстия слишком мал, штырьки могут быть вставлены неправильно, что приведет к поломке штифтов и повреждению печатной платы.
Если конечный диаметр отверстия слишком большой, это может привести к плохим механическим и электрическим характеристикам после пайки. Качество припоя должно соответствовать IPC-A-610.
Рекомендуемые параметры температурного режима пайки волной припояfiles основаны на IPC-7530, IPC-9502, IEC 61760-1:2006.

Рисунок 3. Монтаж модуля на печатную плату перед монтажом на радиатор

Рисунок 4. Типичная пайка волной припоя Profile (Ссылка EN EN 61760-1:2006)

Таблица 1. ТИПИЧНАЯ ПАЙКА ВОЛНОЙ PROFILE (Ссылка EN EN 61760-1:2006)

Монтаж печатной платы на модуль

Когда печатная плата припаяна непосредственно к верхней части модуля, механические напряжения присутствуют, особенно на паяном соединении. Чтобы уменьшить эти напряжения, можно использовать дополнительный винт для фиксации печатной платы в четырех стойках модуля, см. рисунок 5.
Модули совместимы с саморезами (M2.5 x L (мм)) в зависимости от толщины печатной платы.

Длина резьбы, входящей в отверстие стойки, должна быть не менее Lmin 4 мм и не более Lmax 8 мм. Рекомендуется использовать отвертку с электронным управлением или электрическую отвертку для обеспечения большей точности.


Рисунок 5. Монтаж печатной платы на модуле E1B: (a) монтажное отверстие печатной платы E1B с выступом и (b) максимальная глубина зацепления резьбы винта

Требования к монтажу печатной платы
Отверстия для крепления глубиной 1.5 мм служат только в качестве направляющей для входа шурупа и не должны создавать никаких усилий.

Ключевым фактором является величина крутящего момента, допустимая для процесса предварительной затяжки и затяжки:

• Предварительная затяжка = 0.2 ~ 0.3 Нм
• Затяжка = 0.5 Нм макс.

Рисунок 6. Монтаж печатной платы на модуле E1B: вертикальное выравнивание самореза (a) выровнено и (b) не выровнено.

Монтаж модуля на радиатор

Требования к радиатору
Состояние поверхности радиатора является жизненно важным фактором для всей системы теплопередачи и должно быть в полном контакте с радиатором. Поверхность подложки модуля и поверхность радиатора должны быть однородными, чистыми и свободными от загрязнений перед монтажом. Это необходимо для предотвращения пустот, минимизации теплового сопротивления и максимизации количества мощности, которое может быть рассеяно внутри модуля, и достижения целевого теплового сопротивления на основе технического паспорта. Качества поверхности радиатора должны обеспечивать хорошую теплопроводность в соответствии с DIN 4768−1.

• Шероховатость (Rz): ≤10 м
• Плоскостность радиатора на основе длины 100 мм: ≤50 м

Материал теплового интерфейса (TIM)
Теплопроводящий материал, используемый между корпусом модуля и радиатором, имеет ключевое значение для достижения надежных и высококачественных тепловых характеристик. Термопаста или термопаста не рекомендуется для модулей без базовой платы, таких как E1B..
Без толстой медной пластины основания, служащей распределителем тепла, эффект выкачивания термопасты (за счет теплового расширения и сжатия слоя TIM между корпусом модуля и радиатором во время циклического включения или выключения питания или температурного цикла) усиливает образование пустот в слое TIM и оказывает существенное негативное влияние на срок службы модуля при циклическом включении питания.

Вместо, Для модулей E1B настоятельно рекомендуется использовать TIM с материалом с изменяемой фазой. На рисунке 7 показаны результаты циклического включения питания для полумостового модуля 1200 В 100 А (UHB100SC12E1BC3N) с использованием двух различных методов: термопаста против материала с фазовым переходом. Горизонтальная ось показывает количество циклов. Вертикальная ось показывает VDS устройства во время Tj_rise при 100 °C. Красная кривая показывает циклическое включение питания с термопастой. Синяя кривая показывает циклическое включение питания с материалом с фазовым переходом. Красная кривая может дойти только до 12,000 1 циклов, прежде чем произойдет тепловой разгон из-за ухудшения теплового сопротивления из-за эффекта откачки термопасты. Для того же модуля E58,000B использование материала с фазовым переходом для радиатора TIM значительно улучшает циклическое включение питания свыше XNUMX XNUMX циклов.

На рисунке 8 показаны условия и настройки испытания на циклическое включение питания. Рисунок 7. Характеристики цикла включения питания модуля E1B с различным TIM для радиатора: термопаста против материала с фазовым переходом

Рисунок 8. Тест на включение и выключение питания модуля E1B (a) Настройка и (b) Условия тестирования

Обычно после механического монтажа материал с изменяемой фазой следует запекать в печи, чтобы позволить TIM изменить свою фазу для дальнейшего заполнения микроскопических пустот между корпусом модуля и радиатором и снижения теплового сопротивления от корпуса модуля к радиатору. В приведенном выше примереampКак показано на рисунках 7 и 8, тепловое сопротивление от соединения устройства к воде снижается с 0.52 °C/Вт до 0.42 °C/Вт после 1 часа выпекания при температуре 65 °C. Для получения подробных инструкций обратитесь к поставщику TIM.

ПРИМЕЧАНИЕ: Любой другой тип материала с изменяющейся фазой должен быть оценен и дополнительно испытан заказчиком в соответствии с инструкциями поставщика TIM (материала с изменяющейся фазой) для обеспечения оптимальной производительности.

Монтаж модуля на радиатор
Процедура монтажа также является важным фактором для обеспечения эффективного контакта модуля и радиатора с материалом фазового перехода между ними. Обратите внимание, что радиатор и модуль не должны соприкасаться по всей площади, чтобы избежать локального разделения между двумя компонентами. Таблица 2 суммирует рекомендации по монтажу для крепления радиатора.

Таблица 2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОНТАЖУ РАДИАТОРА МОДУЛЯ OnSemi SiC E1B

Другие соображения по монтажу

Следует рассмотреть общую систему установленного модуля. Если модуль правильно прикреплен к радиатору и печатной плате, будет достигнута общая производительность продукта.
Также необходимо принять соответствующие меры для минимизации вибрации, поскольку печатная плата припаяна только к модулю.
Следует избегать слабых паяных клемм. Отдельные штыри могут быть загружены только перпендикулярно радиатору с максимальным давлением, натяжением и достаточным расстоянием между печатной платой и радиатором, которые должны оцениваться в соответствии с требованиями заказчика.

Для минимизации механической нагрузки на печатную плату и модуль, особенно когда печатная плата имеет тяжелые компоненты, рекомендуется использовать промежуточные стойки. см. рисунок 9.

Рисунок 9. Монтаж печатной платы и радиатора модуля E1B с помощью промежуточного штифта

Рекомендуемый размер (X) между распорным штифтом и краем монтажного отверстия печатной платы составляет ≤ 50 мм.
В случае установки нескольких модулей на одну и ту же печатную плату, разница в высоте между модулями может привести к механическим напряжениям в паяном соединении. Для минимизации напряжений рекомендуемая высота (H) промежуточных штифтов составляет 12.10 (±0.10) мм.

Требования к зазорам и путям утечки

Механическое расстояние между модулем и печатной платой должно соответствовать зазору и длине пути утечки, требуемым стандартом IEC 60664-1, редакция 3. На рисунке 10 показана иллюстрация.
Минимальный зазор — это расстояние между головкой винта и нижней поверхностью печатной платы, которое должно быть достаточным для предотвращения электропроводности в этой области.
В качестве альтернативы могут потребоваться дополнительные меры изоляции, такие как слот для печатной платы, покрытие или специальная заливка, чтобы соответствовать стандартам зазоров и путей утечки.

Рисунок 10. Зазор между винтом и печатной платой

Тип винта определяет минимальный зазор между ним и печатной платой. С винтом с плоской головкой в ​​соответствии с ISO7045, стопорной шайбой в соответствии с DIN 127B и плоской шайбой DIN 125A, а также кл.amp , показанное на рисунке 10, расстояние будет 4.25 мм. Типичные зазоры и пути утечки доступны в техническом описании. Более подробную информацию о зазорах модуля или пути утечки можно получить, обратившись в службу поддержки приложений или отдел продаж и маркетинга.

Все торговые марки и названия продуктов, встречающиеся в этом документе, являются зарегистрированными товарными знаками или товарными знаками соответствующих владельцев.

онсеми, , а также другие названия, товарные знаки и торговые марки являются зарегистрированными и/или товарными знаками по общему праву компании Semiconductor Components Industries, LLC dba. «онсеми» или ее филиалы и/или дочерние компании в США и/или других странах. онсеми владеет правами на ряд патентов, товарных знаков, авторских прав, коммерческих тайн и другой интеллектуальной собственности.
Список онсеми Доступ к продукту/патентному покрытию можно получить по адресу www.onsemi.com/site/pdf/Patent-Marking.pdf. онсеми оставляет за собой право вносить изменения в любое время в любые продукты или информацию, содержащуюся в настоящем документе, без предварительного уведомления. Информация здесь предоставляется «как есть» и онсеми не дает никаких гарантий, заявлений или гарантий в отношении точности информации, характеристик продукта, доступности, функциональности или пригодности своих продуктов для каких-либо конкретных целей, а также не онсеми принимает на себя любую ответственность, возникающую в результате применения или использования любого продукта или схемы, и отказывается от любой ответственности, включая, помимо прочего, особые, косвенные или случайные убытки. Покупатель несет ответственность за свои продукты и приложения, использующие онсеми продукты, включая соблюдение всех законов, правил и требований или стандартов безопасности, независимо от какой-либо информации о поддержке или приложениях, предоставленной онсеми. «Типичные» параметры, которые могут быть указаны в онсеми Технические характеристики и/или спецификации могут различаться и действительно различаются в зависимости от применения, а фактическая производительность может меняться с течением времени. Все рабочие параметры, включая «типовые», должны быть проверены техническими экспертами заказчика для каждого применения заказчика. онсеми не передает никаких лицензий ни по своим правам интеллектуальной собственности, ни по правам других лиц. онсеми продукты не разработаны, не предназначены и не разрешены для использования в качестве критически важного компонента в системах жизнеобеспечения или любых медицинских устройствах класса 3 FDA или медицинских устройствах с такой же или аналогичной классификацией в иностранной юрисдикции или любых устройствах, предназначенных для имплантации в организм человека. Должен ли покупатель приобрести или использовать онсеми продукции за любое такое непреднамеренное или несанкционированное применение, Покупатель обязуется возместить ущерб и удержать онсеми и его должностные лица, сотрудники, дочерние компании, филиалы и дистрибьюторы освобождаются от всех претензий, издержек, ущерба и издержек, а также от разумных гонораров адвокатов, возникающих в результате, прямо или косвенно, любого иска о телесных повреждениях или смерти, связанных с таким непреднамеренным или несанкционированным использованием. , даже если в таком иске утверждается, что онсеми проявил халатность в отношении проектирования или изготовления детали. онсеми является работодателем равных возможностей / позитивных действий. Эта литература подпадает под действие всех применимых законов об авторском праве и никоим образом не предназначена для перепродажи.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПУБЛИКАЦИИ:
Техническая библиотека: www.onsemi.com/design/resources/technical-documentation
онсеми Webсайт: www.onsemi.com
ОНЛАЙН ПОДДЕРЖКА: www.onsemi.com/support
Для получения дополнительной информации свяжитесь с вашим местным торговым представителем по адресу www.onsemi.com/support/sales