Brukerveiledning for onsemi SiC E1B-moduler

Brukerveiledning for onsemi SiC E1B-moduler

Omfang

onsemi har vært pionerer innen introduksjonen av SiC JFET-er i en kaskokonfigurasjon med gate-driverkompatibilitet med Si MOSFET-er, IGBT-er og SiC MOSFET-er, basert på 5 V terskelvolum.tage og bredt gate-driftsområde på ±25 V.

Disse enhetene er iboende svært raske å bytte, med utmerkede kroppsdiodeegenskaper. onsemi har kombinert fordelenetageus SiC JFET-basert kraftenhet med en industristandard kraftmodulpakke, E1B, for ytterligere å forbedre effekttetthet, effektivitet, kostnadseffektivitet og brukervennlighet for industrielle kraftsystemer.

Denne applikasjonsnotaten introduserer monteringsretningslinjer (kretskort og kjøleribbe) for onsemis nyeste E1B-strømmodulpakker (halvbro og fullbro).

VIKTIG: Snubbere anbefales sterkt for SiC E1B-moduler på grunn av deres iboende raske koblingshastighet. Snubber reduserer også koblingstap ved avstengning betraktelig, noe som gjør SiC E1B-moduler ekstremt attraktive i ZVS (null volum).tage-påslag) mykkoblingsapplikasjoner som faseforskjøvet fullbro (PSFB), LLC, etc.

Dette produktet anbefales for bruk med loddestiftfeste og faseendringsmaterialer for termisk grensesnitt, og anbefales ikke for implementeringer som bruker presspasning og påføring av termisk fett. Se monteringsretningslinjene og brukerhåndboken som er knyttet til dette produktet for detaljert informasjon.

Dette applikasjonsnotatet inneholder også ressurslenker til simuleringsmodeller, monteringsretningslinjer, termiske egenskaper, pålitelighet og kvalifikasjonsdokumenter.

Ressurs og referanse

1. Teknisk oversikt over SiC E1B-modulerview
2. Monteringsveiledning for SiC E1B-moduler
3. SiC Cascode JFET og brukerhåndbok for modul
4. SiC E1B-moduler DPT EVB brukerhåndbok
5. onsemi SiC-modulkobling: SiC-moduler
6. EliteSiC-kraftsimulator
7. onsemi SiC-strømløsningens sentrale knutepunkt
8. Opprinnelsen til SiC JFET-er og deres utvikling mot den perfekte bryteren

E1B-modulinformasjon

Hovedårsaken til feil i en krafthalvledermodul er feil montering. Dårlig montering vil føre til forhøyet eller overdreven temperatur i koblingspunktet, noe som vil begrense modulens levetid betydelig. Som et resultat er riktig modulinstallasjon avgjørende for å oppnå pålitelig varmeoverføring fra SiC-enhetens koblingspunkt til kjølekanalen.

E1B-modulene er konstruert for å loddes til et kretskort (PCB) og festes til en kjøleribbe med forhåndsmonterte skruer og skiver, som vist i Figur 1 og Figur 2Mer omfattende informasjon om dimensjoner og toleranser for design av maskinvare for disse systemene finnes i moduldatabladene.

Figur 1. Plassering av modulmonteringsskrue (øverst View)

AND90340/D

Figur 2. Modulmontering med PCB og kjøleribbe (eksplodert monteringsdiagram) View)

Anbefalt monteringsrekkefølge

onsemi anbefaler følgende monteringsrekkefølge for bedre termisk ytelse og levetid for SiC E1B-modulen:

1. Lodd modulpinnen til kretskortet (PCB)
2. Monter PCB-en på modulen
3. Monter modulen til kjøleribben

Med en forhåndsmontert skrue (kombiner skrue, skive og låseskive) fester du modulen til kjøleribben med begrensende moment. Det bør bemerkes at størrelsen og overflaten på kjøleribben må tas i betraktning gjennom hele loddeprosessen, ettersom riktig varmeoverføring mellom modulens bakside og kjøleribbens grensesnitt er avgjørende for den generelle ytelsen til en pakke i et system (se figur 2).

1. Lodd modulpinnen til kretskortet
   De loddbare pinnene som brukes på E1B-modulen er kontrollert og kvalifisert av onsemi for standard FR4-kretskort.
   Hvis kretskortet krever en reflow-loddeprosess for andre komponenter, anbefales det å reflowe kretskortet før montering av modulen for å unngå eksponering for høye temperaturer.

En typisk bølgeloddingsprofffile er vist i figur 4 og tabell 1.
Hvis andre håndteringsteknikker brukes i produksjonen av kretskort, kreves ytterligere testing, inspeksjon og sertifisering.

PCB-krav
FR4-kretskort med en maksimal tykkelse på 2 mm.
Se IEC 61249−2−7:2002 for å sjekke om PCB-materialet oppfyller standardkravene.
Brukeren må bestemme de optimale ledende lagene for riktig design av PCB-stablingslag, men må sørge for at flerlags-PCB-er følger IEC 60249-2-11 eller IEC 60249-2-1
Hvis kunden vurderer dobbeltsidige kretskort, se IEC 60249-2-4 eller IEC 60249-2-5

Krav til loddestift
Nøkkelfaktorer for å oppnå loddeforbindelser med høy pålitelighet er PCB-designet.
Diameteren på de gjennomgående hullene på kretskortet må produseres i henhold til loddestiftens dimensjon. (se figur 3).

AND90340
Hvis PCB-hulldesignet ikke er riktig, kan det oppstå potensielle problemer.
Hvis den endelige hulldiameteren er for liten, kan det hende at den ikke settes inn riktig, og det vil føre til at pinnene brekker og skader kretskortet.
Hvis den endelige hulldiameteren er for stor, kan det hende at det ikke gir god mekanisk og elektrisk ytelse etter lodding. Loddekvaliteten bør referere til IPC-A-610.
De anbefalte parametrene for bølgeloddingsprosessens temperaturprofileer basert på IPC-7530, IPC-9502, IEC 61760-1:2006.

Figur 3. Modulmontering på kretskort før montering på kjøleribbe

Figur 4. Typisk bølgeloddingprofffile (Referanse EN EN 61760-1:2006)

Tabell 1. TYPISK BØLGELODDINGSPROFFFILE (Referanse EN EN 61760-1:2006)

Montering av PCB på modul

Når kretskortet loddes direkte på toppen av modulen, vil det være mekaniske belastninger, spesielt på loddeforbindelsen. For å redusere disse belastningene kan en ekstra skrue brukes til å feste kretskortet til de fire avstandsstykkene på modulen. se figur 5.
Modulene er kompatible med selvgjengende skruer (M2.5 x L (mm)), avhengig av kretskorttykkelsen.

Lengden på gjengen som går inn i avstandshullet skal være minst Lmin 4 mm og maksimalt Lmaks 8 mm. Det anbefales å bruke en elektronisk styrt skrutrekker eller elektrisk skrutrekker for å sikre bedre nøyaktighet.


Figur 5. PCB-montering på E1B-modul: (a) E1B PCB-monteringshull med avstandsstykke, og (b) Maksimal gjengeinngrepsdybde

Krav til montering av PCB
Avstandshullenes dybde på 1.5 mm fungerer kun som en skrueføring og skal ikke påføre noen kraft.

Nøkkelfaktoren er mengden dreiemoment som er tillatt for forstramming og stramming:

• Forstramming = 0.2 ~ 0.3 Nm
• Tiltrekking = 0.5 Nm maks.

Figur 6. Kretskortmontering på E1B-modul: Vertikal justering av selvgjengende skrue (a) justert, og (b) feiljustert.

Monteringsmodul til kjøleribbe

Krav til kjøleribbe
Overflatetilstanden til kjøleribben er en viktig faktor i hele varmeoverføringssystemet og må være i full kontakt med kjøleribben. Modulens substratoverflate og kjøleribbens overflate må være ensartede, rene og fri for forurensning før montering. Dette er for å forhindre hulrom, minimere den termiske impedansen og maksimere mengden effekt som kan avgis i modulen og oppnå den ønskede termiske motstanden basert på databladet. Kjøleribbens overflateegenskaper er nødvendige for å oppnå god varmeledningsevne i henhold til DIN 4768−1.

• Ruhet (Rz): ≤ 10 m
• Kjøleribbens flathet basert på en lengde på 100 mm: ≤50 m

Termisk grensesnittmateriale (TIM)
Termisk grensesnittmateriale som brukes mellom modulhuset og kjøleribben er nøkkelen til å oppnå pålitelig og høykvalitets termisk ytelse. Termisk fett eller termisk pasta anbefales ikke for en modul uten baseplate som E1B.
Uten en tykk kobberbunnplate som fungerer som varmespreder, forverrer den termiske fettutpumpingseffekten (ved termisk utvidelse og sammentrekning av TIM-laget mellom modulhuset og kjøleribben under strøm- eller temperatursykling) hulromsdannelsen i TIM-laget og har betydelig negativ innvirkning på modulens levetid ved strømsykling.

I stedet, TIM med faseendringsmateriale anbefales sterkt for E1B-moduler. Figur 7 viser resultatene av effektsykluser for 1200 V 100 A halvbromodulen (UHB100SC12E1BC3N) ved bruk av to forskjellige metoder, termisk fett kontra faseendringsmateriale. Den horisontale aksen viser antall sykluser. Den vertikale aksen viser enhetens VDS under Tj-stigning ved 100 °C. Den røde kurven viser effektsykluser med termisk fett. Den blå kurven viser effektsykluser med faseendringsmateriale. Den røde kurven kan bare gå til 12,000 1 sykluser før termisk runaway oppstår på grunn av forringelse av termisk motstand fra utpumpingseffekten av termisk fett. For den samme E58,000B-modulen, forbedrer bruk av faseendringsmateriale for kjøleribbe TIM effektsyklusen betydelig utover XNUMX XNUMX sykluser.

Figur 8 viser testforhold og oppsett for strøm- og avspenningssyklus. Figur 7. E1B-modulens ytelse for strøm- og avspenningssyklus. med ulik TIM for kjøleribbe: Termisk fett vs. faseendringsmateriale

Figur 8. E1B-modulens strømsyklustest (a) oppsett og (b) testforhold

Vanligvis, etter mekanisk montering, bør faseendringsmaterialet bakes i ovnen for å la TIM endre fase for å fylle mikroskopiske hulrom mellom modulhuset og kjøleribben ytterligere og redusere termisk motstand fra modulhuset til kjøleribben. I eksemplet ovenforampSom vist i figur 7 og figur 8, reduseres den termiske motstanden fra enhetens kobling til vann fra 0.52 °C/W til 0.42 °C/W etter 1 times steking ved 65 °C. Kontakt TIM-leverandøren for detaljerte instruksjoner.

NOTE: Alle andre faseendringsmaterialetyper bør evalueres og testes i tillegg av kunden ved å følge instruksjoner fra en TIM-leverandør (faseendringsmateriale) for å sikre optimal ytelse.

Monteringsmodul til kjøleribbe
Monteringsprosedyren er også en viktig faktor for å garantere effektiv kontakt mellom modulen og kjøleribben med faseendringsmateriale imellom. Merk at kjøleribben og modulen ikke skal berøre hele området for å unngå en lokal separasjon mellom de to komponentene. Tabell 2 oppsummerer monteringsretningslinjene for feste av kjøleribben.

Tabell 2. ANBEFALINGER FOR MONTERING AV KJØLERIBLE FOR onsemi SiC E1B-MODUL

Andre monteringshensyn

Det overordnede systemet til den monterte modulen bør vurderes. Hvis modulen er riktig festet til kjøleribben og kretskortet, vil produktets overordnede ytelse oppnås.
Det må også iverksettes passende tiltak for å minimere vibrasjoner, siden kretskortet kun er loddet til modulen.
Svake loddeterminaler må unngås. Individuelle pinner kan bare belastes vinkelrett på kjøleribben med maksimalt trykk, spenning og tilstrekkelig avstand mellom kretskortet og kjøleribben må vurderes ut fra kundens applikasjon.

For å minimere den mekaniske belastningen på kretskortet og modulen, spesielt når kretskortet har tunge komponenter, anbefales det å bruke avstandsstolpe, se figur 9.

Figur 9. Montering av E1B-modulens kretskort og kjøleribbe med avstandsstolpe

Den anbefalte dimensjonen (X) mellom avstandsstolpen og kanten av kretskortets monteringshull er ≤ 50 mm.
Dersom flere moduler er montert på samme kretskort, kan høydevariasjonen mellom modulene føre til mekaniske belastninger på loddeforbindelsen. For å minimere belastningen er den anbefalte høyden (H) på mellomromsstolpene 12.10 (±0.10) mm.

Krav til klarering og krypavstand

Den mekaniske avstanden mellom modulen og kretskortet må overholde klaringen og krypeavstanden som kreves i IEC 60664-1 Revisjon 3. Figur 10 viser illustrasjonen.
Minimumsklaringen er avstanden mellom skruehodet og bunnflaten på kretskortet som må ha tilstrekkelig avstand for å forhindre elektrisk ledningsevne i dette området.
Alternativt kan det være nødvendig å implementere ytterligere isolasjonstiltak, som for eksempel PCB-spor, belegg eller spesialgipsing, for å oppfylle passende standarder for klarering og krypeavstand.

Figur 10. Klaring mellom skrue og kretskort

Skruetypen bestemmer minimumsavstanden mellom den og kretskortet. Med en panhodeskrue i samsvar med ISO7045, en låseskive i samsvar med DIN 127B og en flat skive DIN 125A, og klaringamp som vist i figur 10, vil avstanden være 4.25 mm. Typisk klaring og krypeavstand er tilgjengelig i databladet. Ytterligere detaljer om modulklaring eller krypeavstand kan du kontakte applikasjonsstøtte eller salg og markedsføring.

Alle merkenavn og produktnavn som vises i dette dokumentet er registrerte varemerker eller varemerker for deres respektive eiere.

onsemi, , og andre navn, merker og merker er registrerte og/eller fellesrettslige varemerker for Semiconductor Components Industries, LLC dba "onsemi" eller dets tilknyttede selskaper og/eller datterselskaper i USA og/eller andre land. onsemi eier rettighetene til en rekke patenter, varemerker, opphavsrettigheter, forretningshemmeligheter og annen immateriell eiendom.
En liste over onsemi sine produkt-/patentdekning kan nås på www.onsemi.com/site/pdf/Patent−Marking.pdf. onsemi forbeholder seg retten til å gjøre endringer når som helst på produkter eller informasjon heri, uten varsel. Informasjonen her er gitt "som den er" og onsemi gir ingen garantier, representasjoner eller garantier angående nøyaktigheten av informasjonen, produktfunksjonene, tilgjengeligheten, funksjonaliteten eller egnetheten til produktene for noe bestemt formål, og gjør det heller ikke onsemi påtar seg ethvert ansvar som oppstår som følge av applikasjonen eller bruken av et produkt eller en krets, og fraskriver seg spesifikt ethvert ansvar, inkludert uten begrensning spesielle, følgeskader eller tilfeldige skader. Kjøper er ansvarlig for sine produkter og applikasjoner som bruker onsemi produkter, inkludert overholdelse av alle lover, forskrifter og sikkerhetskrav eller standarder, uavhengig av støtte eller applikasjonsinformasjon gitt av onsemi. "Typiske" parametere som kan oppgis i onsemi datablad og/eller spesifikasjoner kan og vil variere i forskjellige applikasjoner, og faktisk ytelse kan variere over tid. Alle driftsparametre, inkludert "Typicals" må valideres for hver kundeapplikasjon av kundens tekniske eksperter. onsemi formidler ingen lisens under noen av sine immaterielle rettigheter eller andres rettigheter. onsemi produktene er ikke designet, tiltenkt eller autorisert for bruk som en kritisk komponent i livsopprettholdende systemer eller medisinsk utstyr i FDA klasse 3 eller medisinsk utstyr med samme eller lignende klassifisering i en utenlandsk jurisdiksjon eller utstyr beregnet på implantasjon i menneskekroppen. Bør kjøper kjøpe eller bruke onsemi produkter for enhver slik utilsiktet eller uautorisert bruk, skal kjøperen holde skadesløs onsemi og dets offiserer, ansatte, datterselskaper, tilknyttede selskaper og distributører harmløse mot alle krav, kostnader, skader og utgifter, og rimelige advokathonorarer som oppstår som følge av, direkte eller indirekte, ethvert krav om personskade eller død forbundet med slik utilsiktet eller uautorisert bruk , selv om en slik påstand hevder det onsemi var uaktsom med hensyn til design eller produksjon av delen. onsemi er en arbeidsgiver for like muligheter/bekreftende handlinger. Denne litteraturen er underlagt alle gjeldende lover om opphavsrett og er ikke for videresalg på noen måte.

YTTERLIGERE INFORMASJON

TEKNISKE PUBLIKASJONER:
Teknisk bibliotek: www.onsemi.com/design/resources/technical−documentation
onsemi Webnettsted: www.onsemi.com
NETTSTØTTE: www.onsemi.com/support
For ytterligere informasjon, vennligst kontakt din lokale salgsrepresentant på www.onsemi.com/support/sales