Силовая электроника №6'2012

Новая технология монтажа модулей с контактами PressFIT

Производители силовой электроники испытывают все более настоятельную потребность в новых, простых технологиях выполнения монтажа и электрических соединений. Технология PressFIT предлагает возможность монтажа без применения пайки, надежность которого выше надежности паяных соединений.

Производители силовой электроники испытывают все более настоятельную потребность в новых, простых технологиях выполнения монтажа и электрических соединений. Технология PressFIT предлагает возможность монтажа без применения пайки, надежность которого выше надежности паяных соединений.

С целью развития этого подхода на основе технологии PressFIT была разработана новая платформа для силовых модулей, которая предлагает концепцию быстрого и надежного монтажа, позволяя упростить производство, повысить надежность и улучшить конструкцию инверторов. Особое внимание было уделено механической надежности. Одной из основных целей была разработка такой конструкции модуля, которая позволяла бы при контролируемых монтажных нагрузках избежать риска образования DCB-трещин. Для демонстрации надежности были проведены механические испытания новой платформы.

Монтаж и подключение силовых модулей

Современное состояние

Если силовой полупроводниковый модуль должен быть смонтирован в инверторе типовой конструкции, то чаще всего его крепят винтами. Процесс крепления винтом хорошо известен и благодаря этому предпочтителен для большинства заказчиков силовых модулей.

К сожалению, у винта есть два параметра, которые могут варьироваться в конкретных устройствах и при монтаже и которые сильно влияют на получаемую в конечном итоге силу затяжки. Это коэффициент трения в резьбе и головке винта, а также сам момент затяжки. Для количественного описания винтового соединения следует оценить предельные значения, и то, как они варьируются. Момент затяжки тогда можно оценить по следующей приближенной формуле:

где: Fv — сила затяжки; M — крутящий момент; P — шаг резьбы; μ — коэффициент трения; d2 — диаметр резьбы винта; Dkm — эффективный диаметр.

В качестве примера на рис. 1 показаны рассчитанные вариации для крутящего момента 8,5 Нм и коэффициента трения, меняющегося от 0,11 до 0,17. Фактически коэффициент трения между алюминиевым радиатором и винтом с цинковым покрытием равен примерно 0,14. Из рисунка видно, что диапазон вариаций широк из-за взаимосвязей между крутящим моментом, трением и усилием затяжки. Результирующая сила меняется примерно в диапазоне 4,7–6,9 кН.

 Пример взаимосвязи между крутящим моментом, трением и предварительным натяжением

Рис. 1. Пример взаимосвязи между крутящим моментом, трением и предварительным натяжением

Общие вопросы

Поскольку винтовое крепление может быть выполнено различным образом, существуют некоторые общие вопросы, которые должны понимать поставщики и потребители силовых модулей.

Сложность монтажа

В типичных силовых модулях, рассчитанных на мощности до 55 кВт, конструктивно предусматривают несколько точек винтового крепления к теплоотводу и печатной плате. Крепление к теплоотводу обязательно, поскольку требуется обеспечить хорошую тепловую связь с ним. Если сложить число винтов, то станет очевидно, что уменьшение их количества представляет собой одно из направлений усовершенствования конструкции.

Растрескивание керамики

Тренд современного рынка силовых полупроводниковых модулей — создание приборов без классического базового основания, так как для многих устройств необходимо только обеспечить требуемую теплоемкость и способность рассеивать тепло, для чего такая массивная, сделанная в большинстве случаев из меди пластина избыточна.

Это означает, что конструктивно в качестве основы модуля берется керамическая подложка, на которой установлены кристаллы высокой мощности. Пластиковый корпус с двумя фланцами, куда вкручиваются крепежные винты, устанавливается непосредственно на подложку (рис. 2).

 Схема передачи усилия от винтов к керамике — концентрация напряжений по краям керамики

Рис. 2. Схема передачи усилия от винтов к керамике — концентрация напряжений по краям керамики

Для надежного соединения необходимо большое усилие затяжки. Для существующих конструкций приложение такой нагрузки с высокой скоростью обычно сопряжено с риском растрескивания керамики. Это следствие того, что усилие прикладывается непосредственно к краям непрочной керамической подложки. Появление трещин в керамике означает, что невозможно гарантировать изоляцию, необходимую для обеспечения электробезопасности изделия, следовательно, такой модуль должен быть отбракован.

Теплопроводная паста — наилучший из доступных материалов для обеспечения тепловой связи между силовым модулем и теплоотводом — повышает риск образования трещин из-за присущей ей вязкости и амортизирующей способности, которая пропорциональна скорости приложения нагрузки.

Электрический контакт с печатной платой PressFIT как предпочтительное решение

Для электрического подключения силовых полупроводниковых модулей к печатным платам обычно используются следующие три технологии: пайка, пружинные контакты и контакты PressFIT.

Существует тенденция, направленная на снижение количества паяных соединений, так как это позволяет уменьшить себестоимость производства инверторов, обеспечить гибкость их производства и упростить конструктивные решения. Надежность соединений PressFIT основана на создании контактной зоны с низкой газопроницаемостью, которая очень устойчива к климатическим колебаниям и способна работать в коррозионных средах. Это обеспечивается благодаря пластической деформации в точках локального контакта, ведущей к формированию соединения типа «холодной» сварки (рис. 3). По этой причине контактное сопротивление оказывается очень низким и стабильным, что делает данную технологию пригодной как для высоких токов, так и для чувствительных низкоуровневых сигналов. Таким образом, можно сказать, что метод формирования электрического контакта PressFIT обладает самым высоким потенциалом, который позволит ему занять доминирующие позиции в будущем.

 Схема формирования соединения PressFIT

Рис. 3. Схема формирования соединения PressFIT

Соединение PressFIT решает основные проблемы, присущие разъемным соединениям. Высокое контактное усилие разрушает поверхностные слои, риск коррозионного изнашивания (фреттинг) очень мал, и для надежного функционирования контакта оплавление не требуется. Этим обеспечивается очень низкий уровень отказов, который приблизительно в десять раз меньше, чем у паяных соединений.

Надежность подтверждена значительным количеством квалификационных испытаний в соответствии с хорошо известным стандартом IEC 60352-5 для контактов, а также IEC 60749 и 60068 для модулей, оснащенных контактами типа PressFIT.

PressFIT — автоматические контакты

Требования к конструкциям модулей будущего

Что касается конструкций современных модулей, то имеется три основных направления, в которых возможны существенные улучшения, и все они должны быть объединены в одном решении. То есть необходим модуль, который подходил бы для одноступенчатого монтажа, обладал высокой механической надежностью и у которого была бы надежная контактная система, не требующая использования пайки.

Принцип Smart

Smart-модуль подходит для одноступенчатого монтажа при использовании контактов PressFIT. Поэтому он получил название «автоматический PressFIT», или «самодействующий PressFIT» (рис. 4). Это означает, что фиксация на теплоотводе, получение электрического соединения и фиксация на печатной плате выполняются всего за одну и притом очень быструю технологическую операцию: простой затяжкой винта.

 Принцип «самодействующих PressFIT»

Рис. 4. Принцип «самодействующих PressFIT»

Обратный фиксатор (counterholder) передает усилие от винта к печатной плате и вталкивает выводы-контакты в предназначенные для них отверстия. Далее под воздействием давления плата с обратным фиксатором опускается на модуль и прижимает его к теплоотводу, создавая хороший тепловой контакт. Поскольку после монтажа печатная плата оказывается закрепленной между модулем и обратным фиксатором, то нет никакой необходимости в дополнительных точках для ее крепления на поверхности модуля.

Что касается механики, то конструкция Smart очень надежна. Надежность обеспечивается двойным каркасом, который защищает керамическую подложку от всех крутящих моментов, а также от иных внешних нагрузок. Конструкция состоит из внутреннего модульного ядра с керамической подложкой и двух механически разъединенных деталей: заклепки и внешнего каркаса (рис. 5). Усилие от винта прикладывается только ко внешнему каркасу и внутренней детали, которые обладают одной степенью свободы — в вертикальном направлении. Они соединены с ядром через эластичные элементы, которые толкают его к теплоотводу. Кроме того, контакты PressFIT, которые распределены непосредственно на подложке, тоже существенно помогают толкать подложку.

 Схематическое изображение модуля Smart

Рис. 5. Схематическое изображение модуля Smart. Усилия от винта передаются на внешнюю деталь, внутренняя часть — механически разъединенное ядро — защищена

Для одноступенчатого монтажа требуется технология обеспечения электрического соединения без использования пайки. В модулях Smart применены хорошо себя зарекомендовавшие контакты PressFIT.

В семейство Smart входят три корпуса, предназначенных для разных диапазонов мощности. Описанные далее тесты проводились на модулях Smart 1 (рис. 6), но в первом приближении, благодаря подобию механической концепции модулей Smart 2 и Smart 3, результаты испытаний можно распространить и на них тоже.

 Модуль Smart 1 с обратным фиксатором

Рис. 6. Модуль Smart 1 с обратным фиксатором

Базовые испытания

Для оценки надежности модулей Smart необходимо было выбрать подходящее испытательное оборудование и должным образом его настроить. Для описанных ниже испытаний были использованы (рис. 7): крепежное устройство (шуруповерт) с контролем углового перемещения и крутящего момента; машина сжатия/растяжения для измерения упругих напряжений; климатическая камера, оснащенная измерительной видеосистемой для обнаружения деформаций и смещений при различных температурах и нагрузках.

 Испытательное оборудование

Рис. 7. Испытательное оборудование: а) Atlas Copco Tensor 3-7; б) машина сжатия/растяжения Instron 5567; в) климатическая камера с измерительной видеосистемой GOM Aramis

Стандартный монтаж

Один из первых вопросов, требующих решения, — оценка требуемого для проведения монтажа момента затяжки (рис. 8).

 Диаграмма «крутящий момент–угол поворота» для модулей Smart 1

Рис. 8. Диаграмма «крутящий момент–угол поворота» для модулей Smart 1

При задании нижней границы крутящего момента необходимо обеспечить, чтобы модуль был надежно закреплен. В свою очередь, верхний предел должен быть достаточно небольшим, чтобы можно было гарантировать отсутствие каких-либо повреждений.

На первом шаге по приведенной выше формуле было приблизительно рассчитано значение крутящего момента. Для выбранного винта M6 с потайной головкой, с учетом требуемых для контактов PressFIT усилий, было получено, что для модулей Smart 1 крутящий момент должен быть равен примерно 8,5±0,5 Нм.

Механическая надежность

Крутящий момент и скорость вращения

На современном производстве производить закрутку винтов необходимо как можно быстрее. В случае типовой конструкции инвертора винт с цинковым покрытием вкручивают в резьбовое отверстие в алюминиевом сплаве. Разумной можно считать скорость вращения около 500 об/мин. На рис. 9 видно, что закручивающая винт машина, работающая на такой скорости, не может остановиться именно тогда, когда момент затяжки достигнет заданного значения: из-за инерции результирующий момент оказывается выше. Обычно, чтобы избежать этого, используют двухступенчатую процедуру, когда на втором этапе скорость вращения снижают до 100 об/мин. и даже ниже. Модули, построенные на принципе Smart, благодаря надежности конструкции и способности к амортизации механических напряжений пригодны для действительно одноступенчатой процедуры монтажа при скорости вращения 500 об/мин.

 Диаграмма «крутящий момент–угол поворота»

Рис. 9. Диаграмма «крутящий момент–угол поворота» с избыточным крутящим моментом

Вторая проблема — непостоянство коэффициента трения. Типичное для пары «оцинкованный винт–алюминиевый радиатор» значение коэффициента трения составляет около 0,14. Однако необходимо принимать в расчет, что данное значение может варьироваться. Это непростая задача, так как изменить коэффициент трения конкретной имеющейся пары «винт–радиатор» почти невозможно. По этой причине были выполнены некоторые тесты, в которых крутящий момент увеличивали или уменьшали в зависимости от величины коэффициента трения. Здесь наибольший интерес представляет перегрузка, так как ее появление может привести к повреждениям и растрескиванию керамики, что ведет к нарушению изоляции модуля.

При испытаниях на перегрузку также наносилась теплопроводная паста толщиной 100 мкм. Была выбрана паста Electrolube HTC, которая обладает очень высокой вязкостью, что критично для склонной к образованию трещин керамики. Настройка была выполнена таким образом, чтобы максимальная перегрузка равнялась 12 Нм, что соответствует крутящему моменту 9 Нм при коэффициенте трения 0,1. Все модули проверялись до и после испытаний, также проводилась проверка их изоляционных свойств. Все они прошли испытания на прочность электрической изоляции: воздействие испытательным напряжением величиной 4,2 кВ в течение 1 с (соответственно 2,5 кВ в течение 10 с). Это означает, что никаких трещин, вызванных механическими напряжениями, не возникло, и остальные части модулей также не были повреждены.

Теплопроводная паста

Между подложкой модуля и теплоотводом всегда есть небольшой зазор, который ухудшает теплопередачу и дает высокое тепловое сопротивление, если он не заполнен адекватным теплопроводящим материалом. При монтаже силовых модулей в качестве такого материала обычно используют теплопроводную пасту. К сожалению, толщина слоя пасты всегда неоднородна, особенно если она наносилась вручную. На получаемые в дальнейшем тепловые характеристики модуля неоднородность слоя пасты практически не влияет. Однако из-за вязкости и, соответственно, скорости амортизации пасты наличие неоднородностей может оказаться фатальным для керамики и, следовательно, изоляционных свойств модуля. Неоднородность слоя пасты по толщине означает механическую неоднородность основания, что приводит к возникновению высоких локальных напряжений изгиба, и, в свою очередь, может привести к возникновению трещин (рис. 10). Вероятность этого тем выше, чем выше скорость монтажа, которая определяется скоростью закручивания винта.

 При приложении нагрузки непосредственно к модулю возникает риск растрескивания керамики

Рис. 10. При приложении нагрузки непосредственно к модулю возникает риск растрескивания керамики из-за неравномерности нанесенного слоя теплопроводной пасты

В отличие от модулей стандартных конструкций, в конструкциях Smart ядро модуля не имеет жесткой механической связи. Это, во-первых, означает, что оно защищено от высоких крутящих нагрузок. А во-вторых, у теплопроводной пасты появляется время равномерно распределиться и вытечь из зазора, если ее слишком много (рис. 11).

 Принцип Smart-защиты от возникновения трещин в керамике

Рис. 11. Принцип Smart-защиты от возникновения трещин в керамике

На современных производственных линиях, например линиях сборки частотных преобразователей, где осуществляется установка силовых приборов, теплопроводная паста наносится в автоматическом или полуавтоматическом режиме с помощью специально изготовленных под конкретный тип модулей трафаретов (рис. 12). Этот процесс отличается высокой стабильностью и обеспечивает хорошую повторяемость толщины нанесенного слоя.

 Паста, нанесенная методом трафаретной печати (слева)

Рис. 12. Паста, нанесенная методом трафаретной печати (слева), и ее распределение после монтажа модуля (справа)

К сожалению, некоторые принтеры не обладают столь высокой стабильностью или в некоторых случаях автоматизация процесса нанесения пасты оказывается экономически нецелесообразной. Также к появлению трещин в керамике может приводить зависимость амортизационной способности материала от скорости приложения нагрузки.

Чтобы гарантировать функциональность Smart-защиты, было проведено несколько простых испытаний, при которых теплопроводная паста намеренно наносилась неправильно. Неправильное нанесение пасты (примеры приведены на рис. 13) ни в одном случае не привело к возникновению трещин, повреждению DCB-платы или модуля. Одноступенчатый тестовый монтаж осуществлялся при номинальном крутящем моменте и скорости вращения 500 об/мин.

 Неравномерное нанесение теплопроводной пасты

Рис. 13. Неравномерное нанесение теплопроводной пасты не привело к повреждению керамики

Тепловое сопротивление и полость

Тепловое сопротивление

Тепловое сопротивление — это самый важный параметр, который дает ответ на вопрос, какое количество тепла может быть отведено от модуля и, следовательно, какова реальная полезная мощность модуля.

Как обычно, тепловое сопротивление Rth между кристаллом модуля Smart 1 и теплоотводом измерялось на параллельно работающих IGBT, чтобы учесть эффект близости и получить реально «живые» значения.

Полученное значение Rth для PIM (инвертор, выпрямитель и чоппер) модуля FP35R12U1T4 с номинальным током 35 А и напряжением 1200 В составило 1,05 К/Вт. Это очень хороший результат, а для параллельно работающих приборов даже более того.

Что касается корреляции между механически измеримыми полостями (кавернами) между модулем и теплоотводом и способностью к отводу тепла (теплопроизводительностью), то обнаружить явную зависимость здесь очень сложно. По этой причине поставщики часто приводят для своих изделий только значения Rth, не связывая их с величиной полости. Колебания в несколько микрометров не сказываются заметно на тепловом сопротивлении. Кроме того, определение самого Rth довольно трудоемкая процедура, а провести точные измерения при различных граничных условиях, таких как меняющаяся температура окружающей среды, не всегда возможно.

Полость между модулем и теплоотводом

Подобно Rth, величину полости также измеряют при различных условиях. Как упоминалось ранее, результаты этих измерений нельзя непосредственно связать со значением Rth. Но можно сказать наверняка, что если полость заметно не менялась, то не происходило и изменений теплового сопротивления.

Первый возникающий вопрос — насколько близко расположены модуль и теплоотвод по отношению друг к другу после сборки? Чтобы ответить на него, величина полости измерялась на испытательном стенде и строилась ее зависимость от момента затяжки. Эксперименты выполнялись с помощью нескольких измерительных устройств, которые позволяли определять расстояние между поверхностью теплоотвода и подложкой модуля с разрешением 1 мкм.

Фактически модуль оказывается прижатым к теплоотводу настолько плотно, насколько это возможно (т. е. достигается устойчивое положение, рис. 14), при крутящем моменте менее 0,5 Нм, что существенно ниже номинального момента затяжки 8,5 Нм. Это также показывает, что необходимое для хорошего теплового контакта усилие значительно меньше требуемой большой силы предварительной затяжки винтового соединения.

 Полость между модулем и теплоотводом как функция от крутящего момента по результатам измерений в восьми точках

Рис. 14. Полость между модулем и теплоотводом как функция от крутящего момента по результатам измерений в восьми точках (как только винт начинает затягиваться, модуль оказывается плотно прижатым к теплоотводу)

Следующий вопрос — что будет происходить при термоциклировании. Для получения ответа на него был проведен соответствующий эксперимент. Как показано слева на рис. 15, модуль Smart 1 был смонтирован в климатической камере на стеклянной пластине, повторяющей топологию керамической подложки. Благодаря такому решению можно было при термоциклировании следить за величиной полости в трех точках. В качестве начала отсчета была взята внешняя точка, которая отображала нулевой уровень на поверхности стекла — аналоге поверхности теплоотвода.

 а) Модуль, смонтированный в климатической камере; б) вид снизу

Рис. 15. а) Модуль, смонтированный в климатической камере; б) вид снизу (точки, в которых проводились измерения, помечены красным цветом)

Как показано на рис. 16, полость при термоциклировании от –40 до +125 °C не изменяется. Это значит, что модуль был прижат к теплоотводу максимально плотно, и теплопроизводительность меняться не будет.

 Значения полости в точках измерений при термоциклировании

Рис. 16. Значения полости в точках измерений при термоциклировании — существенных изменений нет

Заключение

Было выполнено большое количество испытаний по оценке механической надежности и характеристик модуля Smart 1.

Все они показывают, что концепция Smart представляет собой реальный подход, охватывающий все основные на сегодня направления по усовершенствованию силовых модулей: концепция надежного одноступенчатого монтажа без использования пайки вместе с надежной и универсальной контактной системой.

В дальнейшем семейство Smart наверняка будет пополнено более мощными приборами, обладающими теми же самыми достоинствами и той же надежностью.

Автор выражает благодарность Р. Бетхеру (R. Böttcher) за тщательное выполнение большого количества измерений.

Литература

  1. Buschkuehle M., Stolze T. SmartPIM and SmartPACK — self acting PressFIT assembly // Bodos Power. 2009.
  2. Stolze T., Thoben M., Koch M., Severin R. Reliability of PressFIT connections // PCIM. 2008.
  3. Kanschat P., Stolze T., Kreuzer D., Cordes R. The Thermal Heat Sink Interface of IGBT Modules w/o Base Plate — A Comprehensive Experimental and Simulation Study // PCIM. 2006.
  4. Schön A.E. Kontakttechnologie und Qualitätssicherung bei Kontaktbauteilen. Seminarunterlagen. Starnberg. 2005.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_06_106.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо