Сверхкомпактные модули SEMITOP: инструкция по применению

Общие положения

Разработка нового конструктива SEMITOP Е1/2 позволила SEMIKRON расширить диапазон мощностей для данного семейства до 40 кВт. Модули SEMITOP широко применяются в продукции, выпускаемой компаниями ABB, Segway, LG Electronics, ALCATEL, Schindler, Schneider и многими другими. По данным исследований рынка силовых полупроводниковых компонентов «The worldwide market for Power Semiconductors, 2002», проведенных британским исследовательским институтом IMS (British Market Research Institute), доля рынка SEMIKRON в области миниатюрных приводных модулей CIB составляет 30% в мире и более 46% — в Европе.

Важной особенностью компонентов SEMITOP является необычайно высокое количество конфигураций схем, перекрывающих практически все потребности разработчиков. Многие производители электронной аппаратуры справедливо считают, что на этапе разработки использование дискретных компонентов более оправданно. Однако снижение издержек при серийном производстве, упрощение процесса изготовления и более высокие показатели надежности, несомненно, стоят того, чтобы в конечном итоге отдать предпочтение интегральным изолированным модулям.

Рис. 1. Конструктивы SEMITOP Е1 и Е2

В последние годы семейство SEMITOP пополнилось компонентами на основе карбида кремния, типы модулей и их аналоги показаны в таблице 1.

Особенности монтажа модулей SEMITOP

На рис. 2 показаны возможные варианты соединения модулей SEMITOP E1/E2 с выводами под пайку или прессовую посадку с печатной платой (PCB) и радиатором. В качестве первого этапа рекомендуется смонтировать модуль на PCB, далее следуют технологические операции, соответствующие опции 1 и опции 2 (компоненты с предварительно нанесенной термопастой/TIM).

Рис. 2. Процесс сборки модулей SEMITOP

Монтаж модулей SEMITOP E1/E2 с выводами под пайку

Материал РСВ должен соответствовать требованиям стандарта IEC 61249-2-7, максимальное количество проводящих слоев не ограничено. Минимальное расстояние между краем PCB и центрами отверстий, а также между центрами отверстий и компонентами должно составлять 5 мм.

После установки модуля на плату необходимо припаять все контакты, следуя регламенту IPC-2221A. Диаметры сквозных отверстий на РСВ рассчитываются в соответствии с размерами выводов: (0,64 ±0,07) мм. При составлении спецификаций печатных плат необходимо соблюдать регламенты IPC-A-610 и IPC-A-600. Проектирование печатных плат нужно производить в соответствии с правилами, изложенными в документах IPC-2221, IPC-2222, IPC-2223, IPC-2226 и IPC-7351.

При монтаже модуля методом пайки расстояние между модулем и печатной платой определяется высотой модуля. Это означает, что для минимизации механических напряжений, которые могут возникнуть на выводах, рекомендуется размещать монтажные втулки как можно дальше от внешних краев модуля (D_S-M ≥ 50 мм, рис. 8): как правило, чем длиннее печатная плата, тем дальше находится втулка. Их количество и размещение зависит от конструкции, положения и веса внешних компонентов, таких как конденсаторы, катушки индуктивности и другие, а также от фактического механического напряжения в системе.

Модули SEMITOP E1/E2 могут устанавливаться на PCB с помощью ручной пайки, пайки волной или селективным методом. Независимо от выбранной технологии следует тщательно оценивать качество паяных соединений, которые должны обеспечивать оптимальный электрический и тепловой контакт модуля с печатной платой. В качестве основной рекомендации, относящейся к любым PCB с гальванизированными сквозными отверстиями (PTH), — вывод должен иметь вертикальную заливку припоем не менее 75% по высоте, полностью сформированный мениск из припоя и очевидное минимальное 75%-ное смачивание открытого вывода, гильзы и контактной площадки.

Ручная пайка

При использовании ручной пайки рекомендуется соблюдать абсолютные максимальные параметры, приведенные в таблице 3.

Как указано в таблице 3, температура соединения не должна превышать +260 °C при максимальном времени пайки 10 с, особенно когда необходимо припаять несколько выводов к широким печатным дорожкам или толстым (> 100 мкм) медным плоскостям (IEC-EN 60068-2-20). Кроме того, паяльная станция должна иметь достаточную мощность, выбираемую с учетом толщины медных трасс РСВ и топологии контактных площадок. Чтобы упростить пайку, особенно при наличии больших медных трасс или медных плоскостей, рекомендуется использовать контактные площадки со специальным тепловым профилем (рис. 3б).

Рис. 3. Сквозное монтажное отверстие (РТН): стандартное и с тепловым профилем

Пайка волной

Основные требования к пайке волной изложены в стандарте IEC 60068-2-20, рекомендуемый профиль показан на рис. 4, а температурные и временные ограничения перечислены в таблице 4.

Рис. 4. Профиль пайки волной

Примечание. *Высокие значения DT/Dt могут привести к повреждению керамической подложки, поэтому максимальный градиент температуры должен быть определен экспериментально и проверен путем тестирования изоляции.

Установка модуля на PCB

При монтаже SEMITOP E1/E2 с выводами под пайку модуль может предварительно фиксироваться на печатной плате с помощью пружинного зажима или при необходимости крепиться четырьмя винтами. В первом случае конструкция сборочных пружин/зажимов должна обеспечивать стабильное положение модуля на РСВ в процессе пайки волной. При установке модулей с предварительно нанесенной термопастой настоятельно рекомендуется защищать слой TIM в ходе монтажа. Для этой цели SEMIKRON предоставляет специальные пластиковые колпачки.

В процессе сборки заказчик может использовать внешние винты для фиксации модуля на печатной плате перед пайкой. Это делается с помощью четырех М2,5×8(10), устанавливаемых в отверстия, предусмотренные в верхней части корпуса (рис. 5). При этом настоятельно рекомендуется использовать электронную отвертку с регулировкой крутящего момента/угла и частотой вращения ≤ 250 об/мин.

Рис. 5. Фиксация модуля на печатной плате

Из-за отсутствия точного контроля остановки и, следовательно, возможного повреждения упоров ручная отвертка не рекомендуется. По той же причине нельзя использовать пневматические отвертки. Кроме того, упоры предназначены только для позиционирования самонарезающихся винтов и не могут гарантировать механической точности в боковом направлении. Рекомендуемые диаметры отверстий в РСВ показаны на рис. 7б.

Монтаж модулей SEMITOP E1/E2 с выводами под прессовую посадку

Разработку печатной платы нужно проводить в соответствии с требованиями стандарта 60352-5, материал РСВ должен отвечать требованиям IEC 61249-2-7. При составлении спецификаций печатных плат следует соблюдать регламенты IPC-A-610 и IPC-A-600. Кроме того, при проектировании печатных плат необходимо учитывать правила, изложенные в документах
IPC-2221, IPC-2222, IPC-2223, IPC-2226 и IPC-А-7351. Отметим, что press-fit-выводы можно паять, при этом следует использовать спецификацию контактной площадки, показанную на рис. 6.

Рис. 6. Спецификация РТН для прессовой посадки для монтажа методом пайки

Особое внимание следует уделять компонентам, находящимся близко к выводам модуля, таким как резисторы, конденсаторы или диоды. Расстояние между ними и центрами РТН должно быть не менее 4 мм; это гарантирует достаточное пространство для применения прижимного приспособления. Чтобы обеспечить крепление сборки «модуль + РСВ» к радиатору и возможность последующего демонтажа, на печатной плате должны быть предусмотрены соответствующие отверстия для винтов.

Размер отверстий определяется наибольшим из диаметров (рис. 7а), он может быть отрегулирован выбором головки отвертки, головки винта или шайбы. Рекомендуемые диаметры отверстий плат показаны на рис. 7б. В случае если модуль должен быть запрессован на РСВ, его крепление на плате не допускается.

Рис. 7. Спецификация отверстий в РСВ для винтовых соединений

При использовании метода прессовой посадки для установки модуля на печатную плату необходимо свести к минимуму любые вибрационные нагрузки. Следует исключить возможные перемещения выводов и корпуса, поэтому РСВ нужно дополнительно закрепить на радиаторе с помощью втулок или крышек (рис. 8а). Их количество и расположение зависят от конструкции системы, положения и веса внешних компонентов, таких как конденсаторы, катушки индуктивности и другие, а также от уровня механических нагрузок.

Рис. 8. Позиционирование монтажных втулок:
а) один модуль;
б) несколько модулей

Если на печатной плате установлено несколько модулей (рис. 8б), то для обеспечения максимальной компактности системы расстояние между ними (d_M-M) может быть меньше удвоенной дистанции между модулем и втулками (d_M-M< 2d_S-M).

Оборудование для прессовой посадки

Для соблюдения необходимых характеристик прессовой посадки рекомендуется использовать оборудование, позволяющее контролировать соответствующие параметры процесса, такие как усилие и дистанция. В таблице 6 представлен обзор доступных прессов и их основные характеристики.

Как видно из таблицы 6, наилучшими характеристиками обладают сервоэлектрические прессы, которые рекомендуются для сопряжения печатных плат и модулей с выводами press-fit. Компания SEMIKRON провела соответствующие испытания с использованием подобного приспособления фирмы KISTLER (рис. 9), 3D-чертежи (STEP) предоставляются по запросу.

Рис. 9. Приспособление для прессовой посадки модулей SEMITOP

Рекомендации:

• Ответная часть штампа должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить свободное пространство для компонентов, установленных на поверхности печатной платы. Следовательно, форма и размер доступного пространства для выводов и компонентов зависят от их размера и расположения на PCB. Топология выводов приведена в технической спецификации модулей SEMITOP E1/E2 [1].
• Анкерные стойки необходимы для поддержания плоскостности печатной платы в процессе запрессовки. Поэтому, чтобы предотвратить изгиб печатной платы, они должны иметь такую же высоту, как и ответная часть штампа, которая крепится к основанию.
• Нижняя часть штампа (или прессовой маски), соприкасающаяся с модулем, должна быть чистой и свободной от любых загрязнений, которые могут повредить модуль.

Прессовая посадка выполняется в такой последовательности:

1. Печатная плата устанавливается на ответной части штампа с помощью анкерных стоек и направляющих стоек.
2. Модуль размещается на печатной плате и выравнивается с помощью направляющих стоек.
3. Модуль запрессовывается на PCB. Штамп должен быть параллелен основанию, а втулка для обеспечения зазора выровнена с анкерной стойкой.

Для модулей с предварительно нанесенной термопастой (TIM) следует использовать прессовую маску с сотовой структурой, исключающую повреждение слоя TIM (рис. 10).

Рис. 10.
а) Прессовая маска с сотовой структурой отверстий;
б) зона прессовой посадки

SEMIKRON не предоставляет заказчикам соответствующее приспособление, но необходимый для его изготовления шаблон можно получить, обратившись в центр технической поддержки. Структура маски разрабатывается в соответствии с задачей, 2D/3D-чертежи предоставляются по запросу.

Базовые требования и технические спецификации

Для обеспечения надежного прессового контакта центр головки прижимного штифта должен находиться как минимум на 0,5 мм ниже поверхности и как минимум на 0,5 мм выше нижней стороны PCB (рис. 10б).

Примечания. *Максимально допустимое усилие. При превышении этого значения процесс прессовой посадки идет некорректно.

**В соответствии с IEC 60352-2.

Типовой профиль зависимости усилия от расстояния для процесса прессовой посадки показан на рис. 11. Существует три основных этапа, описывающих базовый технологический процесс (распространяется только на первый цикл запрессовки):

1. Черная кривая: прессовый вывод деформируется отверстием в РСВ и начинает проникать в плату. Максимальная деформация контакта происходит на пике кривой.
2. Синяя кривая: контакт проникает в отверстие до своего конечного положения.
3. Красная кривая: анкерные стойки касаются печатной платы и начинают ее деформировать. Запрессовка вывода успешно завершена, процесс необходимо остановить, чтобы предотвратить повреждение РСВ.

Рис. 11. Типовой профиль прессовой посадки для 32-выводного модуля

На одной печатной плате может быть установлено несколько SEMITOP, в этом случае рекомендуется прижимать все модули одновременно. Приспособление должно быть сконструировано таким образом, чтобы соответствовать минимальным требованиям, предъявляемым к варианту с одним модулем, и обеспечивать правильное выравнивание компонентов и РСВ, исключающее возникновение механических напряжений.

Процесс прессовой посадки

В этом разделе дается подробное описание процесса прессовой посадки, применимого для монтажа одного или нескольких модулей SEMITOP E1 и SEMITOP E2. Все общие технические соображения, приведенные выше, остаются неизменными.

Рис. 12-1. Процесс прессовой посадки

Рис. 12-2. Процесс прессовой посадки

Рис. 12-3. Процесс прессовой посадки

Как правило, запрессовка нескольких модулей (например, в трехфазном трехуровневом NPC-инверторе) выполняется одновременно с использованием больших приспособлений, что сокращает время и стоимость монтажа. В некоторых случаях монтаж производится последовательно. При этом рекомендуется проверять степень деформации и целостность печатной платы на каждом технологическом этапе, чтобы исключить возможные проблемы при сборке системы (рис. 13б).

Рис. 13. Прессовая посадка нескольких модулей:
а) одновременно;
б) последовательно

Рис. 14. Конструкция приспособления для демонтажа

Верхняя часть приспособления создает давление на выводы модуля при запрессовке. Нижняя часть является его основой, она также предотвращает деформирование печатной платы в случае ее повторного использования. Конструкция верхней части приспособления для демонтажа должна учитывать положение SMD-компонентов, чтобы исключить их повреждение. Нижняя часть должна быть спроектирована таким образом, чтобы металлические стенки располагались как можно ближе к выводам. Последовательность процесса демонтажа показана на рис. 15.

Рис. 15. Процесс демонтажа

Минимальная нагрузка (на вывод) при демонтаже — 30 Н, номинальная скорость процесса — 50 мм/мин. Типовой профиль зависимости усилия от расстояния при демонтаже приведен на рис. 16. На кривой отмечен пик, соответствующий разрыву холодной сварки между выводом и печатной платой.

Рис. 16. Типовой профиль демонтажа для 21-выводного модуля

Конструкция выводов SEMITOP E1/E2 предусматривает только один цикл прессовой посадки. При необходимости демонтажа системы «модуль + РСВ» возможны следующие варианты:

• Модуль можно использовать повторно, но при этом он должен соединяться с печатной платой только методом пайки. Из-за деформации выводов при первоначальной прессовой посадке повторение этого процесса приведет к ослаблению удерживающего усилия между контактами и отверстиями в РСВ.
• Допустимо повторное использование печатной платы, при этом количество циклов сборки/разборки зависит от технологии покрытия сквозных отверстий:
  • Sn > 0,5 мкм: PCB можно использовать еще два раза;
  • HAL (лужение Sn) > 0,5 мкм: PCB можно использовать еще два раза;
  • Au 0,05-0,2 мкм + Ni 2,5–5мкм: повторное применение РСВ недопустимо.

Монтаж модулей SEMITOP на радиатор

Важным технологическим этапом сборки является установка компонентов на радиатор. Модули SEMITOP E1/E2 являются «безбазовыми», в их основании находится омедненная изолирующая DСB-подложка. Из-за особенностей производственного процесса подложка SEMITOP может иметь косметические дефекты, такие как царапины и вмятины, отверстия для травления, следы обесцвечивания и окисления меди, не влияющие на тепловые характеристики конструктива. Допустимые размеры таких повреждений указаны в инструкции по монтажу.

Корпус SEMITOP E1/E2 не рассчитан на высокие механические нагрузки. Когда выводы модуля соприкасаются с горизонтальной плоскостью, механическая нагрузка на корпус (красные стрелки на рис. 17) создает выталкивающую силу, действующую на DCB-подложку. Такое же усилие может прикладываться, если на радиатор установлен модуль с нанесенным слоем термопасты (TIM) и оператор пытается его поднять за корпус.

Рис. 17. Механическое выталкивающее усилие на DCB-подложке

Уплотнительный материал между пластиковым корпусом и подложкой DCB не выполняет функции клея, а только исключает возможность утечки геля при его заливке в процессе производства. Таким образом, удерживающая сила на границе раздела между корпусом и подложкой не является гарантией целостности силового модуля, поэтому выталкивающее усилие, действующее на DCB, следует исключить. Типовые технологические процессы монтажа/демонтажа не создают выталкивающего усилия, поскольку нагрузка при прессовой посадке прикладывается к DCB-выводам, а не к корпусу.

Для достижения максимальной эффективности охлаждения нижнюю сторону модуля нужно очистить от пыли и грязи, а монтажная поверхность радиатора должна соответствовать требованиям, изложенным в инструкции по монтажу (рис. 18):

• Плоскостность монтажной поверхности радиатора: ≤ 50 мкм на 100 мм (DIN EN ISO 1101).
• Шероховатость RZ: ≤ 6,3 мкм (DIN EN ISO 4287).
• Отсутствие «ступенек» и заусенцев от машинной обработки.

Рис. 18.
а) Требования к качеству обработки радиатора;
б) приспособление для контроля толщины слоя Zehnther ZWW2102

Перед монтажом поверхность радиатора следует обезжирить (например, растворителем по DIN 53364 с поверхностным натяжением ≥ 32 Н/м) и очистить от других загрязнений. Воздушные полости в области соединения модуля и радиатора должны быть заполнены теплопроводящим материалом (TIM). При этом очень важным является сохранение прямого контакта «подложка-радиатор» везде, где это возможно. Стандартным материалом TIM, используемым для проведения квалификационных тестов, является Wacker-Chemie P12 (WP12).

Для нанесения TIM рекомендуется использовать жесткий резиновый валик или трафаретную печать, обеспечивающую наиболее равномерное распределение TIM. Толщина слоя должна находиться в диапазоне 30–50 мкм для модулей SEMITOP E1 и 40–60 мкм для модулей SEMITOP E2. Для контроля толщины слоя рекомендуется приспособление Zehnther ZWW2102 (рис. 18б).

Для упрощения процесса сборки SEMIKRON предлагает поставку модулей SEMITOP с предварительно нанесенным материалом TIM. Это позволяет заказчику исключить критически важный и сложный технологический этап, повысить эффективность охлаждения и воспроизводимость тепловых характеристик. Теперь SEMITOP E1 и SEMITOP E2 (рис. 19) можно заказать с новой высокоэффективной термопастой HPTP, обеспечивающей существенное снижение величины теплового сопротивления R_th(c-s).

Рис. 19. Модули SEMITOP E1 и SEMITOP E2 с предварительно нанесенной термопастой

После соединения модуля с печатной платой (пайка или прессовая посадка) сборка «SEMITOP + РСВ» устанавливается на очищенную поверхность радиатора. Сначала выполняется предварительная затяжка винтов, затем они затягиваются с номинальным моментом, как показано на рис. 20. Рекомендованные крепежные элементы и моменты указаны в таблице 8.

Рис. 20. Монтаж сборки «модуль+PCB» на радиатор

SEMIKRON рекомендует:

• Динамометрический ключ с автоматическим контролем. Следует использовать электрическую отвертку вместо пневматического инструмента. Ее параметры лучше регулируются, более плавно достигается конечный крутящий момент. Рекомендуется ограничить скорость вращения инструмента для равномерного распределения термопасты. При затягивании с высокой скоростью на керамике могут образоваться трещины из-за низкой текучести пасты. Максимальная скорость вращения не должна превышать 250 об/мин.
• Рекомендованные типы винтов и шайб показаны в таблице 8. Для разных крепежных элементов могут применяться разные условия монтажа. SEMIKRON рекомендует тщательно проверить режимы монтажа с помощью экспериментов, чтобы обеспечить высокое качество процесса сборки.
• Винты следует затягивать только один раз. После монтажа не нужно затягивать их повторно до номинального значения монтажного момента. Из-за релаксации корпуса и распределения термопасты ослабляющий момент оказывается меньше, чем монтажный. Однако конструкция корпуса, шайб и адгезия термопасты по-прежнему обеспечивают достаточный тепловой контакт модуля и радиатора.
• Не превышать рекомендованное значение момента, так как его дальнейшее увеличение не улучшит тепловой контакт, но может привести к повреждению модуля.

После установки сборки «модуль + РСВ» на радиатор печатную плату следует дополнительно закрепить на теплостоке с помощью проставок. Чтобы свести к минимуму механическую нагрузку на выводы, они должны располагаться в определенном положении и иметь соответствующие размеры.

Высота проставок (S_H) не должна превышать расстояния между модулем и печатной платой (D_M-РСВ). При этом к силовым модулям не будет прикладываться подтягивающее усилие (рис. 21в) независимо от высоты модуля (M_H). Несмотря на то что допускается небольшое прижимное усилие (рис. 21б), оптимальный результат показан на рис. 21a, где механическая нагрузка на выводы отсутствует. Поэтому рекомендуемая высота проставок составляет S_H = D_H = (12,4 ±0,05) мм. Следует обратить внимание, что оставшийся воздушный зазор между модулем и РСВ не позволяет закрепить его на печатной плате винтами.

Рис. 21.
а–в) Высота проставок для прессовой посадки;
г) высота проставок для пайки

При использовании пайки воздушный зазор между печатной платой и модулем отсутствует, поэтому расстояние D_M-PCB определяется высотой модуля M_H. В этом случае рекомендуемая высота проставок S_H = (11,70 ±0,05) мм.