Brugervejledning til onsemi SiC E1B-moduler

Omfang

onsemi har været pionerer inden for introduktionen af ​​SiC JFET'er i en cascode-konfiguration med gate-drevkompatibilitet med Si MOSFET'er, IGBT'er og SiC MOSFET'er, baseret på 5 V tærskelvolumen.tage og bredt gate-driftsområde på ±25 V.

Disse enheder er i sagens natur meget hurtige at skifte med fremragende kropsdiodeegenskaber. Onsemi har kombineret fordelenetagEn eus SiC JFET-baseret strømforsyningsenhed med en industristandard strømmodulpakke, E1B, for yderligere at forbedre effekttæthed, effektivitet, omkostningseffektivitet og brugervenlighed til industrielle strømsystemer.

Denne applikationsnotat introducerer monteringsvejledning (printkort og køleplade) til onsemis nyeste E1B-strømmodulpakker (halvbro og fuldbro).

VIGTIG: Snubbere anbefales kraftigt til SiC E1B-moduler på grund af deres iboende hurtige koblingshastighed. Snubber reducerer også koblingstab ved slukning betydeligt, hvilket gør SiC E1B-moduler yderst attraktive i ZVS (nul vol.tag(e-tænding) soft-switching applikationer såsom faseforskudt fuldbro (PSFB), LLC osv.

Dette produkt anbefales til brug med loddestiftmontering og faseskiftende termiske grænsefladematerialer og anbefales ikke til implementeringer, der bruger prespasning og påføring af termisk fedt. Se monteringsvejledningen og brugervejledningen til dette produkt for detaljerede oplysninger.

Denne applikationsnotat indeholder også links til ressourcer, simuleringsmodeller, monteringsvejledninger, termiske egenskaber, pålidelighed og kvalifikationsdokumenter.

Ressource og reference

1. Teknisk oversigt over SiC E1B-modulerview
2. Monteringsvejledning til SiC E1B-moduler
3. SiC Cascode JFET & Modul brugervejledning
4. SiC E1B-moduler DPT EVB brugervejledning
5. onsemi SiC-modullink: SiC-moduler
6. EliteSiC strømsimulator
7. onsemi Central hub for SiC-strømløsninger
8. Oprindelsen af ​​SiC JFET'er og deres udvikling mod den perfekte switch

E1B-modulinformation

Den primære årsag til fejl i effekthalvledermoduler er forkert montering. Dårlig montering vil resultere i forhøjet eller for høj temperatur i forbindelsespunktet, hvilket vil begrænse modulets levetid betydeligt. Som følge heraf er korrekt modulinstallation afgørende for at opnå pålidelig varmeoverførsel fra SiC-enhedens forbindelse til kølekanalen.

E1B-modulerne er designet til at blive loddet fast på et printkort (PCB) og fastgjort til en køleplade med formonterede skruer og skiver, som vist i Figur 1 og Figur 2Mere omfattende information om dimensioner og tolerancer for design af hardware til disse systemer kan findes i modulets datablade.

Figur 1. Placering af modulmonteringsskrue (øverst View)

AND90340/D

Figur 2. Modulmontering med printkort og køleplade (eksploderet samling) View)

Anbefalet monteringsrækkefølge

onsemi anbefaler følgende monteringsrækkefølge for bedre termisk ydeevne og levetid for SiC E1B-modulet:

1. Lod modulbenet fast til printkortet (PCB)
2. Monter printkortet på modulet
3. Monter modulet på kølepladen

Med en præmonteret skrue (kombiner skrue, skive og låseskive) fastgøres modulet på kølepladen med et begrænsende moment. Det skal bemærkes, at kølepladens størrelse og overflade skal tages i betragtning under hele loddeprocessen, da korrekt varmeoverførsel mellem modulets bagside og kølepladegrænsefladen er afgørende for den samlede ydeevne af en pakke i et system (se figur 2).

1. Lod modulbenet til printkortet
   De loddeben, der bruges på E1B-modulet, er blevet testet og kvalificeret af onsemi til standard FR4-printkort.
   Hvis printkortet kræver en reflow-lodningsproces til andre komponenter, anbefales det at reflowe printkortet før montering af modulet for at undgå udsættelse for høje temperaturer.

En typisk bølgelodningsprofessionelfile er vist i figur 4 og tabel 1.
Hvis andre håndteringsteknikker anvendes i fremstillingen af ​​printkort, kræves yderligere testning, inspektion og certificering.

PCB-krav
FR4 printkort med en maksimal tykkelse på 2 mm.
Se IEC 61249−2−7:2002 for at kontrollere, om printpladematerialet opfylder standardkravene.
Brugeren skal bestemme de optimale ledende lag til korrekt design af PCB-staklag, men det skal sikres, at flerlags-PCB'er følger IEC 60249-2-11 eller IEC 60249-2-1
Hvis kunden overvejer dobbeltsidede printkort, henvises til IEC 60249-2-4 eller IEC 60249-2-5.

Krav til loddestift
Nøglefaktorer for at opnå loddeforbindelser med høj pålidelighed er printkortets design.
Diametrene for de gennemgående huller på printkortet skal fremstilles i henhold til loddestiftens dimensioner. (se figur 3).

OG90340
Hvis printpladehullernes design ikke er korrekt, kan der opstå potentielle problemer.
Hvis den endelige huldiameter er for lille, er det muligt, at den ikke indsættes korrekt, hvilket vil få benene til at knække og beskadige printkortet.
Hvis den endelige huldiameter er for stor, resulterer det muligvis ikke i god mekanisk og elektrisk ydeevne efter lodning. Loddekvaliteten bør henvise til IPC-A-610.
De anbefalede parametre for bølgelodningsprocestemperatur profileer baseret på IPC-7530, IPC-9502, IEC 61760-1:2006.

Figur 3. Modulmontering på printkort før montering på køleplade

Figur 4. Typisk bølgelodningsprofffile (Reference EN EN 61760-1:2006)

Tabel 1. TYPISK BØLGELODDNINGSPROFESSIONELFILE (Reference EN EN 61760-1:2006)

Profile Feature		Standard SnPb-loddetindhold	Blyfri (Pb) loddetin
Forvarm	Min. temperatur (Tsmin)	100 °C	100 °C
	Temperatur typisk (Tstyp)	120 °C	120 °C
	Maks. temperatur (Tsmax)	130 °C	130 °C
	Maks. temperatur (Tsmax)	70 sekunder	70 sekunder
Δ Forvarm til maks. temperatur		150 °C maks.	150 °C maks.
D Forvarm til maks. temperatur		235 °C − 260 °C	250 °C − 260 °C
Tid ved maksimal temperatur (tp)		10 sekunder maks. 5 sekunder maks. pr. bølge	10 sekunder maks. 5 sekunder maks. pr. bølge
Ramp-ned rate		~ 2 K/s min ~ 3.5 K/s typisk ~ 5 K/s maks	~ 2 K/s min ~ 3.5 K/s typisk ~ 5 K/s maks
Tid 25 °C til 25 °C		4 minutter	4 minutter

Montering af printkort på modul

Når printkortet loddes direkte oven på modulet, er der mekaniske belastninger, især på loddeforbindelsen. For at reducere disse belastninger kan en ekstra skrue anvendes til at fastgøre printkortet i modulets fire afstandsstykker. se figur 5.
Modulerne er kompatible med selvskærende skruer (M2.5 x L (mm)), afhængigt af printpladens tykkelse.

Gevindets længde, der går ind i afstandshullet, skal være mindst Lmin 4 mm og højst Lmaks 8 mm. Det anbefales at bruge en elektronisk styret skruetrækker eller elektrisk skruetrækker for at sikre bedre nøjagtighed.


Figur 5. PCB-montering på E1B-modul: (a) E1B PCB-monteringshul med afstandsstykke, og (b) Maksimal gevindindgrebsdybde

Krav til montering af printkort
Afstandshullernes dybde på 1.5 mm fungerer kun som en skrueføringsguide og bør ikke påføre nogen kraft.

Nøglefaktoren er mængden af ​​tilladt moment til forspænding og tilspænding:

• Forspænding = 0.2 ~ 0.3 Nm
• Tilspænding = 0.5 Nm Maks.

Figur 6. PCB-montering på E1B-modul: Lodret justering af selvskærende skrue (a) justeret, og (b) forkert justeret.

Monteringsmodul til køleplade

Krav til køleplade
Kølepladens overfladetilstand er en afgørende faktor for hele varmeoverføringssystemet og skal være i fuld kontakt med kølepladen. Modulets substratoverflade og kølepladens overflade skal være ensartede, rene og fri for kontaminering før montering. Dette er for at forhindre hulrum, minimere den termiske impedans og maksimere den mængde effekt, der kan afgives i modulet, og opnå den ønskede termiske modstand baseret på databladet. Kølepladens overfladeegenskaber er nødvendige for at opnå en god varmeledningsevne i henhold til DIN 4768-1.

• Ruhed (Rz): ≤10 m
• Kølepladens fladhed baseret på en længde på 100 mm: ≤50 m

Termisk grænseflademateriale (TIM)
Det termiske grænseflademateriale, der anvendes mellem modulhuset og kølepladen, er nøglen til at opnå pålidelig og høj termisk ydeevne. Termisk fedt eller termisk pasta anbefales ikke til et modul uden bundplade som E1B.
Uden en tyk kobberbundplade, der fungerer som varmefordeler, forværrer den termiske fedtudpumpningseffekt (ved termisk udvidelse og sammentrækning af TIM-laget mellem modulhuset og kølepladen under strømskift eller temperaturskift) dannelsen af ​​hulrum i TIM-laget og har en betydelig negativ indvirkning på modulets levetid under strømskift.

I stedet, TIM med faseændringsmateriale anbefales kraftigt til E1B-moduler. Figur 7 viser resultaterne af effektcyklusser for 1200 V 100 A halvbromodulet (UHB100SC12E1BC3N) ved hjælp af to forskellige metoder, termisk fedt vs. faseændringsmateriale. Den vandrette akse viser antallet af cyklusser. Den lodrette akse viser enhedens VDS under Tj_rise ved 100 °C. Den røde kurve viser effektcyklusser med termisk fedt. Den blå kurve viser effektcyklusser med faseændringsmateriale. Den røde kurve kan kun gå op til 12,000 cyklusser, før der opstår termisk løb på grund af forringelse af termisk modstand fra termisk fedtudpumpningseffekt. For det samme E1B-modul forbedrer brugen af ​​faseændringsmateriale til kølepladen effektcyklusserne betydeligt ud over 58,000 cyklusser.

Figur 8 viser testbetingelser og opsætning af strømcykling. Figur 7. E1B-modulets ydeevne for strømcykling. med forskellig TIM for køleplade: Termisk fedt vs. faseændringsmateriale

Figur 8. E1B-modul strømcyklustest (a) opsætning og (b) testbetingelser

Opsætning	Beskrivelse
DUT	UHB100SC12E1BC3N
Opvarmningsmetode	Konstant jævnstrøm
Tj rise	100 °C
Vandkølende kølepladetemperatur	20 °C
Opvarmningstid pr. cyklus	5 s
Kølingstid pr. cyklus	26 s
TIM (faseændring)	Laird TPCM 7200

Typisk bør faseændringsmaterialet efter mekanisk montering bages i ovnen for at give TIM mulighed for at ændre sin fase for yderligere at fylde mikroskopiske hulrum mellem modulhuset og kølepladen og reducere den termiske modstand fra modulhuset til kølepladen. I ovenstående eksempelampSom vist i figur 7 og figur 8 reduceres den termiske modstand fra enhedens samling til vand fra 0.52 °C/W til 0.42 °C/W efter 1 times bagning ved 65 °C. Kontakt venligst TIM-leverandøren for detaljerede instruktioner.

NOTE: Enhver anden type faseændringsmateriale bør evalueres og testes yderligere af kunden ved at følge instruktioner fra en TIM-leverandør (faseændringsmateriale) for at sikre optimal ydeevne.

Monteringsmodul til køleplade
Monteringsproceduren er også en vigtig faktor for at garantere effektiv kontakt mellem modul og køleplade med faseskiftmateriale derimellem. Bemærk, at køleplade og modul ikke må røre hinanden på tværs af hele området for at undgå en lokal adskillelse mellem de to komponenter. Tabel 2 opsummerer monteringsretningslinjerne for fastgørelse af køleplade.

Tabel 2. ANBEFALINGER TIL MONTERING AF onsemi SiC E1B-MODUL KØLEPLANG

Montering af køleplade	Beskrivelse
Skruestørrelse	M4
Skrue type	DIN 7984 (ISO 14580) flad indvendig indvendig gevind
Skruedybde i køleplade	> 6 mm
Fjeder låseskive	DIN 128
Flad vasker	DIN 433 (ISO 7092)
Monteringsmoment	0.8 Nm til 1.2 Nm
TIM	Skift venligst materiale, såsom Laird Tpcm

Andre monteringsovervejelser

Det samlede system for det monterede modul bør tages i betragtning. Hvis modulet er korrekt fastgjort til kølepladen og printkortet, vil produktets samlede ydeevne blive opnået.
Der skal også træffes passende foranstaltninger for at minimere vibrationer, da printkortet kun er loddet til modulet.
Svage loddede terminaler skal undgås. Individuelle ben kan kun belastes vinkelret på kølepladen med maksimalt tryk, spænding og tilstrækkelig afstand mellem printpladen og kølepladen skal vurderes ud fra kundens applikation.

For at minimere den mekaniske belastning på printkortet og modulet, især når printkortet har tunge komponenter, anbefales det at bruge afstandsstolpe, se figur 9.

Figur 9. Montering af E1B-modulets printkort og køleplade med afstandsstolpe

Den anbefalede dimension (X) mellem afstandsstolpen og kanten af ​​printpladens monteringshul er ≤ 50 mm.
Hvis flere moduler er monteret på det samme printkort, kan højdevariationen mellem modulerne resultere i mekaniske belastninger på loddeforbindelsen. For at minimere belastningen er den anbefalede højde (H) på afstandsstolperne 12.10 (±0.10) mm.

Krav til frihøjde og krybeafstand

Den mekaniske afstand mellem modulet og printkortet skal overholde den frihøjde og krybeafstand, der kræves i henhold til IEC 60664-1 Revision 3. Figur 10 viser illustrationen.
Minimumsafstanden er afstanden mellem skruehovedet og printpladens bundflade, der skal være tilstrækkelig afstand til at forhindre elektrisk ledningsevne i dette område.
Alternativt kan det være nødvendigt at implementere yderligere isoleringsforanstaltninger, såsom printkortslot, belægning eller speciel indstøbning, for at opfylde passende standarder for frihøjde og krybeafstand.

Figur 10. Afstand mellem skrue og printkort

Skruetypen bestemmer den minimale frigang mellem den og printkortet. Med en panhovedskrue i overensstemmelse med ISO7045, en låseskive i overensstemmelse med DIN 127B og en flad skive DIN 125A, og clamp som vist i figur 10, vil afstanden være 4.25 mm. Typisk frigang og krybeafstand findes i databladet. Yderligere oplysninger om modulfrigang eller krybeafstand kan fås ved at kontakte applikationssupport eller salg og marketing.

Alle mærkenavne og produktnavne i dette dokument er registrerede varemærker eller varemærker tilhørende deres respektive indehavere.

onsemi, , og andre navne, mærker og mærker er registrerede og/eller almindelige varemærker tilhørende Semiconductor Components Industries, LLC dba "onsemi" eller dets tilknyttede selskaber og/eller datterselskaber i USA og/eller andre lande. onsemi ejer rettighederne til en række patenter, varemærker, ophavsrettigheder, forretningshemmeligheder og anden intellektuel ejendomsret.
En liste over onsemi's produkt-/patentdækning kan tilgås på www.onsemi.com/site/pdf/Patent−Marking.pdf. onsemi forbeholder sig retten til til enhver tid at foretage ændringer af produkter eller information heri uden varsel. Oplysningerne heri leveres "som de er" og onsemi giver ingen garanti, repræsentation eller garanti vedrørende nøjagtigheden af ​​oplysningerne, produktfunktioner, tilgængelighed, funktionalitet eller egnethed af dets produkter til noget bestemt formål, og onsemi påtager sig ethvert ansvar, der opstår som følge af anvendelsen eller brugen af ​​ethvert produkt eller kredsløb, og fraskriver sig specifikt ethvert ansvar, herunder uden begrænsning særlige, følgeskader eller tilfældige skader. Køber er ansvarlig for sine produkter og applikationer ved hjælp af onsemi produkter, herunder overholdelse af alle love, regulativer og sikkerhedskrav eller standarder, uanset support eller applikationsoplysninger leveret af onsemi. "Typiske" parametre, som kan angives i onsemi datablade og/eller specifikationer kan og varierer i forskellige applikationer, og den faktiske ydeevne kan variere over tid. Alle driftsparametre, inklusive "Typicals", skal valideres for hver kundeapplikation af kundens tekniske eksperter. onsemi videregiver ikke nogen licens under nogen af ​​sine intellektuelle ejendomsrettigheder eller andres rettigheder. onsemi produkter er ikke designet, beregnet eller godkendt til brug som en kritisk komponent i livsunderstøttende systemer eller noget FDA klasse 3 medicinsk udstyr eller medicinsk udstyr med samme eller lignende klassificering i en fremmed jurisdiktion eller noget udstyr beregnet til implantation i den menneskelige krop. Skal køber købe eller bruge onsemi produkter for enhver sådan utilsigtet eller uautoriseret anvendelse, skal Køber holde og holde skadesløs onsemi og dets embedsmænd, ansatte, datterselskaber, tilknyttede selskaber og distributører harmløse mod alle krav, omkostninger, skader og udgifter og rimelige advokatsalærer, der opstår som følge af, direkte eller indirekte, ethvert krav om personskade eller død i forbindelse med sådan utilsigtet eller uautoriseret brug , selv om en sådan påstand hævder det onsemi var uagtsom med hensyn til design eller fremstilling af delen. onsemi er en ligestillings-/affirmative action-arbejdsgiver. Denne litteratur er underlagt alle gældende love om ophavsret og er ikke til videresalg på nogen måde.

YDERLIGERE OPLYSNINGER

TEKNISKE PUBLIKATIONER:
Teknisk bibliotek: www.onsemi.com/design/resources/technical−documentation
onsemi Webwebsted: www.onsemi.com
ONLINE SUPPORT: www.onsemi.com/support
For yderligere information, kontakt venligst din lokale salgsrepræsentant på www.onsemi.com/support/sales

Dokumenter/ressourcer

onsemi SiC E1B-moduler [pdfBrugervejledning AND90340-D, SiC E1B-moduler, SiC E1B, Moduler

Referencer

• Brugermanual