Användarhandbok för onsemi SiC E1B-moduler

Användarhandbok för onsemi SiC E1B-moduler

Omfattning

onsemi har varit pionjärer i introduktionen av SiC JFET:er i en kaskkodkonfiguration med gate drive-kompatibilitet med Si MOSFET:er, IGBT:er och SiC MOSFET:er, baserat på 5 V tröskelspänning.tage och brett gate-driftsområde på ±25 V.

Dessa enheter är i sig mycket snabba att växla, med utmärkta egenskaper hos kroppsdioder. Onsemi har kombinerat fördelarnatagEn JFET-baserad kraftenhet baserad på eos SiC med ett branschstandardiserat kraftmodulpaket, E1B, för att ytterligare förbättra effekttäthet, effektivitet, kostnadseffektivitet och användarvänlighet för industriella kraftsystem.

Denna applikationsnot introducerar monteringsriktlinjer (kretskort och kylfläns) för onsemis senaste E1B-kraftmodulpaket (halvbrygga och helbrygga).

VIKTIG: Snubbers rekommenderas starkt för SiC E1B-moduler på grund av deras intrinsiska snabba switchhastighet. Dessutom minskar snubbern avsevärt switchförluster vid avstängning, vilket gör SiC E1B-moduler extremt attraktiva i ZVS (nollvolymstransformatorer).tag(e-påslag) mjukkopplingsapplikationer såsom fasförskjuten fullbrygga (PSFB), LLC, etc.

Denna produkt rekommenderas för användning med lödstiftsmontering och fasomvandlande termiska gränssnittsmaterial, och rekommenderas inte för implementeringar som använder presspassning och applicering av termiskt fett. Se monteringsanvisningarna och användarhandböckerna som är kopplade till denna produkt för detaljerad information.

Denna applikationsnotering innehåller även länkar till simuleringsmodeller, monteringsriktlinjer, termiska egenskaper, tillförlitlighet och kvalificeringsdokument.

Resurs och referens

1. Teknisk översikt över SiC E1B-modulerview
2. Monteringsriktlinjer för SiC E1B-moduler
3. SiC Cascode JFET & Modul användarhandbok
4. SiC E1B-moduler DPT EVB användarhandbok
5. Länk till onsemi SiC-modul: SiC-moduler
6. EliteSiC-kraftsimulator
7. onsemi Central hubb för SiC-kraftlösning
8. Ursprunget till SiC JFET:er och deras utveckling mot den perfekta switchen

E1B-modulinformation

Den främsta orsaken till att halvledarmoduler går sönder är felaktig montering. Dålig montering leder till förhöjd eller överdriven temperatur i övergången, vilket avsevärt begränsar modulens livslängd. Därför är korrekt modulinstallation avgörande för att uppnå tillförlitlig värmeöverföring från SiC-komponentövergången till kylkanalen.

E1B-modulerna är konstruerade för att lödas fast på ett kretskort (PCB) och fästas på en kylfläns med förmonterade skruvar och brickor, som visas i Figur 1 och Figur 2Mer utförlig information om dimensioner och toleranser för konstruktion av hårdvara för dessa system finns i modulens datablad.

Figur 1. Placering av modulens monteringsskruv (överst) View)

AND90340/D

Figur 2. Modulmontering med kretskort och kylfläns (monteringsexploderad) View)

Rekommenderad monteringsordning

onsemi rekommenderar följande monteringssekvens för bättre termisk prestanda och livslängd för SiC E1B-modulen:

1. Löd fast modulstiftet på kretskortet (PCB)
2. Montera kretskortet på modulen
3. Montera modulen på kylflänsen

Med förmonterad skruv (kombinera skruv, bricka och låsbricka) fäster du modulen på kylflänsen med begränsande vridmoment. Det bör noteras att kylflänsens storlek och yta måste beaktas under hela lödningsprocessen, eftersom korrekt värmeöverföring mellan modulens baksida och kylflänsens gränssnitt är avgörande för den totala prestandan hos ett paket i ett system (se figur 2).

1. Löd fast modulstiftet på kretskortet
   De lödbara stiften som används på E1B-modulen har kontrollerats och kvalificerats av onsemi för standard FR4-kretskort.
   Om kretskortet kräver en omlödningsprocess för andra komponenter rekommenderas det att omlöda kretskortet innan modulen monteras för att undvika exponering för höga temperaturer.

En typisk våglödningsproffsfile visas i figur 4 och tabell 1.
Om andra hanteringstekniker används vid tillverkning av kretskort krävs ytterligare testning, inspektion och certifiering.

PCB-krav
FR4-kretskort med en maximal tjocklek på 2 mm.
Se IEC 61249−2−7:2002 för att kontrollera om kretskortsmaterialet uppfyller standardkraven.
Användaren ska bestämma de optimala ledande lagren för korrekt design av PCB-stapellager men måste säkerställa att flerskiktade PCB:er följer IEC 60249-2-11 eller IEC 60249-2-1
Om kunden överväger dubbelsidiga kretskort, hänvisa till IEC 60249-2-4 eller IEC 60249-2-5.

Krav på lödstift
Viktiga faktorer för att uppnå lödfogar med hög tillförlitlighet är kretskortsdesignen.
Diametrarna för de genomgående hålen på kretskortet måste tillverkas enligt lödstiftets dimensioner. (se bild 3).

AND90340
Om kretskortets håldesign inte är korrekt kan potentiella problem uppstå.
Om den slutliga håldiametern är för liten kanske den inte sätts i ordentligt och stiften går sönder och skadar kretskortet.
Om den slutliga håldiametern är för stor kan det leda till dålig mekanisk och elektrisk prestanda efter lödning. Lödkvaliteten bör hänvisa till IPC-A-610.
De rekommenderade parametrarna för våglödningsprocesstemperaturprofileär baserade på IPC-7530, IPC-9502, IEC 61760-1:2006.

Figur 3. Modulmontering på kretskort före montering på kylfläns

Figur 4. Typisk våglödningsproffsfile (Referens EN EN 61760-1:2006)

Tabell 1. TYPISK VÅGLÖDNINGSPROFFFILE (Referens EN EN 61760-1:2006)

Montering av kretskort på modul

När kretskortet löds direkt på modulens ovansida uppstår mekaniska påfrestningar, särskilt på lödfogen. För att minska dessa påfrestningar kan en extra skruv användas för att fästa kretskortet i modulens fyra distanser. se bild 5.
Modulerna är kompatibla med självgängande skruvar (M2.5 x L (mm)), beroende på kretskortets tjocklek.

Gängans längd som går in i distanshålet bör vara minst Lmin 4 mm och högst Lmax 8 mm. Det rekommenderas att använda en elektroniskt styrd skruvmejsel eller elektrisk skruvmejsel för att säkerställa bättre noggrannhet.


Figur 5. Kretskortsmontering på E1B-modul: (a) E1B-kretskortsmonteringshål med distans, och (b) Maximalt gängingreppsdjup

Krav för montering av kretskort
Distanshålens djup på 1.5 mm fungerar endast som en skruvstyrning och bör inte utöva någon kraft.

Nyckelfaktorn är mängden vridmoment som är tillåtet för föråtdragning och åtdragning:

• Föråtdragning = 0.2 ~ 0.3 Nm
• Åtdragning = 0.5 Nm Max

Figur 6. Kretskortsmontering på E1B-modul: Vertikal justering av självgängande skruv (a) riktad och (b) felriktad.

Monteringsmodul på kylfläns

Krav på kylfläns
Kylflänsens ytbeskaffenhet är en viktig faktor för hela värmeöverföringssystemet och måste vara i full kontakt med kylflänsen. Modulens substratyta och kylflänsens yta måste vara enhetliga, rena och fria från föroreningar före montering. Detta för att förhindra hålrum, minimera värmeimpedansen och maximera mängden effekt som kan avledas i modulen och uppnå det önskade värmemotståndet baserat på databladet. Kylflänsens ytegenskaper krävs för att uppnå god värmeledningsförmåga enligt DIN 4768−1.

• Ojämnhet (Rz): ≤ 10 m
• Kylflänsens planhet baserat på en längd på 100 mm: ≤50 m

Termiskt gränssnittsmaterial (TIM)
Termiskt gränssnittsmaterial som används mellan modulhöljet och kylflänsen är nyckeln till att uppnå tillförlitlig och högkvalitativ termisk prestanda. Termiskt fett eller termisk pasta rekommenderas inte för en modul utan basplatta som E1B.
Utan en tjock kopparbottenplatta som fungerar som värmespridare förvärrar den termiska fettutpumpningseffekten (genom termisk expansion och sammandragning av TIM-lagret mellan modulhöljet och kylflänsen under strömförsörjning eller temperaturcykling) porbildning i TIM-lagret och har en betydande negativ inverkan på modulens livslängd vid strömförsörjning.

I stället, TIM med fasövergångsmaterial rekommenderas starkt för E1B-moduler. Figur 7 visar resultaten av effektcyklingen för 1200 V 100 A halvbryggmodulen (UHB100SC12E1BC3N) med två olika metoder, termiskt fett kontra fasändringsmaterial. Den horisontella axeln visar antalet cykler. Den vertikala axeln visar enhetens VDS under Tj_rise vid 100 °C. Den röda kurvan visar effektcykling med termiskt fett. Den blå kurvan visar effektcykling med fasändringsmaterial. Den röda kurvan kan bara gå upp till 12,000 1 cykler innan termisk rusning inträffar på grund av försämring av termiskt motstånd från termiskt fettutpumpningseffekt. För samma E58,000B-modul, med användning av fasändringsmaterial för kylfläns, förbättrar TIM avsevärt effektcyklingen utöver XNUMX XNUMX cykler.

Figur 8 visar testförhållanden och installation av strömavbrott. Figur 7. E1B-modulens prestanda för strömavbrott. med olika TIM för kylfläns: Termiskt fett vs. fasomvandlingsmaterial

Figur 8. E1B-modulens strömcyklingstest (a) Installation och (b) Testförhållanden

Vanligtvis, efter mekanisk montering, bör fasövergångsmaterialet bakas i ugn för att låta TIM ändra sin fas för att ytterligare fylla mikroskopiska hålrum mellan modulhöljet och kylflänsen och minska värmemotståndet från modulhöljet till kylflänsen. I exemplet ovanampSom visas i figur 7 och figur 8, minskar värmeresistansen från enhetens övergång till vatten från 0.52 °C/W till 0.42 °C/W efter 1 timmes bakning vid 65 °C. Kontakta TIM-leverantören för detaljerade instruktioner.

NOTERA: Alla andra typer av fasövergångsmaterial bör utvärderas och testas ytterligare av kunden genom att följa instruktioner från en TIM-leverantör (fasövergångsmaterial) för att säkerställa optimal prestanda.

Monteringsmodul på kylfläns
Monteringsproceduren är också en viktig faktor för att garantera effektiv kontakt mellan modul och kylfläns med fasomvandlingsmaterial däremellan. Observera att kylflänsen och modulen inte ska vidröra varandra över hela området för att undvika en lokal separation mellan de två komponenterna. Tabell 2 sammanfattar monteringsriktlinjer för kylflänsmontering.

Tabell 2. REKOMMENDATIONER FÖR MONTERING AV KYLFLÄNSEN I onsemi SiC E1B-MODUL

Andra monteringsöverväganden

Det övergripande systemet för den monterade modulen bör beaktas. Om modulen är korrekt fäst vid kylflänsen och kretskortet kommer produktens övergripande prestanda att uppnås.
Lämpliga åtgärder måste också vidtas för att minimera vibrationer eftersom kretskortet endast är fastlödt på modulen.
Svaga lödda terminaler måste undvikas. Enskilda stift kan endast belastas vinkelrätt mot kylflänsen med maximalt tryck, spänning och tillräckligt avstånd mellan kretskortet och kylflänsen måste utvärderas av kundens applikation.

För att minimera den mekaniska belastningen på kretskortet och modulen, särskilt när kretskortet har tunga komponenter, rekommenderas att använda distansstolpe, se bild 9.

Figur 9. Montering av E1B-modulens kretskort och kylfläns med distansstolpe

Det rekommenderade måttet (X) mellan distansstolpen och kanten på kretskortets monteringshål är ≤ 50 mm.
Om flera moduler monteras på samma kretskort kan höjdskillnaden mellan modulerna resultera i mekaniska påfrestningar på lödfogen. För att minimera påfrestningar är den rekommenderade höjden (H) på distansstolparna 12.10 (±0.10) mm.

Krav på frigång och krypning

Det mekaniska avståndet mellan modulen och kretskortet måste uppfylla det fria utrymme och krypsträcka som krävs enligt IEC 60664-1 Revision 3. Figur 10 visar illustrationen.
Minsta avstånd är att avståndet mellan skruvhuvudet och kretskortets undersida måste ha tillräckligt avstånd för att förhindra elektrisk ledningsförmåga i detta område.
Alternativt kan ytterligare isoleringsåtgärder, såsom kretskortsuttag, beläggning eller specialgjutning, behöva implementeras för att uppfylla lämpliga standarder för frigång och krypavstånd.

Figur 10. Avstånd mellan skruv och kretskort

Skruvtypen avgör det minsta avståndet mellan den och kretskortet. Med en konisk huvudskruv enligt ISO7045, en låsbricka enligt DIN 127B och en planbricka DIN 125A, och klamp som visas i figur 10, blir avståndet 4.25 mm. Typiskt spel och krypavstånd finns i databladet. Mer information om modulspel eller krypavstånd kan fås från applikationssupporten eller försäljning och marknadsföring.

Alla varumärken och produktnamn som förekommer i detta dokument är registrerade varumärken eller varumärken som tillhör sina respektive ägare.

onsemi, , och andra namn, märken och varumärken är registrerade och/eller common law varumärken som tillhör Semiconductor Components Industries, LLC dba "onsemi" eller dess dotterbolag och/eller dotterbolag i USA och/eller andra länder. onsemi äger rättigheterna till ett antal patent, varumärken, upphovsrätter, affärshemligheter och annan immateriell egendom.
En lista över onsemi's produkt/patent täckning kan nås på www.onsemi.com/site/pdf/Patent−Marking.pdf. onsemi förbehåller sig rätten att när som helst göra ändringar i produkter eller information häri, utan föregående meddelande. Informationen häri tillhandahålls "i befintligt skick" och onsemi lämnar inga garantier, representationer eller garantier avseende riktigheten av informationen, produktfunktioner, tillgänglighet, funktionalitet eller lämplighet för sina produkter för något särskilt ändamål, och gör inte heller onsemi ta på sig allt ansvar som härrör från tillämpningen eller användningen av någon produkt eller krets, och frånsäger sig specifikt allt ansvar, inklusive men inte begränsat till särskilda, följdskador eller oförutsedda skador. Köparen är ansvarig för sina produkter och applikationer som använder onsemi produkter, inklusive överensstämmelse med alla lagar, förordningar och säkerhetskrav eller standarder, oavsett support eller applikationsinformation som tillhandahålls av onsemi. "Typiska" parametrar som kan tillhandahållas i onsemi datablad och/eller specifikationer kan och varierar i olika applikationer och faktisk prestanda kan variera över tiden. Alla driftsparametrar, inklusive "Typicals", måste valideras för varje kundapplikation av kundens tekniska experter. onsemi förmedlar inte någon licens under någon av dess immateriella rättigheter eller andras rättigheter. onsemi produkter är inte designade, avsedda eller godkända för användning som en kritisk komponent i livsuppehållande system eller någon FDA klass 3 medicinsk utrustning eller medicinsk utrustning med samma eller liknande klassificering i en främmande jurisdiktion eller någon utrustning avsedd för implantation i människokroppen. Bör köparen köpa eller använda onsemi produkter för sådana oavsiktliga eller obehöriga tillämpningar, ska köparen gottgöra och hålla kvar onsemi och dess tjänstemän, anställda, dotterbolag, dotterbolag och distributörer ofarliga mot alla anspråk, kostnader, skador och utgifter och rimliga advokatarvoden som härrör från, direkt eller indirekt, anspråk på personskada eller dödsfall i samband med sådan oavsiktlig eller obehörig användning , även om ett sådant påstående gör gällande att onsemi varit oaktsam beträffande delens utformning eller tillverkning. onsemi är en arbetsgivare för lika möjligheter/positiv särbehandling. Denna litteratur är föremål för alla tillämpliga upphovsrättslagar och är inte för återförsäljning på något sätt.

YTTERLIGARE INFORMATION

TEKNISKA PUBLIKATIONER:
Tekniska biblioteket: www.onsemi.com/design/resources/technical−documentation
onsemi Webplats: www.onsemi.com
SUPPORT ONLINE: www.onsemi.com/support
För ytterligare information, kontakta din lokala försäljningsrepresentant på www.onsemi.com/support/sales