Guida utente dei moduli SiC E1B onsemi

Guida utente dei moduli SiC E1B onsemi

Ambito

onsemi è stato il pioniere nell'introduzione di SiC JFET in una configurazione cascode con compatibilità di gate drive per Si MOSFET, IGBT e SiC MOSFET, in base alla soglia vol di 5 Vtage ampio intervallo operativo del gate di ±25 V.

Questi dispositivi sono intrinsecamente molto rapidi nella commutazione, con eccellenti caratteristiche del diodo corporeo. Onsemi ha combinato l'avanguardiatagDispositivo di potenza basato su SiC JFET con un package di modulo di potenza standard del settore, E1B, per migliorare ulteriormente la densità di potenza, l'efficienza, la convenienza e la facilità d'uso per i sistemi di alimentazione industriali.

Questa nota applicativa presenta le linee guida per il montaggio (PCB e dissipatore di calore) per i più recenti pacchetti di moduli di potenza E1B di Onsemi (half-bridge e full-bridge).

IMPORTANTE: Gli snubber sono fortemente raccomandati per i moduli SiC E1B grazie alla loro intrinseca elevata velocità di commutazione. Inoltre, gli snubber riducono notevolmente le perdite di commutazione in fase di spegnimento, rendendo i moduli SiC E1B estremamente interessanti in ZVS (zero vol.tagapplicazioni di soft-switching (accensione e spegnimento) come ponte completo a fase sfasata (PSFB), LLC, ecc.

Questo prodotto è consigliato per l'uso con materiali di interfaccia termica a cambiamento di fase e con attacco a saldare, mentre non è consigliato per implementazioni con montaggio a pressione e applicazione di pasta termica. Per informazioni dettagliate, fare riferimento alle linee guida di montaggio e al manuale utente associati a questo prodotto.

Questa nota applicativa fornisce anche collegamenti a risorse per modelli di simulazione, linee guida di assemblaggio, caratteristiche termiche, affidabilità e documenti di qualificazione.

Risorse e riferimenti

1. Moduli SiC E1B Tecnici Oltreview
2. Linee guida per il montaggio dei moduli SiC E1B
3. Guida utente per SiC Cascode JFET e moduli
4. Moduli SiC E1B DPT EVB Manuale utente
5. Collegamento al modulo SiC onsemi: Moduli SiC
6. Simulatore di potenza EliteSiC
7. onsemi Hub centrale per soluzioni di alimentazione SiC
8. Origini dei JFET in SiC e la loro evoluzione verso l'interruttore perfetto

Informazioni sul modulo E1B

La causa principale del guasto dei moduli a semiconduttore di potenza è un montaggio non corretto. Un montaggio non corretto provoca una temperatura di giunzione elevata o eccessiva, che ne limita significativamente la durata operativa. Di conseguenza, una corretta installazione del modulo è fondamentale per ottenere un trasferimento di calore affidabile dalla giunzione del dispositivo SiC al canale di raffreddamento.

I moduli E1B sono progettati per essere saldati a un circuito stampato (PCB) e fissati a un dissipatore di calore con viti e rondelle preassemblate, come mostrato in Figura 1 E Figura 2Informazioni più dettagliate sulle dimensioni e le tolleranze per la progettazione dell'hardware per questi sistemi sono reperibili nelle schede tecniche dei moduli.

Figura 1. Posizione delle viti di montaggio del modulo (parte superiore View)

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Figura 2. Montaggio del modulo con PCB e dissipatore di calore (assemblaggio esploso) View)

Sequenza di montaggio consigliata

onsemi consiglia la seguente sequenza di montaggio per migliori prestazioni termiche e durata del modulo SiC E1B:

1. Saldare il pin del modulo al circuito stampato (PCB)
2. Montare il PCB sul modulo
3. Montare il modulo sul dissipatore di calore

Utilizzando le viti preassemblate (combinare vite, rondella e rondella elastica), fissare il modulo al dissipatore di calore applicando una coppia di serraggio limitata. È importante tenere in considerazione le dimensioni e la superficie del dissipatore durante l'intero processo di saldatura, poiché un corretto trasferimento di calore tra il retro del modulo e l'interfaccia del dissipatore è fondamentale per le prestazioni complessive del package in un sistema (vedi figura 2).

1. Saldare il pin del modulo al PCB
   I pin saldabili utilizzati sul modulo E1B sono stati controllati e qualificati da onsemi per i PCB FR4 standard.
   Se il PCB richiede un processo di saldatura a riflusso per altri componenti, si consiglia di effettuare la rifusione del PCB prima di montare il modulo, per evitare l'esposizione ad alte temperature.

Un tipico professionista della saldatura ad ondafile è mostrato nella Figura 4 e nella Tabella 1.
Se nella produzione di circuiti stampati vengono utilizzate altre tecniche di manipolazione, saranno necessari test, ispezioni e certificazioni aggiuntivi.

Requisiti PCB
PCB FR4 con spessore massimo di 2 mm.
Fare riferimento alla norma IEC 61249−2−7:2002 per verificare se il materiale del PCB soddisfa i requisiti standard.
L'utente deve determinare gli strati conduttivi ottimali per una corretta progettazione degli strati dello stack PCB, ma deve assicurarsi che i PCB multistrato siano conformi alla norma IEC 60249-2-11 o IEC 60249-2-1
Se il cliente prenderà in considerazione un PCB bifacciale, fare riferimento alla norma IEC 60249-2-4 o IEC 60249-2-5

Requisiti dei perni di saldatura
Un fattore chiave per ottenere giunzioni di saldatura altamente affidabili è la progettazione del PCB.
I diametri dei fori passanti placcati sul PCB devono essere realizzati in base alla dimensione del perno di saldatura (vedi Figura 3).

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Se la progettazione dei fori del PCB non è corretta, potrebbero verificarsi potenziali problemi.
Se il diametro finale del foro è troppo piccolo, il foro potrebbe non essere inserito correttamente e i pin potrebbero rompersi e danneggiare il PCB.
Se il diametro finale del foro è troppo grande, le prestazioni meccaniche ed elettriche potrebbero non essere ottimali dopo la saldatura. La qualità della saldatura deve essere conforme allo standard IPC-A-610.
I parametri consigliati per la temperatura del processo di saldatura ad onda profilesono basati su IPC-7530, IPC-9502, IEC 61760-1:2006.

Figura 3. Montaggio del modulo sul PCB prima del montaggio su un dissipatore di calore

Figura 4. Tipico metodo di saldatura ad ondafile (Riferimento EN EN 61760-1:2006)

Tabella 1. PROCEDURA TIPICA DI SALDATURA A ONDAFILE (Riferimento EN EN 61760-1:2006)

Montaggio del PCB sul modulo

Quando il PCB viene saldato direttamente sulla parte superiore del modulo, le sollecitazioni meccaniche sono presenti soprattutto sul giunto di saldatura. Per ridurre queste sollecitazioni, è possibile utilizzare una vite aggiuntiva per fissare il PCB ai quattro distanziali del modulo. vedere Figura 5.
I moduli sono compatibili con le viti autofilettanti (M2.5 x L (mm)), a seconda dello spessore del PCB.

La lunghezza della filettatura che entra nel foro del distanziale deve essere compresa tra Lmin 4 mm e Lmax 8 mm. Si consiglia di utilizzare un cacciavite a controllo elettronico o un cacciavite elettrico per garantire una maggiore precisione.


Figura 5. Montaggio PCB sul modulo E1B: (a) Foro di montaggio PCB E1B con distanziatore e (b) Profondità massima di innesto della filettatura della vite

Requisiti di montaggio PCB
La profondità dei fori distanziali di 1.5 mm serve solo come guida per l'ingresso delle viti e non deve esercitare alcuna forza.

Il fattore chiave è la quantità di coppia consentita per il processo di pre-serraggio e serraggio:

• Pre-serraggio = 0.2 ~ 0.3 Nm
• Serraggio = 0.5 Nm Max

Figura 6. Montaggio del PCB sul modulo E1B: allineamento verticale della vite autofilettante (a) allineata e (b) disallineata.

Modulo di montaggio sul dissipatore di calore

Requisiti del dissipatore di calore
Le condizioni superficiali del dissipatore di calore sono un fattore fondamentale per l'intero sistema di trasferimento termico e devono essere a pieno contatto con il dissipatore stesso. La superficie del substrato del modulo e la superficie del dissipatore di calore devono essere uniformi, pulite e prive di contaminanti prima del montaggio. Questo serve a prevenire la formazione di vuoti, a minimizzare l'impedenza termica e a massimizzare la quantità di potenza dissipabile all'interno del modulo, raggiungendo la resistenza termica desiderata in base alla scheda tecnica. Le qualità superficiali del dissipatore di calore sono necessarie per ottenere una buona conduttività termica secondo la norma DIN 4768-1.

• Rugosità (Rz): 10 m
• Planarità del dissipatore di calore in base a una lunghezza di 100 mm: ≤50 metri

Materiale di interfaccia termica (TIM)
Il materiale di interfaccia termica utilizzato tra l'involucro del modulo e il dissipatore di calore è fondamentale per ottenere prestazioni termiche affidabili e di alta qualità. Il grasso termico o la pasta termica non sono consigliati per un modulo senza piastra di base come E1B.
Senza una piastra di base in rame spessa che funge da diffusore di calore, l'effetto di pompaggio del grasso termico (per espansione e contrazione termica dello strato TIM tra l'involucro del modulo e il dissipatore di calore durante i cicli di accensione e spegnimento o i cicli di temperatura) aggrava la formazione di vuoti nello strato TIM e ha un impatto negativo significativo sulla durata dei cicli di accensione e spegnimento del modulo.

Invece, Per i moduli E1B si consiglia vivamente di utilizzare la tecnologia TIM con materiale a cambiamento di fase. La Figura 7 mostra i risultati del ciclo di accensione e spegnimento per il modulo half-bridge da 1200 V e 100 A (UHB100SC12E1BC3N) utilizzando due metodi diversi, pasta termica e materiale a cambiamento di fase. L'asse orizzontale mostra il numero di cicli. L'asse verticale mostra il VDS del dispositivo durante la salita di temperatura (Tj) a 100 °C. La curva rossa mostra il ciclo di accensione e spegnimento con pasta termica. La curva blu mostra il ciclo di accensione e spegnimento con materiale a cambiamento di fase. La curva rossa può arrivare solo a 12,000 cicli prima che si verifichi un runaway termico dovuto alla degradazione della resistenza termica dovuta all'effetto di pompaggio della pasta termica. Per lo stesso modulo E1B, utilizzando materiale a cambiamento di fase per il dissipatore, il TIM migliora significativamente il ciclo di accensione e spegnimento oltre i 58,000 cicli.

La figura 8 mostra le condizioni di test e la configurazione del ciclo di alimentazione. Figura 7. Prestazioni del ciclo di alimentazione del modulo E1B con TIM diverso per il dissipatore di calore: grasso termico vs materiale a cambiamento di fase

Figura 8. Test di accensione e spegnimento del modulo E1B (a) Configurazione e (b) Condizioni di test

In genere, dopo il montaggio meccanico, il materiale a cambiamento di fase dovrebbe essere cotto in forno per consentire al TIM di cambiare fase e riempire ulteriormente i vuoti microscopici tra l'involucro del modulo e il dissipatore di calore, riducendo così la resistenza termica tra l'involucro del modulo e il dissipatore di calore. Nell'esempio precedenteampCome mostrato nelle Figure 7 e 8, la resistenza termica tra la giunzione del dispositivo e l'acqua si riduce da 0.52 °C/W a 0.42 °C/W dopo 1 ora di cottura a 65 °C. Consultare il fornitore TIM per istruzioni dettagliate.

NOTA: Qualsiasi tipo diverso di materiale a cambiamento di fase deve essere valutato e testato ulteriormente dal cliente seguendo le istruzioni di un fornitore di TIM (materiale a cambiamento di fase) per garantire prestazioni ottimali.

Modulo di montaggio sul dissipatore di calore
Anche la procedura di montaggio è un fattore importante per garantire un contatto efficace tra modulo e dissipatore, con il materiale a cambiamento di fase interposto. Si noti che il dissipatore e il modulo non devono toccarsi su tutta la superficie per evitare una separazione localizzata tra i due componenti. La Tabella 2 riassume le linee guida di montaggio per il fissaggio del dissipatore.

Tabella 2. RACCOMANDAZIONI PER IL MONTAGGIO DEL DISSIPATORE DI CALORE DEL MODULO E1B SiC onsemi

Altre considerazioni sul montaggio

È necessario considerare il sistema complessivo del modulo montato. Se il modulo è correttamente fissato al dissipatore di calore e alla scheda elettronica, le prestazioni complessive del prodotto saranno ottimali.
Anche per ridurre al minimo le vibrazioni è necessario adottare misure appropriate, poiché il PCB è saldato solo al modulo.
È necessario evitare terminali saldati deboli. I singoli pin possono essere caricati solo perpendicolarmente al dissipatore, con la massima pressione, tensione e distanza adeguata tra il PCB e il dissipatore, che devono essere valutate in base all'applicazione del cliente.

Per ridurre al minimo lo stress meccanico sul PCB e sul modulo, in particolare quando il PCB ha componenti pesanti, si consiglia di utilizzare un distanziatore, vedere Figura 9.

Figura 9. Montaggio del PCB e del dissipatore di calore del modulo E1B con il distanziatore

La dimensione consigliata (X) tra il montante e il bordo del foro di montaggio del PCB è ≤ 50 mm.
Nel caso in cui più moduli siano montati sullo stesso PCB, la variazione di altezza tra i moduli può causare sollecitazioni meccaniche sul giunto di saldatura. Per ridurre al minimo le sollecitazioni, l'altezza consigliata (H) dei distanziatori è di 12.10 (±0.10) mm.

Requisiti di spazio libero e di dispersione

La spaziatura meccanica dell'assemblaggio tra il modulo e il PCB deve rispettare la distanza di sicurezza e di dispersione richiesta dalla norma IEC 60664-1 Revisione 3. La Figura 10 mostra l'illustrazione.
La distanza minima è la distanza tra la testa della vite e la superficie inferiore del PCB; deve essere adeguata per impedire la conduttività elettrica in quest'area.
In alternativa, potrebbero essere necessarie misure di isolamento aggiuntive, come slot per PCB, rivestimento o incapsulamento speciale, per soddisfare gli standard di distanza di sicurezza e di isolamento superficiale appropriati.

Figura 10. Distanza tra vite e PCB

Il tipo di vite determina la distanza minima tra la vite e il PCB. Con una vite a testa cilindrica secondo ISO7045, una rondella elastica secondo DIN 127B e una rondella piana secondo DIN 125A, e la clamp Come mostrato in Figura 10, la distanza sarà di 4.25 mm. I valori tipici di distanza in aria e di dispersione superficiale sono disponibili nella scheda tecnica. Per ulteriori dettagli sulla distanza in aria o di dispersione superficiale del modulo, contattare il supporto applicativo o il reparto vendite e marketing.

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