Guía del usuario de los módulos SiC E1B de ON Semiconductor

Guía del usuario de los módulos SiC E1B de ON Semiconductor

Alcance

onsemi ha sido pionero en la introducción de JFET de SiC en una configuración de cascodo con compatibilidad de control de compuerta con MOSFET de Si, IGBT y MOSFET de SiC, según el volumen umbral de 5 V.tagy amplio rango de operación de puerta de ±25 V.

Estos dispositivos son inherentemente de conmutación muy rápida, con excelentes características de diodo corporal. ON Semiconductor ha combinado la ventajatagDispositivo de potencia basado en JFET de SiC con un paquete de módulo de potencia estándar de la industria, E1B, para mejorar aún más la densidad de potencia, la eficiencia, la rentabilidad y la facilidad de uso para sistemas de energía industriales.

Esta nota de aplicación presenta las pautas de montaje (PCB y disipador de calor) para los últimos paquetes de módulos de potencia E1B de ON Semiconductor (medio puente y puente completo).

IMPORTANTE: Los amortiguadores son muy recomendables para los módulos SiC E1B debido a su rápida velocidad de conmutación intrínseca. Además, el amortiguador reduce considerablemente la pérdida de conmutación por apagado, lo que hace que los módulos SiC E1B sean extremadamente atractivos en ZVS (voltaje cero).tagAplicaciones de conmutación suave (encendido y apagado automático), como puente completo con desplazamiento de fase (PSFB), LLC, etc.

Este producto se recomienda para su uso con materiales de interfaz térmica de cambio de fase y fijación de pines de soldadura, y no se recomienda para implementaciones con ajuste a presión y aplicación de pasta térmica. Consulte las instrucciones de montaje y la guía del usuario de este producto para obtener información detallada.

Esta nota de aplicación también proporciona enlaces de recursos a modelos de simulación, pautas de ensamblaje, características térmicas, confiabilidad y documentos de calificación.

Recursos y referencias

1. Módulos SiC E1B Información técnicaview
2. Guía de montaje de módulos SiC E1B
3. Guía del usuario del módulo y JFET de cascodo de SiC
4. Guía del usuario de los módulos SiC E1B DPT EVB
5. Enlace del módulo SiC de ON Semiconductor: Módulos de SiC
6. Simulador de potencia EliteSiC
7. onsemi Centro central de soluciones de energía de SiC
8. Orígenes de los JFET de SiC y su evolución hacia el interruptor perfecto

Información del módulo E1B

La principal causa de fallos en los módulos semiconductores de potencia es un montaje inadecuado. Un montaje deficiente provocará una temperatura de unión elevada o excesiva, lo que limitará significativamente la vida útil del módulo. Por lo tanto, la instalación correcta del módulo es fundamental para lograr una transferencia de calor fiable desde la unión del dispositivo de SiC hasta el canal de refrigeración.

Los módulos E1B están diseñados para soldarse a una placa de circuito impreso (PCB) y conectarse a un disipador de calor con tornillos y arandelas preensamblados, como se muestra en Figura 1 y Figura 2Información más amplia sobre dimensiones y tolerancias para el diseño de hardware para estos sistemas se puede encontrar en las hojas de datos de los módulos.

Figura 1. Ubicación del tornillo de montaje del módulo (parte superior) View)

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Figura 2. Montaje del módulo con PCB y disipador de calor (ensamblaje despiezado) View)

Secuencia de montaje recomendada

onsemi recomienda la siguiente secuencia de montaje para un mejor rendimiento térmico y vida útil del módulo SiC E1B:

1. Suelde el pin del módulo a la placa de circuito impreso (PCB)
2. Monte la PCB en el módulo
3. Monte el módulo en el disipador de calor

Con el tornillo preensamblado (tornillo, arandela y arandela de seguridad combinados), fije el módulo al disipador de calor aplicando un par de apriete limitado. Es importante tener en cuenta el tamaño y la superficie del disipador durante todo el proceso de soldadura, ya que la transferencia de calor adecuada entre la parte posterior del módulo y la interfaz del disipador es fundamental para el rendimiento general del encapsulado en un sistema.ver figura 2).

1. Suelde el pin del módulo a la PCB
   Los pines soldables utilizados en el módulo E1B han sido verificados y calificados por onsemi para PCB FR4 estándar.
   Si la PCB requiere un proceso de soldadura por reflujo para otros componentes, se recomienda refluir la PCB antes de montar el módulo para evitar la exposición a altas temperaturas.

Un típico profesional de soldadura por olafile Se muestra en la Figura 4 y la Tabla 1.
Si se utilizan otras técnicas de manipulación en la fabricación de placas de circuitos impresos, se requieren pruebas, inspecciones y certificaciones adicionales.

Requisitos de PCB
PCB FR4 con un espesor máximo de 2 mm.
Consulte IEC 61249−2−7:2002 para comprobar si el material de PCB cumple con los requisitos estándar.
El usuario debe determinar las capas conductoras óptimas para un diseño adecuado de las capas de la pila de PCB, pero debe asegurarse de que los PCB multicapa cumplan con las normas IEC 60249-2-11 o IEC 60249-2-1.
Si el cliente considera una PCB de doble cara, consulte la norma IEC 60249-2-4 o IEC 60249-2-5

Requisitos de pines de soldadura
Los factores clave para lograr uniones de soldadura con alta confiabilidad son el diseño de PCB.
Los diámetros de los orificios pasantes en la PCB deben fabricarse de acuerdo con la dimensión del pin de soldadura. (ver Figura 3).

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Si el diseño del orificio de la PCB no es correcto, pueden surgir problemas potenciales.
Si el diámetro del orificio final es demasiado pequeño, es posible que no se inserte correctamente y provocará que los pines se rompan y dañen la PCB.
Si el diámetro final del orificio es demasiado grande, podría no obtenerse un buen rendimiento mecánico y eléctrico después de la soldadura. La calidad de la soldadura debe consultarse en IPC-A-610.
Los parámetros recomendados para la temperatura del proceso de soldadura por olafileLos estándares se basan en IPC-7530, IPC-9502, IEC 61760-1:2006.

Figura 3. Montaje del módulo en la PCB antes del montaje en un disipador de calor

Figura 4. Soldadura por ola típica Profile (Referencia EN EN 61760-1:2006)

Tabla 1. PROCESO TÍPICO DE SOLDADURA POR OLAFILE (Referencia EN EN 61760-1:2006)

Montaje de PCB en el módulo

Al soldar la PCB directamente a la parte superior del módulo, se producen tensiones mecánicas, especialmente en la unión soldada. Para reducir estas tensiones, se puede utilizar un tornillo adicional para fijar la PCB a los cuatro separadores del módulo. ver figura 5.
Los módulos son compatibles con los tornillos autorroscantes (M2.5 x L (mm)), dependiendo del espesor de la PCB.

La longitud de la rosca que entra en el orificio del separador debe ser como mínimo de Lmín. 4 mm y como máximo de Lmáx. 8 mm. Se recomienda utilizar un destornillador eléctrico o de control electrónico para mayor precisión.


Figura 5. Montaje de PCB en el módulo E1B: (a) Orificio de montaje de PCB E1B con separador y (b) Profundidad máxima de acoplamiento de la rosca del tornillo

Requisitos de montaje de PCB
La profundidad de los orificios de separación de 1.5 mm sirve solo como guía de entrada de tornillos y no debe aplicar ninguna fuerza.

El factor clave es la cantidad de torque permitido para el proceso de pre-apriete y apriete:

• Preapriete = 0.2 ~ 0.3 Nm
• Apriete = 0.5 Nm máx.

Figura 6. Montaje de PCB en el módulo E1B: alineación vertical del tornillo autorroscante (a) alineado y (b) desalineado.

Módulo de montaje al disipador de calor

Requisitos del disipador de calor
El estado de la superficie del disipador es un factor vital en todo el sistema de transferencia de calor y debe estar en pleno contacto con él. La superficie del sustrato del módulo y la del disipador deben ser uniformes, limpias y libres de contaminación antes del montaje. Esto permite evitar huecos, minimizar la impedancia térmica, maximizar la disipación de potencia dentro del módulo y alcanzar la resistencia térmica objetivo según la hoja de datos. Las características de la superficie del disipador son esenciales para lograr una buena conductividad térmica según la norma DIN 4768−1.

• Rugosidad (Rz): ≤ 10 m
• Planitud del disipador de calor en función de una longitud de 100 mm: ≤50 m

Material de interfaz térmica (TIM)
El material de interfaz térmica utilizado entre la carcasa del módulo y el disipador de calor es clave para lograr un rendimiento térmico confiable y de alta calidad. No se recomienda la grasa térmica ni la pasta térmica para un módulo sin placa base como el E1B.
Sin una placa base de cobre gruesa que actúe como difusor de calor, el efecto de bombeo de grasa térmica (por expansión y contracción térmica de la capa TIM entre la carcasa del módulo y el disipador de calor durante el ciclo de energía o el ciclo de temperatura) exacerba la formación de vacíos en la capa TIM y tiene un impacto negativo significativo en la vida útil del módulo durante el ciclo de energía.

En cambio, Se recomienda encarecidamente el uso de TIM con material de cambio de fase para los módulos E1B. La Figura 7 muestra los resultados del ciclo de potencia del módulo de medio puente de 1200 V y 100 A (UHB100SC12E1BC3N) utilizando dos métodos diferentes: grasa térmica o material de cambio de fase. El eje horizontal muestra el número de ciclos. El eje vertical muestra la VDS del dispositivo durante Tj_rise a 100 °C. La curva roja muestra el ciclo de potencia con grasa térmica. La curva azul muestra el ciclo de potencia con material de cambio de fase. La curva roja solo puede alcanzar los 12,000 1 ciclos antes de que se produzca una fuga térmica debido a la degradación de la resistencia térmica causada por el efecto de bombeo de la grasa térmica. Para el mismo módulo E58,000B, utilizando material de cambio de fase como disipador, el TIM mejora significativamente el ciclo de potencia, superando los XNUMX XNUMX ciclos.

La figura 8 muestra las condiciones y la configuración de la prueba de ciclo de energía. Figura 7. Rendimiento del ciclo de energía del módulo E1B con diferentes TIM para disipadores de calor: Grasa térmica vs. material de cambio de fase

Figura 8. Prueba de ciclo de encendido del módulo E1B (a) Configuración y (b) Condiciones de prueba

Normalmente, después del montaje mecánico, el material de cambio de fase debe hornearse para permitir que el TIM cambie su fase y rellene aún más los huecos microscópicos entre la carcasa del módulo y el disipador térmico, reduciendo así la resistencia térmica entre la carcasa del módulo y el disipador. En el ejemplo anteriorampComo se muestra en las Figuras 7 y 8, la resistencia térmica de la unión del dispositivo al agua se reduce de 0.52 °C/W a 0.42 °C/W tras una hora de horneado a 1 °C. Consulte con el proveedor de TIM para obtener instrucciones detalladas.

NOTA: El cliente debe evaluar y probar adicionalmente cualquier tipo de material de cambio de fase diferente siguiendo las instrucciones de un proveedor de TIM (material de cambio de fase) para garantizar un rendimiento óptimo.

Módulo de montaje al disipador de calor
El procedimiento de montaje también es un factor importante para garantizar un contacto eficaz entre el módulo y el disipador térmico, con material de cambio de fase entre ambos. Tenga en cuenta que el disipador térmico y el módulo no deben tocarse en toda su superficie para evitar una separación localizada entre ambos componentes. La Tabla 2 resume las pautas de montaje para la instalación del disipador térmico.

Tabla 2. RECOMENDACIONES DE MONTAJE DEL DISIPADOR DE CALOR DEL MÓDULO SiC E1B de onsemi

Otras consideraciones de montaje

Se debe considerar el sistema general del módulo montado. Si el módulo está correctamente fijado al disipador de calor y a la placa de circuito, se logrará el rendimiento general del producto.
También se deben tomar medidas adecuadas para minimizar la vibración, ya que la PCB está soldada únicamente al módulo.
Se deben evitar los terminales con soldadura débil. Los pines individuales solo se pueden cargar perpendicularmente al disipador de calor con la máxima presión. La tensión y la distancia adecuada entre la PCB y el disipador deben evaluarse según la aplicación del cliente.

Para minimizar la tensión mecánica en la PCB y el módulo, especialmente cuando la PCB tiene componentes pesados, se recomienda utilizar postes espaciadores. ver figura 9.

Figura 9. Montaje de PCB y disipador de calor del módulo E1B con poste espaciador

La dimensión recomendada (X) entre el poste espaciador y el borde del orificio de montaje de la PCB es ≤ 50 mm.
Si se montan varios módulos en la misma PCB, la variación de altura entre ellos puede generar tensiones mecánicas en la unión soldada. Para minimizar la tensión, la altura recomendada (H) de los postes espaciadores es de 12.10 (±0.10) mm.

Requisito de espacio libre y de fuga

El espaciado mecánico del conjunto entre el módulo y la PCB debe cumplir con la distancia de fuga y espacio libre requerida por la norma IEC 60664-1 Revisión 3. La Figura 10 muestra la ilustración.
La distancia mínima es la distancia entre la cabeza del tornillo y la superficie inferior de la PCB. Debe tener una distancia adecuada para evitar la conductividad eléctrica en esta área.
Como alternativa, puede ser necesario implementar medidas de aislamiento adicionales, como ranuras para PCB, revestimiento o encapsulado especial para cumplir con los estándares adecuados de espacio libre y distancia de fuga.

Figura 10. Espacio libre entre el tornillo y la PCB

El tipo de tornillo determina la holgura mínima entre este y la PCB. Con un tornillo de cabeza plana según ISO 7045, una arandela de seguridad según DIN 127B y una arandela plana según DIN 125A, y el clamp Como se muestra en la Figura 10, la distancia será de 4.25 mm. La distancia de fuga y la distancia de aislamiento típicas se encuentran en la hoja de datos. Para obtener más información sobre la distancia de fuga o el aislamiento del módulo, comuníquese con el departamento de soporte de aplicaciones o con el departamento de ventas y marketing.

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