CC BY
42Новые технологии
для стандартных тиристорных модулей
Современный рынок силовой электроники предъявляет все более высокие требования к надежности компонентов. Эта тенденция заставляет производителей силовых модулей постоянно внедрять новые технологии и модернизировать существующие производственные процессы. Сказанное справедливо даже в отношении стандартных продуктов, к которым относятся хорошо известные изолированные диодно-тиристорные модули. В 2008 году SEMIKRON полностью изменил подход к проектированию данных компонентов, конструкция которых была разработана именно этой компанией более 30 лет назад. В новом конструктиве сокращено количество паяных слоев, применены усовершенствованные чипы с угловым расположением затвора, внедрены пружинные сигнальные соединения [1]. Принятые меры позволили существенно снизить тепловое сопротивление, увеличить допустимую токовую нагрузку и повысить надежность.
Андрей КОЛПАКОВ
Andrey.Kolpakov@semikron.com
Технология
К силовым модулям, используемым в промышленных преобразователях, предъявляются все более высокие требования по плотности, мощности и надежности. Изготовителям компонентов, вынужденным решать столь противоречивые задачи и при этом снижать стоимость, приходится вкладывать огромные средства в поиск новых технологий и совершенствование производства. Без больших капиталовложений немыслима успешная работа на сверхконкурентном рынке силовой электроники.
Проблема модернизации стандартных продуктов состоит в том, что улучшение электрических и тепловых характеристик не должно приводить к изменению размеров корпуса, а также способа крепления и подключения модулей. Замена устаревших компонентов на новые должна происходить без какой-либо доработки конструкции. В первую очередь это относится к таким распространенным и популярным компонентам, как изолированные диодно-тиристорные модули, которые в производственной программе 8ЕМ1-КИОЫ носят название 8ЕМ1РЛСК (рис. 1).
Одним из наиболее инновационных решений, внедренных в 6-м поколении 8ЕМ1РЛСК, стали пружинные соединения выводов управления с токонесущими шинами ЭБС-под-ложки (рис. 1б). Надежности и временной стабильности параметров пружинных контактов, являющихся «фирменным» элементом конструкции модулей 8ЕМ1КИОЫ, посвящено достаточно много публикаций [2].
Основным отличием конструкции модулей 5-го и 6-го поколения является кардинальное сокращение количества промежуточных слоев. Эти изменения показаны на рис. 2, из которого видно, что у новых компонентов устранена молибденовая пе-
реходная пластина и отсутствует омеднение изолирующей ЭБС-подложки. Кремниевые чипы установлены непосредственно на керамику, что позволило снизить тепловое сопротивление и повысить допустимую плотность тока.
Наглядное представление о конструкции старых и новых компонентов дает рис. 3, на котором видно, как кардинально изменился дизайн электрических контактов. Важно отметить, что, несмотря на многочисленные доработки, модули 8ЕМ1РЛСК 6 полностью совместимы с компонентами предыдущих серий по габаритным размерам и способу подключения силовых и сигнальных выводов. Для пользователей это означает, что переход на новое поколение может происходить без каких-либо изменений в конструкции подводящих шин, радиаторов, сигнальных шлейфов и т. д.
И
. Переходной контакт Переходные контакты
. Припой
Втулка
_______Припой
------DBC-плата
Рамка
Рис. 3. Конструкция модулей: а) 5-го поколения; б) 6-го поколения
Тепловые характеристики
Паяные соединения являются наиболее критическим фактором, определяющим ресурс силовых ключей в условиях переменной нагрузки. Например, модуль типа 8ЕМ1РЛСК в течение срока службы способен выдержать не более 10 000 термоциклов с градиентом ДТ = 100 К. Основной причиной отказа в данном случае является плавное разрушение паяного соединения, вызванное усталостными процессами. Накопление усталости в слое пайки приводит к росту теплового сопротивления Я(Ь, локальному перегреву чипов и преждевременному отказу компонента.
Величина Ь^у-с) (сопротивление «кристалл - корпус»), определяющая температуру перегрева чипа относительно корпуса на 1 Вт рассеиваемой мощности, является интегральным параметром, наиболее достоверно ха-
рактеризующим тепловые свойства всей конструкции. Сокращение количества слоев позволили более чем на 3О% снизить значение этого параметра в модулях SEMIPACK б-го поколения.
Концепция изолированного силового ключа, разработанная SEMIKRON в 197З году, состояла в разделении путей протекания электрических и тепловых потоков (рис. 4). В состав модуля входят различные материалы, отличающиеся термомеханическими характеристиками: полупроводниковые кристаллы, медные и алюминиевые проводники, керамика. Металлы и изоляторы с разной величиной коэффициента теплового расширения КТР (или CTE — Coefficient of Thermal Expansion) жестко связаны между собой. Вследствие этого любые колебания температуры чипов, вызванные изменениями тока нагрузки, приводят к возникновению термо-
механических стрессов, действующих на сопрягающиеся слои. В таблице, показанной на рис. 4, приведены значения КТР основных материалов модуля.
С возрастанием градиента и средней температуры циклов увеличивается риск разрушения связей. Уровень возникающего напряжения пропорционален разности КТР, площади контакта и перепаду температуры ДТ. Соответственно, конструкция модуля должна быть разработана таким образом, чтобы минимизировать негативные последствия от воздействия термоциклов. Основными путями решения этой задачи в отношении стандартных модулей является уменьшение площади паяных соединений и использование более эластичных припоев.
Применение пружинных контактов в качестве сигнальных выводов также позволяет повысить стойкость силовых ключей к термоциклированию. Подобный способ подключения (рис. 1б), способствующий упрощению и удешевлению процесса сборки, может быть использован в широком диапазоне мощностей и типов корпусов компонентов.
Кардинальная переработка дизайна диодно-тиристорного модуля SEMIPACK 6 позволила существенно улучшить и его электрические характеристики. Очевидно, что снижение величины теплового сопротивления позволяет повысить рабочий ток ключа. Увеличить плотность тока удалось также благодаря использованию чипов с угловым расположением затвора, имеющих большую эффективную площадь, чем у стандартных кристаллов с центральным затвором. В результате всех принятых мер нагрузочную способность новых модулей удалось повысить более чем на 10%, при этом суммарная активная площадь чипов осталась на прежнем уровне.
Важным параметром, позволяющим косвенно оценить надежность силового ключа, является величина тока перегрузки ITSM, которая для компонентов 6-го поколения также осталась на прежнем уровне. Эта характеристика определяет пиковое значение одиночного полусинусоидального импульса тока длительностью 10 или 8,3 мс (для сетей 50 или 60 Гц), который способен без повреждения пропустить диодно-тиристорный модуль.
Заключение
Вся продукция SEMIKRON, включая диодно-тиристорные модули, проходит специальные квалификационные тесты. Целью испытаний модернизированных компонентов является определение эксплуатационных пределов для различных режимов работы, проверка соответствия уровня производства, оценка возможного влияния технологических и конструкторских изменений на надежность изделий. Наиболее пристальное внимание уделяется оценке надежности по-
лупроводниковых кристаллов и конструктивов модулей. Как правило, испытания проходят под наблюдением авторитетных контролирующих органов, таких как UL (Underwriters Laboratories — лаборатория по технике безопасности США).
Благодаря использованию новых конструктивных решений и сокращению количества слоев в модулях б-го поколения SEMIPACK удалось достигнуть существенного повышения показателей надежности. Компоненты нового поколения отличаются меньшим значением теплового сопротивления, повышенной плотностью тока и улучшенными перегрузочными характеристиками, они полностью соответствуют требованиям экологических директив EU 2002/96/Eg и 2000/53/EG. ■
Литература
1. Ma J., Gill M. New Assembly Technology for Soldered Thyristor Modules // SEMIKRON International. 2008,
2. Колпаков А. Надежность пружинных контактов в условиях индустриальных сред // Силовая электроника. 2006. № 4,
3. Beckedahl P., Tursky W., Scheuermann U. Packaging Considerations of an Integrated Inverter Module (IIM) for Hybrid Vehicles // SEMIKRON International. 200З.
