К вопросу о теплоотводе с силовых элементов.
Часть первая

По материалам зарубежных источников
Февраль 2014 г.


Предисловие.

Проблема отвода тепла от дискретных устройств, элементов силовой электроники является одной из важных проблем. Этот вопрос волнует не только разработчиков электронной техники, но и производителей мощных полупроводниковых устройств, элементов, именуемых далее для простоты «силовые элементы». Так Infineon Technologies опубликовало исследования по креплению силовых элементов к радиатору с помощью силиконовых прокладок. Изложение этого материала в сокращенном виде мы предлагаем вашему вниманию.

Введение

Целью настоящей статьи является предоставление читателю возможности:

а) применять оптимальный крутящий момент при креплении силовых элементов, находящихся в корпусах TO-220 и TO-247, к радиатору с помощью винтов, и при этом иметь оптимальное значение теплового сопротивления “кристалл-корпус” силового элемента (Rth(j-c)) без механического повреждения его корпуса.

б) понять влияние различных изоляционных материалов, имеющих разные коэффициенты жесткости, на тепловое сопротивление Rth(j-c) контакта силового элемента с радиатором при различных крутящих моментах крепления этого устройства.

Параметры неплоскостности корпусов TO-220 и TO-247

С помощью современнейших методов авторами были проведены исследования популярных в силовой электронике корпусов TO-220 и TO-247. Целью этих исследований являлось определение максимальной деформации корпусов силовых элементов из-за различных коэффициентов теплового расширения компаунда корпуса и контактной теплоотводящей пластины корпуса. По технической документации такая деформация должна оставаться в пределах 100 мкм. (См. рисунок 1).


Силовые элементы в корпусах TO-220 и TO-247 были исследованы с помощью оптического сканера на предмет плоскостности. Лазер был использован для сканирования задней поверхности корпуса, и по результатам сканирования были построена контурная карта поверхности. (Рис.2) Далее, плоскостность поверхности была оценена по осевым линиям в середине корпуса. Было установлено, что значения короблений на обоих корпусах были в пределах нормы. (Рис.3, 4а, 4б)



Измерения показали, что коробление корпусов T0-220 и T0-247 составило менее 20 мкм, что существенно меньше значения, указанного в документации на устройства (100 мкм).

Причины использования двух типов изоляционной прокладки с различными коэффициентами твердости

Существуют два типа изоляционных теплопроводящих прокладок: мягкие, с малым коэффициентом твердости, и жесткие, с большим коэффициентом жесткости. Типичными представителями мягких и жестких прокладок являются, соответственно, силиконовые и слюдяные прокладки. Силиконовая прокладка выбирает зазоры, образующиеся из-за неплоскостности корпуса силового элемента и неровностей радиатора, и не требует применения специальных теплопроводящих паст.

В то же время, мягкая изоляционная прокладка может оставить зазор между задней поверхностью устройства и радиатором, если приложить слишком много силы к винту крепления силового устройства. Напротив, при более твердой изоляционной прокладке напряжение, исходящее от резьбового отверстия, распределяется более равномерно, и поэтому зазор между задней поверхностью устройства и радиатором будет отсутствовать. Это хорошо продемонстрировано на рисунке 5.


Влияние момента затяжки винта при монтаже силового элемента.

Процесс установки силовых элементов на радиатор должен быть оптимизирован так, чтобы минимизировать деформацию их корпусов. Необходимо тщательно контролироваться контакт между корпусом силового устройства, изоляционной прокладкой и радиатором, чтобы он был равномерным и надежным, а поверхности силового устройства и радиатора были как можно ближе.

Отвод тепла через силиконовую прокладку является более эффективным, чем отвод тепла через воздушный зазор. Теоретически, чем больше момент затяжки крепежного винта, тем сильнее сжатие прокладки, тем меньше тепловое сопротивление контакта между силовым элементом и радиатором, тем надежнее отвод тепла от силового элемента. Однако на практике существует оптимальное значение момента затяжки крепежного винта. Это происходит по следующим причинам:

Если момент затяжки монтажного винта оказался слишком низким, тепловое сопротивление контакта возрастает из-за плохого теплового контакта, вызванного недостатком контактного давления.

Если момент затяжки монтажного винта будет слишком высок, то головная часть корпуса силового элемента и монтажная вкладка будут деформироваться настолько, что корпус может отходить от радиатора, как показано на рисунке 6. Это также увеличивает тепловое сопротивление контакта.

Крепление силового элемента к корпусу

Рис.6

Следовательно, при креплении силового элемента должен быть выбран соответствующий момент затяжки винта, обеспечивающий минимальное тепловое сопротивление контакта и позволяющий избежать повреждения корпуса или изменение характеристик силового элемента.

Некоторые рекомендации по использованию винтов при креплении на радиатор силовых элементов.

Крепление винтом - это традиционный метод монтажа, при этом используются винт вместе с гайкой и шайбой.

При использовании монтажных винтов следует придерживаться следующих рекомендаций.

Саморезы не должны использоваться при креплении корпусов к радиатору.

Жесткая шайба должны быть вставлена между головкой винта и лепестком для крепления. Необходимо соблюдать осторожность, и убедиться, что шайба не может повредить пластиковое тело корпуса во время процесса установки. Винт должен быть надежно затянут, чтобы корпус имел хороший контакт с радиатором.

Лучше всего использовать специализированный электрический шуруповерт, в котором с достаточной точностью контролируется момент затяжки винта. Такие шуруповерты обеспечивают высокую повторяемость и точность крутящего момента, а также имеют регулировку скорости, что дает возможность выбора оптимальной скорости затягивания винта. На рис. 7 показан правильный метод монтажа корпусов TO-220 и TO-220FP.

Влияние деформированной поверхности радиатора на монтаж элементов.

Монтаж корпуса силового элемента на деформированном радиаторе

Рис.8

Если поверхность радиатора при монтаже не плоская, существует риск того, что в силовом элементе могут образоваться трещины.

Когда силовой элемент монтируется на радиатор с неровной поверхностью, в области тела элемента, расположенной рядом с резьбовым отверстием, будут наблюдаться высокие механические нагрузки, которые могут привести к повреждению силового элемента.

Если устройство монтируется на радиатор с неровной поверхностью, возникают высокие механические нагрузки на область соединения защитного компаунда с подложкой корпуса силового устройства. В этом случае защитный компаунд корпуса может отслоиться со стороны резьбового отверстия из-за высокого механического напряжения.

Примеры неправильного монтажа и его последствия

Пример 1

CSAM – топограмма (С-Сканирование Акустической Микроскопии) Отслаивание компаунда в районе кристалла микросхемы и его подложки в голове корпуса вследствие внешнего механического напряжения в результате слишком сильной затяжки монтажного винта.


Пример 2

Вертикальное сечение подложки кристалла, на которой видны трещины, вызванные внешним механическим воздействиям из-за слишком сильной затяжки винта.


Пример 3

Вмятина на поверхности корпуса из-за перетяжки винта.


Пример 4

Из-за высокого момента затяжки монтажного винта и, соответственно, прижатия ребра теплоотвода транзистора можно продавить тонкую изоляционную прокладку, и таким образом, вызвать короткое замыкание между теплоотводом транзистора и радиатором.

Анализ отказов показал, что острый угол теплоотвода транзистора продавил изоляционную прокладку из-за высокого момента затяжки монтажного винта, и это вызвало короткое замыкание между радиатором и теплоотводом устройства. Стрелка на рисунке справа показывает отверстие электрического пробоя на изоляционной прокладке в результате слишком высокого момента затяжки монтажного винта.


Изучение влияния момента затяжки монтажного винта на тепловое сопротивление Rth(j-c).

Целью настоящего исследования являлась оценка влияния момента затяжки винта при монтаже силовых элементов на поверхность радиатора. Исследованию подверглись популярные силовые элементы (IGBT - транзисторы) производства Infineon с чипами различных размеров (малых, средних и больших), с различной толщиной теплоотвода и размерами корпусов (TO-220, TO-247, и TO-280). Это исследование охватывало корпуса не только с одним кристаллом, но и со сдвоенным чипом.

Ниже приведен перечень и параметры силовых элементов, подвергшихся испытаниям.


Тип устройстваТокОбозначениеТип корпуса
Однокристальный IGBT20AIGP20N60H3TO-220
20AIGW20N60H3TO-247
40AIGY40N60H3TOHC
DuoPackTM75AIKW75N60H3TO-247
С обратной проводимостью20AIHY20N120R3TOHC
20AIHW20N120R3TO-247

Тепловые сопротивления Rth(j-c) этих устройств были измерены с использованием двух различных изоляционных прокладок, Keratherm86/82 и Keratherm70/50. Ниже приведены коэффициенты твердости для каждого типа прокладки.

Тип прокладкиКоэффициент твердости (по Шору А)
Keratherm86/8260-70
Keratherm70/5080-90

Был применен сухой метод монтажа (без термопасты) для изучения влияния различных изоляционных пленок на тепловое сопротивление Rth(j-c) силовых элементов при различных моментах затяжки винтов. Корпус силового элемента был сначала установлен согласно рисунку 7. Затем тепловое сопротивление Rth(j-c) было измерено для моментов затяжки монтажного винта от 0.4 Нм до 1.2 Нм.

Зависимость Rth(j-c) от момента затягивания для изоляционной прокладки Keratherm86/82

Рисунок 13. Зависимость Rth(j-c) от момента затягивания для изоляционной прокладки Keratherm86/82 с коэффициентом твердости 60 - 70 по Шору А

Графики, приведенные выше, показали, что силовые элементы в различных корпусах, при использовании Keratherm86/82 не имели никаких существенных изменений в тепловом сопротивлении Rth(j-c) для моментов затяжки винта в диапазоне от 0,6 до 1,0 Нм. Поэтому был рекомендован типичный момент затяжки винта значением 0.8Нм.

Зависимость Rth(j-c) от момента затягивания для изоляционной прокладки Keratherm70/50

Рисунок 14. Зависимость Rth(j-c) от момента затягивания для изоляционной прокладки Keratherm70/50 с коэффициентом твердости 80 - 90 по Шору А

Графики, приведенные выше, показали, что силовые элементы в различных корпусах, при использовании Keratherm70/50 не имели никаких существенных изменений в тепловом сопротивлении Rth(j-c) для моментов затяжки винта в диапазоне от 0,6 до 1,0 Нм. Поэтому был рекомендован типичный момент затяжки винта значением 0.8Нм.

Исследования показали, что толщина изоляционной прокладки может стать тоньше после применения винта, но не было никаких существенных различий в тепловом сопротивлении Rth(j-c) при затяжке винта с моментом от 0,6 до 1 Нм.

Заключение

Это исследование показало, что нет существенных различий в тепловом сопротивлении Rth(j-c) для всех устройств, когда момент затяжки винта менялся от 0,6 до 1 Нм для двух типов изоляционных прокладок со стандартной твердостью. Было рекомендовано для достижения оптимального теплового контакта и защиты от механических повреждений корпусов силовых элементов типичное значение 0.8 Нм.

Источник.

Application Note AN 2013-12 V1.0 December. 2013
Charles Low Khai Yen, IFMY DC PMM DPC
Dr. Christian Kasztelan, IFAG IPC TD ICD
Recommendations for Screw Tightening Torque for IGBT Discrete Devices



Примечание:

Keratherm® - Группа высокоэластичных, наполненных керамикой пленок. Они характеризуются своей исключительно хорошей сжимаемостью, своей оптимальной пластичностью, хорошей теплопроводностью и хорошими электрическими свойствами. Эти пленки специально предназначены для компенсации разницы в плоскостности компонентов.

Изоляционные пленки KERATHERM® в основном стойкие к воздействию воды, масла и других смесей, органических растворителей и хлорированных углеводородов, а также очищающих составов, используемых для обезжиривания и мойки теплоотводов, корпусов и печатных плат. Единственно, что эти материалы вызывают вздутие открытых кромок теплопроводящей пленки, при этом степень вздутия зависит от периода контакта и типа применяемого растворителя.

После высыхания открытые кромки возвращаются в свое первоначальное состояние без изменения тепловых или электрических свойств. Благодаря тому, что используются короткие периоды контакта, KERATHERM® может подвергаться обработке в обычных ваннах, используемых в процессах пайки.

Характеристики пленок Keratherm®

СвойстваЕд.70/50
со стекло-
волокном
86/82
со стекло-
волокном
Цвет коричневыйкрасный
Тепловые свойства
Теплостойкость RthК/Вт0.440,09
Тепловое полное сопротивление Rti°Смм2/Вт
Кдюйм2/Вт
178
0.27
35
0,05
Теплопроводность λВт/мК1.46,5
Электрические свойства
Напряжение пробоя Ud; переменного токакВ5.01,0
Пробой диэлектрика Ed; переменного токакВ/мм204,0
Объемное удельное сопротивлениеОм•см1.0 х 10132,0 х 1014
Тангенс угла диэлектрических потерь tan δ17.3 х 10-31,4 х 10-3
Диэлектрическая постоянная ε13.62,4
Механические свойства
Общая толщина (±10%)мм0,2500,250
ТвердостьПо Шору А80 - 9065
Предел прочности при растяженииН/мм21020
Относительное удлинение%52
Физические свойства
Температура применения°С-40 до +200
Плотностьг/см32182,35
ОгнестойкостьUL94V-194V-0

Посмотреть продолжение статьи


Copyright © 2003-2017 Л-С-И
Лаборатория Силовых Источников
Вверх
Рейтинг@Mail.ru