onsemi SiC E1Bモジュール ユーザーガイド

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範囲

オンセミコンダクタは、5Vのしきい値電圧に基づいて、Si MOSFET、IGBT、およびSiC MOSFETとのゲートドライブ互換性を備えたカスコード構成のSiC JFETの導入を先駆的に行いました。tage および ±25 V の広いゲート動作範囲。

これらのデバイスは本質的に非常に高速なスイッチングと優れたボディダイオード特性を備えています。オンセミコンダクタは、これらの利点を組み合わせました。tag業界標準のパワーモジュールパッケージである E1B を搭載した eous SiC JFET ベースのパワーデバイスにより、産業用電力システムの電力密度、効率、コスト効率、使いやすさがさらに向上します。

このアプリケーション ノートでは、オンセミコンダクタの最新の E1B 電源モジュール パッケージ (ハーフブリッジおよびフルブリッジ) の取り付けガイドライン (PCB およびヒートシンク) について説明します。

重要： SiC E1Bモジュールはスイッチング速度が本質的に高速であるため、スナバの使用を強くお勧めします。また、スナバはターンオフ時のスイッチング損失を大幅に低減するため、SiC E1BモジュールはZVS（ゼロ電圧スイッチング）において非常に魅力的です。tag位相シフト フル ブリッジ (PSFB)、LLC などの (ターンオン) ソフト スイッチング アプリケーションに適しています。

本製品は、はんだ付けピンおよび相変化熱伝導材料との併用を推奨します。圧入および熱伝導グリースの塗布による実装は推奨しません。詳細については、本製品に付属の取り付けガイドラインおよびユーザーガイドをご参照ください。

このアプリケーション ノートでは、シミュレーション モデル、アセンブリ ガイドライン、熱特性、信頼性、および認定ドキュメントへのリソース リンクも提供します。

リソースとリファレンス

1. SiC E1Bモジュール技術概要view
2. SiC E1Bモジュールの取り付けガイドライン
3. SiCカスコードJFETおよびモジュールユーザーガイド
4. SiC E1BモジュールDPT EVBユーザーガイド
5. onsemi SiCモジュールリンク: SiCモジュール
6. EliteSiC 電力シミュレータ
7. オンセミ SiCパワーソリューションセンター
8. SiC JFETの起源と完璧なスイッチへの進化

E1Bモジュール情報

パワー半導体モジュールの故障の主な原因は、不適切な取り付けです。不適切な取り付けは、接合部温度の上昇または過剰な温度上昇を引き起こし、モジュールの動作寿命を大幅に制限します。したがって、SiCデバイスの接合部から冷却チャネルへの確実な熱伝達を実現するには、モジュールの適切な取り付けが不可欠です。

E1Bモジュールは、プリント基板（PCB）にはんだ付けされ、図に示すように、組み立て済みのネジとワッシャーでヒートシンクに取り付けられるように設計されています。 図1 そして 図2これらのシステムのハードウェアを設計するための寸法と許容範囲に関する詳しい情報は、モジュールのデータシートに記載されています。

図1. モジュール取り付けネジの位置（上面） View)

AND90340/D

図2. PCBとヒートシンクを使用したモジュールの取り付け（アセンブリ分解図） View)

推奨される取り付け順序

onsemi は、SiC E1B モジュールの熱性能と寿命を向上させるために、次の取り付け手順を推奨しています。

1. モジュールピンをプリント回路基板（PCB）にはんだ付けする
2. PCBをモジュールに取り付ける
3. モジュールをヒートシンクに取り付ける

あらかじめ組み立てられたネジ（ネジ、ワッシャー、ロックワッシャーの組み合わせ）を使用して、モジュールをヒートシンクに規定トルクで固定します。モジュールの裏面とヒートシンクの接合部間の適切な熱伝達は、システムにおけるパッケージ全体の性能にとって非常に重要であるため、はんだ付け工程全体を通してヒートシンクのサイズと表面を考慮する必要があります。図2を参照）.

1. モジュールピンをPCBにはんだ付けする
   E1B モジュールで使用されるはんだ付け可能なピンは、標準 FR4 PCB に対して Onsemi によってチェックされ、認定されています。
   PCB で他のコンポーネントのリフローはんだ付けプロセスが必要な場合は、高温にさらされるのを避けるために、モジュールを取り付ける前に PCB をリフローすることをお勧めします。

典型的なウェーブはんだ付けのプロfile 図4と表1に示します。
プリント基板の製造に他の取り扱い技術が使用される場合は、追加のテスト、検査、および認証が必要です。

PCB要件
最大厚さ4mmのFR2 PCB。
PCB 材料が標準要件を満たしているかどうかを確認するには、IEC 61249−2−7:2002 を参照してください。
ユーザーは、PCBスタック層を適切に設計するために最適な導電層を決定しますが、多層PCBがIEC 60249-2-11またはIEC 60249-2-1に準拠していることを確認する必要があります。
顧客が両面PCBを検討する場合は、IEC 60249-2-4またはIEC 60249-2-5を参照してください。

はんだピンの要件
高い信頼性のはんだ接合を実現するための重要な要素は、PCB 設計です。
PCB上のメッキスルーホールの直径は、はんだ付けピンの寸法に合わせて製造する必要があります。 （図3参照）.

AND90340
PCB の穴の設計が正しくない場合、潜在的な問題が発生する可能性があります。
最終的な穴の直径が小さすぎると、正しく挿入されず、ピンが破損して PCB が損傷する可能性があります。
最終的な穴径が大きすぎると、はんだ付け後の機械的・電気的性能が良好にならない可能性があります。はんだの品質については、IPC-A-610を参照してください。
ウェーブはんだ付けプロセスの温度プロのための推奨パラメータfileは、IPC-7530、IPC-9502、IEC 61760-1:2006 に基づいています。

図3. ヒートシンクに取り付ける前のPCBへのモジュールの取り付け

図4. 典型的なウェーブはんだ付けプロfile (EN EN 61760-1:2006 を参照)

表1. 典型的なウェーブはんだ付けプロセスFILE (EN EN 61760-1:2006 を参照)

モジュールへのPCBの取り付け

PCBをモジュールの上部に直接はんだ付けすると、特にはんだ接合部に機械的応力が発生します。これらの応力を軽減するために、PCBをモジュールの4つのスタンドオフに固定するためのネジを追加することができます。 図5参照.
モジュールは、PCB の厚さに応じて、セルフタッピング ネジ (M2.5 x L (mm)) と互換性があります。

スタンドオフ穴に入るねじ山の長さは、最小Lmin 4 mm、最大Lmax 8 mmにする必要があります。精度を高めるため、電子制御ドライバーまたは電動ドライバーの使用をお勧めします。


図5. E1BモジュールへのPCBの取り付け：（a）スタンドオフ付きE1B PCB取り付け穴、および（b）最大ねじ山嵌合深さ

PCB実装要件
1.5 mm の深さのスタンドオフ穴は、ネジの挿入ガイドとしてのみ機能し、力を加えないでください。

重要な要素は、事前締め付けおよび締め付けプロセスに許容されるトルクの量です。

• 仮締め = 0.2 ~ 0.3 Nm
• 締め付け = 最大0.5 Nm

図 6. E1B モジュールへの PCB の取り付け: セルフタッピング ネジの垂直位置合わせ (a) 位置合わせ済み、(b) 位置ずれあり。

モジュールをヒートシンクに取り付ける

ヒートシンク要件
ヒートシンクの表面状態は、熱伝達システム全体にとって重要な要素であり、ヒートシンクと完全に接触している必要があります。モジュール基板表面とヒートシンク表面は、実装前に均一で、清潔で、汚れのない状態にする必要があります。これは、ボイドの発生を防ぎ、熱インピーダンスを最小限に抑え、モジュール内で放散できる電力を最大化し、データシートに記載されている目標熱抵抗を達成するためです。ヒートシンクの表面品質は、DIN 4768−1に準拠した良好な熱伝導率を達成するために必要です。

• 粗さ（Rz）： ≤10m
• 長さ100 mmを基準としたヒートシンクの平坦度: ≤50 m

サーマルインターフェースマテリアル（TIM）
モジュール ケースとヒートシンクの間に使用される熱伝導性材料は、信頼性が高く高品質の熱性能を実現するための鍵となります。 E1Bのようなベースプレートのないモジュールには、熱伝導グリースや熱伝導ペーストは推奨されません。.
ヒートスプレッダとして機能する厚い銅ベースプレートがない場合、パワーサイクリングまたは温度サイクリング中にモジュールケースとヒートシンク間の TIM 層の熱膨張と収縮によってサーマルグリースがポンプアウトされ、TIM 層内のボイド形成が悪化し、モジュールのパワーサイクリング寿命に重大な悪影響を及ぼします。

その代わり、 E1B モジュールには相変化材料を使用した TIM が強く推奨されます。 図7は、1200V 100Aハーフブリッジモジュール（UHB100SC12E1BC3N）のパワーサイクル試験結果を示しています。試験方法は、サーマルグリースと相変化材料の100種類です。横軸はサイクル数、縦軸はTj_riseが12,000℃に達した際のデバイスVDSを示しています。赤い曲線はサーマルグリースを使用したパワーサイクル試験結果です。青い曲線は相変化材料を使用したパワーサイクル試験結果です。赤い曲線は、サーマルグリースのポンプアウト効果による熱抵抗の低下により、熱暴走が発生するまで1サイクルまでしか試験できません。同じE58,000Bモジュールで、ヒートシンクTIMに相変化材料を使用することで、XNUMXサイクルを超えるパワーサイクル試験結果が大幅に改善されています。

図8はパワーサイクリングテストの条件とセットアップを示しています。図7. E1Bモジュールのパワーサイクリング性能 ヒートシンクの異なるTIM：サーマルグリースと相変化材料

図8. E1Bモジュールのパワーサイクリングテスト（a）セットアップ、および（b）テスト条件

通常、機械的な実装後、相変化材料をオーブンで焼成し、TIMの相変化を促進してモジュールケースとヒートシンク間の微細な空隙をさらに埋め、モジュールケースからヒートシンクへの熱抵抗を低減します。上記の例では、amp図7および図8に示すように、デバイスの接合部から水への熱抵抗は、0.52℃で0.42時間ベーキング処理後、1℃/Wから65℃/Wに減少します。詳細な手順については、TIMサプライヤーにお問い合わせください。

注記： 異なるタイプの相変化材料については、最適なパフォーマンスを確保するために、TIM（相変化材料）ベンダーの指示に従って、顧客が追加で評価およびテストする必要があります。

モジュールをヒートシンクに取り付ける
取り付け手順は、モジュールとヒートシンク（間に相変化材料を介した）の効果的な接触を保証する重要な要素です。ヒートシンクとモジュールは、局所的な剥離を避けるため、全面的に接触しないように注意してください。表2は、ヒートシンクの取り付けに関するガイドラインをまとめたものです。

表2. onsemi SiC E1Bモジュールヒートシンクの取り付け推奨事項

その他の取り付けに関する考慮事項

実装されたモジュールのシステム全体を考慮する必要があります。モジュールがヒートシンクと回路基板に適切に取り付けられていれば、製品全体の性能が発揮されます。
PCB はモジュールにのみはんだ付けされるため、振動を最小限に抑えるための適切な対策も講じる必要があります。
はんだ付けが弱い端子は避けてください。個々のピンは、ヒートシンクに対して垂直な方向にのみ最大圧力と張力で負荷をかけることができます。また、PCBとヒートシンク間の適切な距離は、お客様のアプリケーションに応じて評価する必要があります。

PCBとモジュールへの機械的ストレスを最小限に抑えるために、特にPCBに重い部品がある場合は、スペースポストを使用することをお勧めします。 図9参照.

図9. E1BモジュールPCBとヒートシンクのスペースポストによる取り付け

スペースポストと PCB 取り付け穴の端の間の推奨寸法 (X) は 50 mm 以下です。
複数のモジュールを同一基板に実装する場合、モジュール間の高さのばらつきにより、はんだ接合部に機械的応力が生じる可能性があります。応力を最小限に抑えるため、スペースポストの推奨高さ（H）は12.10（±0.10）mmです。

クリアランスと沿面距離の要件

モジュールと PCB 間のアセンブリの機械的間隔は、IEC 60664-1 改訂 3 で要求されるクリアランスと沿面距離を満たす必要があります。図 10 に図を示します。
最小クリアランスとは、ネジの頭と PCB の底面との間の距離のことで、この領域での電気伝導を防ぐために十分な距離が必要です。
あるいは、適切なクリアランスおよび沿面距離の基準を満たすために、PCB スロット、コーティング、または特殊なポッティングなどの追加の絶縁対策を実施する必要がある場合もあります。

図10. ネジとPCB間のクリアランス

ネジの種類によって、PCBとの最小クリアランスギャップが決まります。ISO7045準拠のなべ頭ネジ、DIN 127B準拠の止めワッシャー、DIN 125A準拠の平ワッシャー、そしてclamp 図10に示す場合、距離は4.25mmとなります。標準的な空間距離および沿面距離はデータシートに記載されています。モジュールの空間距離または沿面距離に関する詳細については、アプリケーションサポートまたは営業・マーケティングまでお問い合わせください。

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