【導(dǎo)讀】本文檔旨在介紹如何正確裝配所有 VE-Trac Direct 系列的模塊，包括將散熱器貼裝到功率模塊以及將功率模塊和柵極驅(qū)動(dòng)器印刷電路板裝配所需的推薦工具、材料和組件。
使用模塊時(shí)，如果超出本指南中的限制和建議，用戶需要進(jìn)行額外的測試和驗(yàn)證。
適用于以下部件
圖1 VE-Trac Direct系列部件展示
簡介
VE?Trac Direct 是安森美 (onsemi) 專為電動(dòng)汽車 (EV) 主驅(qū)應(yīng)用設(shè)計(jì)的功率模塊系列，本文檔為使用該產(chǎn)品的 Si?IGBT 和 SiC MOSFET 版本的設(shè)計(jì)人員提供指南。其中還包括各種端子和散熱片變體。為了避免對組件造成不必要的機(jī)械應(yīng)力，請務(wù)必按照推薦的裝配順序?qū)⒐β誓K正確裝配到終端應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換器中。對于列出的每個(gè)步驟，請務(wù)必遵循本文檔的詳細(xì)指南。
圖 2. 示例 VE?Trac Direct 功率模塊頂視圖（右）底視圖（左）
壓合式組件的推薦裝配順序：
1. 將 PCB 對準(zhǔn)功率模塊
2. 將 PCB 壓入壓合式引腳
3. 準(zhǔn)備帶密封圈的散熱器
4. 將帶有 PCB 的功率模塊連接到散熱器
5. 將模塊固定到散熱器上
6. 將 PCB 固定到功率模塊
7. 將模塊端子連接到終端應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換器
帶焊接的壓合式引腳器件的推薦裝配順序：
1. 準(zhǔn)備帶密封圈的散熱器
2. 將功率模塊連接到散熱器
3. 將 PCB 與功率模塊對齊并插入，直到停在外殼安裝凸起處
4. 將 PCB 固定到功率模塊
5. 將壓合式引腳焊接到 PCB
印刷電路板(PCB)裝配
1 僅壓合式情況下的PCB要求
所有 VE?Trac Direct 功率模塊均采用獨(dú)特的壓合式引腳設(shè)計(jì)，適用于鍍錫的標(biāo)準(zhǔn) FR4 印刷電路板。PCB 雙面的材料都必須符合 IEC 60249-2-4 或 IEC 60249-2-5。對于多層 PCB，材料必須符合 IEC 60249-2-11 或 IEC 60249-2-12。壓合式引腳孔的要求總結(jié)如下，用于標(biāo)準(zhǔn) 1.6 mm 厚的 PCB 和在每個(gè)壓合式引腳孔周圍的組件禁入?yún)^(qū)：
圖 3. PCB 壓合式孔的定義和每個(gè)壓合式孔周圍的組件禁入?yún)^(qū)
應(yīng)該注意的是，在僅使用壓合式接口時(shí)，不建議通過開槽來減少壓合式引腳的受力。但是，如果要添加凹槽，則有必要將它們置于定義的禁入?yún)^(qū)之外。
下表總結(jié)了 1.6 mm 厚的兩層 PCB 的規(guī)格。插入和拔出所需的力在下一節(jié)中指定。
表 1. 壓合式情況下的 PCB 要求
除了壓合式孔外，PCB 上還需要有用于導(dǎo)銷的孔。下表列出了對導(dǎo)銷孔的要求。
表 2. 導(dǎo)銷要求
2 印刷電路板裝配工具
對于壓合式選項(xiàng)（如果焊接壓合式引腳則不需要），強(qiáng)烈建議使用工具將功率模塊貼裝到PCB ，以確保正確裝配而不損壞 PCB 或功率模塊。該工具本身由兩部分組成：頂部和底部（圖 4）。
該工具的底部由塑料制成，以避免損壞用于密封的關(guān)鍵底板表面。它被設(shè)計(jì)成一個(gè)托架，以適當(dāng)?shù)刂喂β誓K并保護(hù)引腳鰭片在 PCB 壓合式安裝過程中免受損壞。功率模塊底部的導(dǎo)銷確保模塊在底部工具中始終正確定位。
頂部工具圍繞每個(gè)壓合式引腳來支撐 PCB，以確保在壓入過程中在 PCB 上均勻傳遞力，而不會(huì)彎曲 PCB。該工具由鋼制成，可承受所需的壓入力。PCB 中每個(gè)壓合式引腳孔周圍的空心圓柱體確保頂部工具與 PCB 上的其他組件之間沒有機(jī)械干擾。由于模塊的 SiC 版本具有不同的壓合式引腳布局，因此有必要對 SiC 模塊的頂部工具進(jìn)行輕微修改。
圖 4. 顯示了適用于所有 Si-IGBT 版本模塊的 PCB 裝配工具
需要注意的是，頂部工具上的空心圓柱體的高度必須足夠高，以便它不會(huì)碰到 PCB 上最高的元件。在壓入過程中，頂部和底部工具必須相互平行，并在垂直方向施加力以完成壓入過程，將 PCB 連接到功率模塊。
下面的圖 5、7 和 8 提供了參考 PCB 插入工具的設(shè)計(jì)。參考工具的設(shè)計(jì)可根據(jù)特定的客戶系統(tǒng)進(jìn)調(diào)整，前提是關(guān)鍵概念保持不變。
圖 5. 底部工具的設(shè)計(jì)
圖 6. 實(shí)際 PCB 裝配工具的使用示例
圖 7. 專為 Si-IGBT 模塊的所有變體設(shè)計(jì)的頂部工具
圖 8. 適用于所有 SiC?Mosfet 模塊變體的頂部工具
圖 9. 用于 SiC 變體的頂部工具的詳細(xì)信息
3 壓合式裝配
功率模塊上的水平和旋轉(zhuǎn)定位銷可確保 PCB 在功率模塊上正確定位。這也確保所有壓合式引腳都與 PCB 上的壓合式孔對齊。使用上一節(jié)中描述的壓入過程，遵循表 3 和圖 10 中推薦的速度和力。圖 10 中所示的壓入力圖可以分為 3 個(gè)階段。在第一階段，壓合式引腳的“魚眼”正在塌陷，并在完全塌陷時(shí)達(dá)到頂峰。在第 2 階段，當(dāng)魚眼滑入 PCB 時(shí)，力會(huì)減小；在第 3 階段，PCB 會(huì)碰到模塊上的安裝點(diǎn)，任何進(jìn)一步增加的力都是不利的，并可能導(dǎo)致 PCB 組件損壞。圖的下部顯示了壓入過程中 PCB 上的應(yīng)變。應(yīng)變傳感器的位置已確定，力和應(yīng)變測量值與 PCB 在 x 軸上的位移對齊。
圖 10. 壓入的定義及壓入力與位置圖(該圖基于IGBT模塊，實(shí)際上SiC模塊還要多出6個(gè)壓合引腳，具體規(guī)格是不同的)
壓出操作和工具目前尚未驗(yàn)證，因此不推薦使用。
表 3. 推薦的壓入規(guī)格
4 帶焊接的壓合式引腳的PCB要求
安森美獨(dú)特的壓合式引腳設(shè)計(jì)使得功率模塊和 PCB 之間的連接具有極低的 FIT 率。這一優(yōu)勢主要來自于壓合式引腳在插入過程中能夠扭曲或暫時(shí)變形，從而在引腳和 PCB 上的電鍍通孔之間形成緊密而靈活且可靠的接觸。如果壓合式引腳在插入后焊接到 PCB 上，則會(huì)失去一些靈活性，并可能導(dǎo)致 FIT 率增加。因此，不推薦將壓合式引腳焊接到 PCB。
但是，如果強(qiáng)烈希望焊接壓合式引腳，請按照壓合式引腳部分開頭所述的 PCB 設(shè)計(jì)說明進(jìn)行操作，但需要忽略下表中列出的信息。
表 4. 焊接壓合式引腳的 PCB 要求
上述參數(shù)的說明見圖 3。將壓合式引腳焊接到 PCB 上會(huì)使機(jī)械組件的順應(yīng)性降低，因此 PCB 需要開槽以將焊點(diǎn)與模塊上裝配點(diǎn)的沖擊和振動(dòng)分開，并消除任何潛在的機(jī)械振蕩。
至關(guān)重要的是，在將壓合式引腳焊接到 PCB 時(shí)，裝配過程步驟應(yīng)按照本文檔第一部分中所列的進(jìn)行。
圖 11. 推薦用于 PCB 的開槽，與 Si IGBT 模塊一起使用，以最大限度地減少振動(dòng)的影響
建議僅使用烙鐵進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)焊接。對于表 1 中所述的 PCB 要求，遵循焊接方案的環(huán)形圈尺寸建議。只有在使用推薦的螺釘將 PCB 牢固地安裝到模塊后，才能嘗試焊接引腳。這最大限度地減少了焊接引腳上的機(jī)械應(yīng)力。根據(jù) IEC 68 第 2 節(jié)，焊接時(shí)間不得超過下表所示的值。必須調(diào)整烙鐵的功率、烙鐵頭尺寸和工作溫度，使其不超過規(guī)定的限值。焊接完成后，應(yīng)根據(jù) IPC-A-610G 對壓合式引腳檢查接合情況。
圖 12. 焊接壓合式引腳的示例說明
5 將PCB連接到功率模塊
只有在將功率模塊連接到散熱片組件后，才應(yīng)使用螺釘將 PCB 連接到功率模塊。螺釘?shù)拈L度應(yīng)根據(jù) PCB 的厚度來選擇。對于厚度為 1.6 mm 的典型 PCB，建議使用以下自攻螺釘類型和長度，推薦的扭矩和速度如表 5 所示：
表 5. PCB 安裝螺釘?shù)囊?guī)格
如圖 13 所示，PCB 安裝螺釘必須按照順序進(jìn)行。
圖 13. PCB 安裝螺釘順序
6 散熱片組件
模塊中耗散的功率必須有效地從模塊中移除，而不超過數(shù)據(jù)表中指定的模塊最大額定工作溫度。
為此，所有 VE?Trac Direct 模塊在模塊的隔離銅底板底部都有一個(gè)引腳鰭片陣列。冷卻液（例如乙二醇和水的 50/50 混合物）通過引腳鰭片結(jié)構(gòu)來為模塊散熱。
● 引腳鰭片結(jié)構(gòu)允許最大尺寸為 1.5 mm 的顆粒通過。
圖 14. 功率模塊底視圖，顯示引腳鰭片底板上的關(guān)鍵密封區(qū)域
7 三個(gè)套管要求
● 散熱器密封區(qū)域的粗糙度如圖 14 所示：≤ RZ25 (DIN EN ISO 1302)
● 模塊密封區(qū)域的散熱器平整度：≤ 50 μm
不滿足上述要求可能會(huì)損壞功率模塊或可能無法在模塊和散熱器之間形成適當(dāng)?shù)拿芊?。建議散熱器材料為 AlMgSi0.5 或與鍍鎳的銅底板兼容并能滿足應(yīng)用所需的機(jī)械應(yīng)力的其他替代材料。
8 密封
建議使用具有 EPDM 50 材料且符合圖 14 中所示規(guī)格的三重密封圈。所示示例由安森美設(shè)計(jì)，可從泉州勝達(dá)橡塑制品有限公司獲得。它設(shè)計(jì)用于安裝在散熱器中必須設(shè)計(jì)的凹槽中，如參考散熱器部分所示。
有多家供應(yīng)商提供類似的密封件以及更復(fù)雜的密封環(huán)，這些密封環(huán)具有對齊和鎖定功能，可防止密封環(huán)在組裝過程中移動(dòng)。建議的供應(yīng)商包括 Dichtomatik GmbH 和 Fabri?tech Components Inc。
請注意，本節(jié)中提到的密封件在功率模塊鑒定測試中運(yùn)行良好。但是，有必要由客戶進(jìn)行系統(tǒng)資格測試，以確定它是否滿足特定的應(yīng)用要求。
圖 15. EPDM O 形密封圈和散熱器凹槽的推薦圖紙
9 用于引腳鰭片底板模塊的參考散熱器
參考散熱器的設(shè)計(jì)可用作客戶開發(fā)自己的散熱器設(shè)計(jì)的指南。VE?Trac Direct 產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中顯示的熱數(shù)據(jù)均為使用該參考散熱器情況下的測量結(jié)果。只要滿足“散熱套管要求”部分中描述的最低要求，并且對熱阻/阻抗、壓降和流速進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)衡考慮，就可以采用不同的方式設(shè)計(jì)散熱器。因此，應(yīng)將圖 16 中所示的參考設(shè)計(jì)視為示例設(shè)計(jì)。
圖 16. VE?Trac Direct 系列功率模塊的參考散熱器設(shè)計(jì)
10 用于平面底板模塊的參考散熱器
對于模塊的平背版本，可以選擇使用帶界面材料的冷板（間接散熱），也可使用直接散熱選項(xiàng)，即冷卻劑與模塊底板直接接觸（參見圖 17）。
圖 17. 平背模塊的間接散熱與直接散熱
有一些供應(yīng)商，例如 Wieland Microcool，為間接散熱選項(xiàng)提供現(xiàn)成的解決方案。然而，間接散熱器與直接散熱方法在組裝方面不具有通用性。安森美為平背模塊的直接散熱提供參考解決方案。請參見圖 18，了解帶有菱形引腳鰭片式湍流器結(jié)構(gòu)的參考散熱器，該結(jié)構(gòu)旨在產(chǎn)生冷卻劑湍流，從而以最小的壓降更好地散熱模塊?？赏ㄟ^安森美銷售部門索取菱形引腳鰭片式散熱器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
圖 18. 用于平背模塊直接散熱的菱形引腳鰭片式散熱器
表 6. 直接與間接散熱在 10 LPM 時(shí)關(guān)鍵參數(shù)的性能比較
11 安裝五金件和方法
功率模塊底板設(shè)計(jì)為使用 M4 螺釘固定到散熱器上。標(biāo)準(zhǔn)螺釘 M4x10 ISO 4762 (DIN 912 A2) 和墊圈 M4 ISO 7090 (DIN 125 A2) 可與以下規(guī)格結(jié)合使用：
● 安裝扭矩：1.8 / 2.0 / 2.2 nm（最小值/典型值/最大值）
● 最大螺釘轉(zhuǎn)速：400 RPM
● 散熱器中的螺釘有效長度：6 mm
下表列出了推薦的螺釘列表。
表 7. 將功率模塊連接到散熱器的螺釘推薦列表
圖 19. 將功率模塊固定到散熱器的推薦螺釘
將功率模塊組裝到底板上時(shí)，請務(wù)必遵循圖 20 中所示的順序。這是固定螺釘?shù)奈ㄒ煌扑]順序。
圖 20. 功率模塊裝配散熱器的螺釘順序
為了使功率模塊正確裝配散熱器上，需要在裝配過程中固定模塊以防止模塊傾斜或旋轉(zhuǎn)。有兩種推薦的方法來固定模塊：
1. 多步螺釘安裝：螺釘 1 和 2 以最低扭矩 (0.4 – 0.6 Nm) 固定，以避免模塊在裝配過程中傾斜。后續(xù)的螺釘也以最低扭矩固定到位置 3 到 8。最后，再次按照順序 1?8 將螺釘擰緊到其最終指定的扭矩。
2. 模塊夾持方式：這種方法更適合大批量生產(chǎn)工藝。將帶有 PCB 組件的模塊放入散熱器后，在旋入過程中，可以用總大小為 FS = 2 kN 的力夾緊模塊?？梢栽?PCB 安裝螺釘孔所在的區(qū)域施加夾緊力，如圖 20 所示。
電源端子連接
將模塊電源端子連接到母線有多種選擇。銅電源端子經(jīng)過鍍錫處理，非常適合螺釘型緊固，包括自鎖緊固件和焊接工藝。
1 端子連接選項(xiàng)
可以采用不同的電源端子、母線、螺釘和螺母組合方式。一些可接受的疊層如圖 21 所示。
標(biāo)準(zhǔn) M4 自鎖螺母可用于電源端子上的 M5 螺孔。在這種情況下，使用 M4 螺釘將電源端子連接到母線。關(guān)于將功率模塊連接到母線，下面顯示了幾個(gè)端子連接選項(xiàng)示例。或者，您可以在母線上安裝一個(gè) M5 自鎖螺母并使用 M5 螺釘來固定連接。查看表 8 中的圖表以確定不同選項(xiàng)的正確扭矩。
圖 21. 裝配到功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的不同選項(xiàng)
表 8. 不同安裝選項(xiàng)的扭矩
2 限制
安裝過程應(yīng)形成一個(gè)系統(tǒng)，以限制電源端子在固定到母線上時(shí)所受到的力。圖 22 顯示了 25°C 時(shí)模塊電源端子和壓合式引腳在所有軸上的最大允許力。
圖 22. 模塊電源端子上允許的力和方向
系統(tǒng)組裝要求
1 爬電距離和間隙要求
應(yīng)注意不要違背產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中指定的模塊的爬電距離和間隙要求。額外的外部組件，如金屬散熱片、母線或緊固件，可能會(huì)無意中減少組件中的爬電距離和間隙距離。如圖 23 所示，務(wù)必要檢查組件，以確保滿足所需的最小爬電距離和電氣間隙。
圖 23. 最小爬電距離和間隙要求
2 電流傳感器集成
將相電流傳感器與模塊集成有多種選擇。LEM 的 HAH3DR 系列電流傳感器提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成選項(xiàng)。但這不是唯一的選擇。最終，電流傳感器的選擇取決于終端應(yīng)用的若干要求和功率轉(zhuǎn)換器的封裝設(shè)計(jì)。
視覺標(biāo)記
1 可追溯性和標(biāo)識(shí)
對于汽車應(yīng)用，材料的正確識(shí)別和可追溯性是保證質(zhì)量的一個(gè)重要方面。功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記如下圖 24 所示，并在表 9 中進(jìn)行了解釋。
圖 24. 模塊識(shí)別標(biāo)簽和標(biāo)記
大多數(shù)符合 IEC 24720 和 IEC 16022 標(biāo)準(zhǔn)的二維碼掃描儀都可以讀取這些二維碼。安卓智能手機(jī)上某些讀取二維碼的應(yīng)用程序也可以讀取模塊上的二維碼。
表 9. 模塊上視覺標(biāo)記的解釋
2 儲(chǔ)存和運(yùn)輸
運(yùn)輸和存儲(chǔ)模塊時(shí)需要小心，避免極端的沖擊、振動(dòng)和環(huán)境。應(yīng)遵循 IEC 60721?3?1 1K2 類的推薦存儲(chǔ)條件，存儲(chǔ)時(shí)間不應(yīng)超過 2 年。以下是推薦的存儲(chǔ)參數(shù)的摘要：
表 10. 推薦的儲(chǔ)存條件的摘要
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