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应用笔记 AN 2010-06
V1.0, 2010年8月
EconoPACK™ 4 产品系列
安装说明/应用笔记
IFAG IPC MP
N 2010-03
2009
应用笔记 AN 2010-06
V1.0,2010年8月
版本 2010 年 8 月 6 日
英飞凌科技股份公司印制
59568 Warstein, Germany
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AN 2010-06
修订记录:日期(2010 年 8 月 6 日),V1.0
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作者:Roland Ott(IFAG IMM INP MP)
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目录
1
1.1
1.2
一般信息 .......................................................................................................................................... 4
一般应用信息................................................................................................................................... 4
静电敏感元件的处理 ........................................................................................................................ 4
2
对印刷电路板的要求 ........................................................................................................................ 4
3
3.1
3.2
3.3
压入过程 .......................................................................................................................................... 6
压入工具 .......................................................................................................................................... 7
压入力度 .......................................................................................................................................... 7
额外加固印刷电路板 ........................................................................................................................ 8
4
压出过程 .......................................................................................................................................... 9
5
模块装配对散热器的要求 .............................................................................................................. 10
6
6.1
6.2
导热界面材料的涂敷 ...................................................................................................................... 10
采用丝网印刷术涂敷导热膏 ........................................................................................................... 10
替代方法:借助滚筒或抹刀涂敷导热膏 ......................................................................................... 12
7
7.1
7.2
将模块安装到散热器上 .................................................................................................................. 12
用于将模块安装到散热器上的螺丝 ................................................................................................ 12
将模块安装到散热器上 .................................................................................................................. 12
8
将母线排连接至电源端子 .............................................................................................................. 14
8.1 连接电源端子时实现理想的应力消除 .......................................................................................................... 15
9
机械负载(振动和冲击) .............................................................................................................. 16
10
IGBT 模块的贮存和运输 ................................................................................................................ 16
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1
一般信息
1.1
一般应用信息
通过在生产过程中执行适当的可靠性测试和 100%最终测试,确保符合英飞凌 IGBT 模块要求。
IGBT 模块产品数据表和应用笔记中给出的最大值,均为不得超出的规定限值,哪怕只是短时超限也不
允许,因为这会导致元件损坏。
本应用笔记未能涵盖所有不同应用和应用条件。因此,应用笔记不能替代用户执行的细致深入的技术评
估和检查。因此,不论在任何情况下,应用笔记均不应构成任何供应商同意的保证的一部分,除非供应
协议以书面方式另行规定。
1.2
静电敏感元件的处理
IGBT 模块是静电敏感元件。静电放电(ESD)可能导致这些模块被过早损坏甚至毁坏。
为了防止静电放电造成元件毁坏或过早损坏,所交付的元件均采用了适当的静电防护封装,符合公认的
ESD 法规要求。
要拆卸静电防护装置,处理未受保护的模块,必须在符合 ESD 法规要求的工作场所中执行。如需了解
更多信息,请参考诸如 IEC 61340-5-1 和 ANSI/ESD S2020 等 ESD 安装准则。
2
对印刷电路板的要求
英飞凌科技股份公司业已对 EconoPACK™4 模块采用的 PressFIT 技术进行了检查和测试,证明其适用
于具备“化学镀锡”表面的标准 FR4 印刷电路板(依照 IEC 60352-5 + IEC60747-15 标准)。如果印
刷电路板采用了其他生产工艺,则需另行测试和检查,以证明合乎其质量要求。
对印刷电路板(PCB)所用材料的要求是:
达到 IEC 60249-2-4 或 IEC 6249-2-5 标准的双面 PCB 电路板
达到 IEC 60249-2-11 或 IEC 60249-2-12 标准的多层 PCB 电路板
为了确保 PCB 板孔与 PressFIT 引脚之间的良好接触,板孔必须符合表 1 所列技术规格。
如果 PCB 板孔的技术规格仅符合终孔尺寸(即,金属镀层孔),那么,取决于 PCB 电路板制造商及其
生产能力,不同制造商可能采用不同的钻孔尺寸和金属镀层厚度。这会产生不同结果,从而影响电触点
的质量。为此,建议遵循表 1 所列全部准则。
此外,建议采用直径为 1.15 毫米的钻头在 PCB 电路板上钻孔,而不要进行铣削。经验表明,由于所用
主轴的振摆公差以及 FR4 材料的收缩,铣削而成的终孔直径通常在 1.12 毫米到 1.15 毫米之间。
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最小值
典型值
钻孔直径
1.12 毫米
1.15 毫米
孔内铜镀层厚度
>25 微米
最大值
<50 微米
孔内金属镀层
<15 微米
终孔直径
0.94 毫米
铜镀层厚度
1.09 毫米
35 微米
70 微米- 105 微米
PCB 电路板金属镀层
镀锡(化学)
引脚金属镀层
镀锡(电镀)
400 微米
表 1:对印刷电路板的要求
如果孔内铜镀层厚度在 25 微米到 50 微米之间,化学镀锡层厚度为 1 微米左右,则可实现试验所得终孔
直径。相比于诸如 HAL 印刷电路板等材料,FR4 的镀锡层更薄,因此,所得直径值总是大于 IEC
60352-5 标准规定的 1 毫米。考虑到钻孔直径、铜镀层厚度和镀锡层厚度,终孔直径一般在 1.02 毫米到
1.09 毫米之间。
钻孔
1,15 -0,03 毫米
1,15
-0,03
毫米
钻孔内的铜镀层
环孔最小直径 0,2 毫米
铜镀层厚度,最小值 25 微米,最大值 50 微米
Cu
钻孔直径
镀锡层厚度最大值 15 微米
化学镀锡层厚度典型值 1 微米
最小值 0.94 毫米
最大值 1.09 毫米
图1
最小值 0.94 毫米;最大值 1.09 毫米
印刷电路板的结构
PressFIT 技术经检验,符合 FR4 印刷电路板材料的质量要求。
在印刷电路板上执行完毕回流焊接工艺之后,仍可将模块压入电路板中。PressFIT 引脚的保持力并未减
弱。
同 Easy 和 Econo PressFIT 模块一样,每个引脚中部与 PCB 电路板上的其他元件之间的距离必须达到
5 毫米。利用用户开发的按压工具,在将元件放置到 PCB 电路板上时,也必须考虑到这个尺寸要求。
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PressFIT 模块可以更换最多两次。这家意味着印刷电路板总共可以重复使用三次。在这种情况下,正确
处理元件至关重要。
已经被压入,然后又被压出的模块,不能再次被压入。相反,可将该模块焊接到新的 PCB 电路板上。
PressFIT 引脚塑性变形,不允许再次压入。
3
压入过程
PressFIT 模块通过压入,插入到印刷电路板中。既可以采用简单的曲柄压机,也可以采用专门的机
器,执行压入。建议采用可记录力度值和移动距离的压入工具,因为这能确保恒定的质量。这样做可以
确保质量始终如一。依照 IEC 60352-5 标准,压入速度应在 25 毫米/分钟到 50 毫米/分钟之间。
请注意,在压入过程中,印刷电路板的放置区与压板的压力区必须相互平行。压板应当固定就位并通过
等速运动,将模块压入印刷电路板中。
压入过程中,模块引脚应当插入印刷电路板,直至模块外壳的承力面接触到 PCB 电路板。
为了在压入过程结束时限制力度,可以在压入工具的上半部加装弹簧。可以根据引脚数量和相应的最小
压入力度,调节压入工具的弹簧加载力度。有时候可能不需要弹簧,特别是当压入力度受到控制和限制
时。
下面的演示图所示为在英飞凌科技股份公司的实验室中执行的将 EconoPACK™ 4 模块压入电路板的过
程。
步骤 1:
步骤 2:
步骤 3:
对齐压机,以确保该工具的上下
将 PCB 电路板和模块放入工具。
通过将工具的上半部向下移动,将
两个部分相互垂直。
可利用工具导板进行定位。
模块的 PressFIT 引脚压入 PCB
电路板中。
图2
EconoPACK™ 4 模块压入过程示例
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3.1
压入工具
英飞凌专为 EconoPACK™4 和 EconoBRIDGE™4 模块开发了一个示范压入工具。图 3 所示即为该压入
工具。可通过英飞凌的正常渠道,索取该工具的图纸。用户必须测试并检验该工具是否适用于特定安装
过程和应用。
针对特定 PCB 电路板调节该工具或开发新工具时,必须考虑到位置接近工具承力面的 PCB 电路板元
件,以防压入过程损坏这些元件。
图3
适用于 EconoPACK™ 4 和 EconoBRIDGE™ 4 模块的压入工具示例
3.2
压入力度
要将模块压入印刷电路板,必须对模块的每个引脚施以约 70N 到 90N 之间的力。压入力度取决于 PCB
板孔直径。由于 EconoPACK™4 模块具备 15 个 PressFIT 引脚,因此,典型的最小压入力度为 1.2kN
左右。
最小值
典型值
钻孔直径
1.15 毫米
压入速度
25 毫米/分钟
孔内铜镀层厚度
每个引脚的典型压入力度
表2
最大值
25 微米
50 微米
70N
90N
典型压入力度
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额外加固印刷电路板
3.3
压入过程结束后,建议采用机械方法加固模块与印刷电路板之间的接触区。可以利用自攻螺丝或类似的
紧固方法,通过模块上的 4 个 PCB 电路板安装支脚(请参见图 4),将 PCB 电路板安装到模块上,以
加固接触区。除用手拧紧螺丝,将 PCB 电路板安装到安装孔中之外,最好使用有扭矩限制的电子控制
螺丝刀,或至少缓慢旋转的电动螺丝刀(U  300U/分钟)来执行这个操作。
由于不精确,我们不建议使用气动螺丝刀。
图4
EconoPACK™ 4 模块上的 PCB 电路板安装支脚(红色圈出)
取决于所安装的具体 PCB 电路板的厚度和重量,拧入 PCB 电路板安装支脚内的有效螺纹长度应当至少
为 lmin  4 毫米,且最长不超过 lmax  10 毫米。

A. Correctly assembled
PCB
B. Incorrectly positioned screw
screw
screw
PCB
Modul
图5
Modul
A. 正确地将螺丝拧入 PCB 电路板安装支脚
B. 将螺丝拧入 PCB 电路板安装支脚的位置错误
安装支脚上半部的 1.5 毫米仅用作引导,不能受力。螺丝拧入的过程中,塑料内壁上将自动形成螺纹。
推荐的自攻螺丝为,例如:
- Ejot
PT WN 1451 K25x10 A2K : Mmax = 0.65Nm  10%
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- Ejot DELTA
PT WN 5451 K25x10
: Mmax = 0.65Nm  10%
为避免安装支脚损坏或破裂,必须在安装过程中将螺丝垂直插入安装支脚(图 5)。
推荐的螺丝和扭矩基于实验室试验。取决于所使用的螺丝和工具,有必要相应地调整安装过程。
4
压出过程
英飞凌专为 EconoPACK™4 和 EconoBRIDGE™4 模块开发了一个示范压出工具。图 6 所示即为该压出
工具。可通过英飞凌的正常渠道,索取该工具的图纸。用户必须测试并检验该工具是否适用于特定安装
过程和应用。
针对特定 PCB 电路板调节该工具或开发新工具时,必须考虑到位置接近工具承力面的 PCB 电路板元
件,以防压出过程损坏这些元件。
图6
适用于 EconoPACK™ 4 和 EconoBRIDGE™ 4 模块的压出工具示例
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模块装配对散热器的要求
5
在开关(Tvjop)过程中,必须通过散热器,消散模块产生的功率损耗,以免超过数据表中规定的最高允
许温度。详细信息请参阅应用笔记 2008-01《结温值定义和使用》。
模块安装区内的散热器表面条件极其重要,因为散热器与模块之间的导热界面,对将热量从模块传递到
环境中的效率有显著影响。
模块底板与散热器表面之间的接触面,必须保持良好状态、无污染,并应采用新的无纺布进行清洁。
模块底板与散热器之间的接触面,不得超过下列值,参考长度 L = 100 毫米:
-
表面平坦度 50m
-
表面粗糙度 Rz  10m
散热器必须具备足够的刚性,以满足装配和随后的装运要求,不对模块的底板造成额外的应力或拉力。
在整个装配过程中,特别是当 PCB 电路板与散热器相连时,不得弯折散热器。
6
导热界面材料的涂敷
由于模块底板和散热器各自具备不同的表面形状,两个结合面之间必然存在空隙。为了消散模块产生的
功率损耗,也为了高效地将热流从芯片导入散热器,必须采用导热界面材料(TIM)将这些间隙或空腔
填实。最优层厚可以将所有空气挤出,但却不能防止模块底板与散热器表面之间发生金属间接触。
在涂敷导热膏(TCP)时,必须确保均匀涂敷。
应当选择具备永久弹性的 TIM,以确保始终如一的良好导热热阻。填塞 TIM 时应当避免污染螺孔,以确
保不影响螺杆力矩。
6.1
采用丝网印刷术涂敷导热膏
人工涂敷导热膏,要确保厚度仅为数微米的涂层均匀一致,绝非易事。人工涂敷形成的导热膏层在均匀
性和可重复性方面,始终令人存疑。因此,建议采用丝网印刷术,涂敷导热膏(请参见图 7)。除均
匀、可重复地涂敷导热膏之外,这种方法还允许针对单独模块,调节导热膏的分布。
可通过英飞凌的正常渠道,索取针对特定模块的丝网印刷模板图纸建议书。用户必须测试并检验该模板
是否适用于特定 TCP 以及装配过程和应用。
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B. 涂敷导热膏
A.丝网印刷设备
TCP 模板
模块底板
图7
A. 用于涂敷 TCP 的丝网印刷设备示例
B. 借助丝网印刷模板涂敷 TCP
图 8 所示为采用丝网印刷术涂敷的导热膏在 EconoPACK™ 4 模块上的典型分布。
图8
采用丝网印刷术涂敷了导热膏之后的 EconoPACK™4 模块底板
关于借助丝网印刷模板来涂敷导热膏的更多信息,请参阅应用笔记 AN2006-02《借助丝网印刷模板对英
飞凌模块涂敷导热膏》。
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6.2
替代方法:借助滚筒或抹刀涂敷导热膏
如果无法采用推荐的丝网印刷术来涂敷导热膏,则应借助滚筒或抹刀来涂敷导热膏。所涂敷的导热膏的
层厚,一般应在 50 微米到 100 微米之间。
原则上,取决于厚度 d,可将所需导热膏量,换算为下列体积:
d = 50µm  VTCP  0,4cm
3
d = 100µm  VTCP  0,8cm .
3
既可以借助注射剂来测量体积,也可以从软管中挤出。
可以借助通用滚筒或细齿抹刀来涂敷导热膏。遗憾的是,由此形成的导热膏层在均匀性和可重复性方
面,始终令人存疑。为确保和检验装配过程合乎质量要求,以及在培训期间,可借助湿膜梳来控制导热
膏的厚度。
7
将模块安装到散热器上
7.1
用于将模块安装到散热器上的螺丝
建议采用下列工具来安装模块:至少达到 DIN912 (ISO4762)、ISO 7380、DIN6912 和 DIN7984 等标准
中规定的 6.8 级性能的 DIN M5 螺栓;加上符合 DIN433 或 DIN125 标准的适用垫圈和弹性垫圈,或者
与之相当的组合垫圈。
EconoPACK™ 4 模块数据表中规定的间距和爬电距离是未装配、未连接的模块上的最短间距和爬电距
离。
在开发阶段,依照有效标准,为安装模块选择适用的 M5 螺丝、垫圈和弹性垫圈时,建议考虑所形成的
电源端子与最近的螺丝头或垫圈之间的间距和爬电距离。
7.2
将模块安装到散热器上
安装模块时,必须遵循允许的容差。相关数据表上给出了详细的信息和模块图纸。
装配过程造成的模块对散热器的夹紧力,取决于所施加的力矩和散热器的条件。数据表中规定的下列力
矩值,是采用钢质螺丝在具备 M5 气密螺纹的铝质散热器上测得,其典型摩擦系数为 µG=0,2…µG=0,25
(µG=散热器内部螺纹的摩擦系数):
Mmin=3Nm 至 Mmax=6Nm.
必须遵循推荐的操作顺序,采用规定的力矩,将模块紧固螺丝一律拧紧。
螺丝和/或散热器材料的其他组合,可能要求调节这些机械参数。
为确保模块与散热器之间良好的导热接触,建议在拧紧 4 颗 M5 紧固螺丝时,遵循下列操作步骤:
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1. 将涂敷了导热膏的模块,放置在散热器上并用螺丝固定。
2. 按下列顺序,以 0.5Nm 力矩,固定螺丝(用手拧紧,交叉执行)(请参见图 9)。
螺丝编号:1 – 2 – 3 – 4
3. 按同样的顺序,以 3Nm – 6Nm 力矩,拧紧螺丝(交叉执行)。
螺丝编号:1 – 2 – 3 – 4
取决于所用导热膏的粘度,可能要求执行一个中间步骤 2a,特别是对于高粘度导热膏。这个额外的操
作步骤将允许导热膏在装配过程中,根据模块底板和散热器的形状合理分布。取决于所用的导热膏,等
待一段时间之后,再执行步骤 3。
2.a. 按同样的顺序,以 2Nm 左右力矩,拧紧螺丝(交叉执行)。
螺丝编号 1 – 2 – 3 – 4
图9
将模块安装到散热器上时拧紧螺丝的顺序
在使用导热膏时,可能有必要(取决于导热膏的类型)在加热试验之后,检查紧固螺丝的正确拧紧力矩
值。在使用导热薄膜来代替导热膏时,强烈建议执行这项额外检查。应用笔记和所给出的力矩值,仅当
使用导热膏时有效。因此,绝对有必要采用所拟使用的导热薄膜,自行执行试验和测量!
在选择用在模块与散热器之间的导热界面材料时,应当考虑其导热接触性能和长期稳定性,并咨询导热
界面材料才生产商。
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8
将母线排连接至电源端子
连接模块时,必须遵循单独数据表中给出的允许容差。
应当将直流电源侧,连接至采用层压材料的母线排,以最大限度地降低杂散电感,使开关过冲电压保持
尽可能低。必须确保依照相关数据表,严格遵守关于电源端子和 IGBT 芯片上的最高允许电压的规定
(请参见 RBSOA)。
连接电源端子时,要求采用至少达到 6.8 级性能的 DIN M6 螺丝,加上适用的垫圈和弹性垫圈,或者完
整的的组合垫圈。应当采用推荐力矩,将之拧紧:
Mmin=3Nm 至 Mmax=6Nm.
在选择螺丝长度时,必须从螺丝总长度中扣除连接部分的层厚。旋入模块螺纹的有效长度,不得超过规
定的最大深度 10 毫米。
将连接部分安装在电源端子上时,必须确保在装配过程或后来的操作中,不会超过规定的力度(请参见
图 10)。
Fz+ < 100N
Fy- < 100N
Fx+ < 100N
Fy+ < 100N
Fx- < 100N
Fz- < 500N
图 10:EconoPACK™4 模块电源端子上的最大允许拉力和推力
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8.1 连接电源端子时实现理想的应力消除
连接电源端子时,要尽可能最彻底地消除应力,推荐使用示意图图 11 或 12 中所示装配工具。
考虑到所有容差,安装块应比电源端子高度低 0.5 毫米左右,以便对电源端子施以理想的预加张力,特
别是避免在 Fz+方向上产生有害的永久性力量(请参见图 10)。
F
fixing block
x
fan
图 11
X- 0,5mm
height A
heat sink
可实现理想的应力消除的 EconoPACK™ 4 装配工具示意图 1
copper
module
copper
0026
plastic fixing
blockk
screw
heat sink
cable lug
cable
图 12
fixing block
可实现理想的应力消除的 EconoPACK™ 4 装配工具示意图
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screw
heat sink
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机械负载(振动和冲击)
EconoPACK™ 4 模块结构牢固,其开发阶段明确强调了要在应用中实现最出色的机械强健性。
然而,本应用笔记第 8 节中给出的电源端子上的拉力和推力的最大允许值,以及第 3.2 节中给出的辅助
端子上的压入力的最大允许值,均为安装过程中的一过性机械负载值。
持续的机械负载,特别是振动和冲击,对模块产生的影响,严重依赖于逆变器的机械设置以及应用中的
负载模式,不能一概而论。
用户必须采用其应用的机械设置和具体的机械负载模式,对模块在这种特定机械负载下的运行能力进行
测试和检验。
10
IGBT 模块的贮存和运输
在模块的运输和贮存期间,必须避免受到冲击或振动产生的极端力量,还应避免极端的环境影响。
可以在数据表规定的温度限值内贮存模块,但不建议这样做。
应当在推荐的最长两年贮存期限内,确保符合 TR14 中推荐的贮存条件。
如果是在推荐的条件下贮存,在进行装配之前,EconoPACK™ 4 模块无需像离散器件(如,单片机、
TO 壳等等)那样进行预先干燥。
- 16 -
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