【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，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，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，而不會彎曲 PCB。該工具由鋼制成，可承受所需的壓入力。PCB 中每個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，并在完全塌陷時達(dá)到頂峰。在第 2 階段，當(dāng)魚眼滑入 PCB 時，力會減??；在第 3 階段，PCB 會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，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的影響
建議僅使用烙鐵進(jìn)行手動/自動焊接。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。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，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，下面顯示了幾個端子連接選項(xiàng)示例?；蛘?，您可以在母線上安裝一個 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)形成一個系統(tǒng)，以限制電源端子在固定到母線上時所受到的力。圖 22 顯示了 25°C 時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
對于汽車應(yīng)用，材料的正確識別和可追溯性是保證質(zhì)量的一個重要方面。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 儲存和運(yùn)輸
運(yùn)輸和存儲模塊時需要小心，避免極端的沖擊、振動和環(huán)境。應(yīng)遵循 IEC 60721?3?1 1K2 類的推薦存儲條件，存儲時間不應(yīng)超過 2 年。以下是推薦的存儲參數(shù)的摘要：
表 10. 推薦的儲存條件的摘要
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