Bild 1: Pressfit ist eine niederohmige kaltverschweißte Verbindung.

Bild 1: Pressfit ist eine niederohmige kaltverschweißte Verbindung.Infineon

Die elektrische Verbindung zwischen Modulen und Leiterkarte wird normalerweise durch eine der drei Verbindungstechnologien hergestellt: Löten, Federkontakte oder Pressfit-Kontakte. Um die Produktionskosten zu senken und im Prozessablauf sowie bei der Umrichter-Entwicklung die nötige Flexibilität zu wahren, geht der Trend zu weniger Lötverbindungen. Die Zuverlässigkeit eines Pressfit-Kontakts ist im Vergleich zu den anderen Kontaktarten nachgewiesen klar besser und basiert auf einer gasdichten Kontaktfläche, die gegen klimatische Einflüsse und korrosive Umgebungen weitgehend immun ist. Möglich ist dies durch die plastische Verformung der Kontaktstelle bei der eine Kaltschweißverbindung entsteht. Dadurch ergibt sich ein sehr niedriger und stabiler Kontaktwiderstand, der die Technologie sowohl für hohe Ströme wie auch für empfindliche Signale mit niedrigem Pegel prädestiniert. Mit den genannten Vorteilen birgt Pressfit das größte Potenzial für die künftige Anwendung. InBild 1ist die Arbeitsweise der Kaltverschweißung bei Pressfit-Verbindungen dargestellt.

Einfache Montage durch Self Acting Pressfit

Dank der Pressfit-Kontakte und eines speziell optimierten Gehäuses eigenen sich die Smartpim- und Pack-Module in besonderer Weise für eine schnelle und robuste Montage in einem einzigen Schritt. Die Befestigung am und thermische Verbindung mit dem Kühlkörper, sowie der elektrische Kontakt mit der Leiterkarte werden in einem einzigen, schnellen Verarbeitungsschritt durch das Anziehen einer Schraube hergestellt. In Bild 2 ist diese Montage dargestellt und wird als „Self Acting Pressfit“ bezeichnet.

Bild 2: Selbsteinpressende Montage des Smartpim 1.

Bild 2: Selbsteinpressende Montage des Smartpim 1.Infineon

Während der Montage überträgt der Gegenhalter die Kraft der Schraube auf die Leiterkarte und drückt die Pressfit-Kontakte in die entsprechenden Löcher der Platine. Nach dem Festziehen der Schraube sind die Platine und das Modul zwischen Gegenhalter und Kühler fest fixiert. Daher kann in direkter Nähe des Moduls auf weitere Befestigungspunkte verzichtet werden.

Um verschiedene Leistungsbereiche abzudecken entsteht eine gesamte Familie von IGBT-Modulen mit insgesamt drei Modulgrößen. Die folgenden Tests wurden mit dem Smartpack 1-Modul durchgeführt, können aber auch auf Smartpack 2 und Smartpack 3 übertragen werden, da die mechanische Auslegung vergleichbar ist.

Smart bringt ein attraktives Rahmenprogramm

Während der Entwicklung der Module wurde ein besonderer Wert auf die mechanische Robustheit gelegt. Ein wichtiger Aspekt dabei war es die Keramik vor allen Verschraubungskräften und anderen äußeren Belastungen zu schützen. Dies ermöglicht der Duplex-Rahmen. Er besteht, wie in Bild 3 dargestellt, aus einem inneren Modulkern und einem äußeren Rahmen. Die Schraubkraft wirkt nur auf den äußeren Rahmen. Dieser ist über elastische Elemente mit dem inneren Modul verbunden. Die Schraube drückt das Modul also „nur“ indirekt gegen den Kühlkörper.

Bild 3: Schematische Darstellung des Smart Moduls: Die Anschraubkräfte werden auf den Rahmen Übertragen. Der innere, entkoppelte Modulkern ist dabei geschützt.

Bild 3: Schematische Darstellung des Smart Moduls: Die Anschraubkräfte werden auf den Rahmen Übertragen. Der innere, entkoppelte Modulkern ist dabei geschützt.Infineon

Das Thema Keramikbruch gibt es bei Smart-Modulen praktisch nicht. Grund ist die Entkopplung der Schraubenvorspannkraft zu der Keramik (DCB) durch ein Duplexrahmen-Prinzip. Die Verarbeitung der IGBT-Module ist damit äußerst unkompliziert. Ein Blick auf die Konstruktion dieses Rahmens in Bild 4 lässt erkennen, dass das Modul aus einem inneren Gehäuse und einem äußeren Rahmen besteht. Der innere Teil des Moduls ist mit dem äußeren Rahmen durch entkoppelnde Stege verbunden. Während des Einpressvorgangs setzt ab einer bestimmten Kraft der äußere Rahmen vollflächig auf dem Kühlkörper auf. Danach werden alle Kräfte vom äußeren Rahmen aufgenommen, ohne diese nach innen weiterzugeben. Die Finite Elemente Simulation in Bild 4 zeigt auf der linken Seite die Kraftverteilung und auf der rechten Seite die mögliche Verformung der Modulteile. Es ist direkt zu erkennen, wie der innere Modulkern vom Rahmen geschützt wird. Im Unterschied zur standardmäßigen Modulkonstruktion bedeutet diese Kraftentkopplung im Smart-Aufbau, dass der Modulkern vor den hohen Belastungen der Verschraubung geschützt ist, und weiterhin, dass die Wärmeleitpaste die nötige Zeit erhält, um in die Freiräume zu fließen, falls zu viel Paste appliziert wurde.

Bild 4: Der Duplexrahmen entkoppelt alle Kräfte und schützt das Modul.

Bild 4: Der Duplexrahmen entkoppelt alle Kräfte und schützt das Modul.Infineon

Um die Wirksamkeit des Smart-Konzepts sicherzustellen, wurden einige einfache Tests durchgeführt. Dabei wurde die Wärmeleitpaste wie in Bild 5 gezeigt absichtlich falsch aufgebracht. Die beispielhaft gezeigte falsche Aufbringung führte nicht zu Keramikbrüchen oder zu jedweden Schäden der DCB-Struktur oder des Moduls.

Die Tests wurden mit dem Nennanzugsmoment von 8,5 Nm, einer Drehzahl von 500 U/min und in einem einzigen Montageschritt durchgeführt. Bei vielen Tests mit deutlich überhöhten Drehmomenten von bis zu 20 Nm konnte das Innere des Moduls nie beschädigt werden. Ein Isolationsausfall konnte nie provoziert werden. Keramikbrüche wie sie in der Praxis bei anderen Modulen vorkommen, werden somit beim Smartpim 1 und Smartpack1 eliminiert.

Bild 5: Auch bei einer inhomogen, falsch aufgetragenen Wärmeleitpaste: Kein Problem für die Keramik.

Bild 5: Auch bei einer inhomogen, falsch aufgetragenen Wärmeleitpaste: Kein Problem für die Keramik.Infineon

Nach der Montage fixiert der Duplex-Rahmen die Platine rund um das Modul. Befestigungen der PCB in Modulnähe können folglich entfallen, da die PCB durch den Rahmen bereits fest am Kühlkörper fixiert ist. Alle Kräfte und mechanische Spannungen der Platine werden durch den äußeren Rahmen vom inneren Modulkern ferngehalten. Mechanische Belastungen wie Vibrationen sind demzufolge unter normalen Bedingungen für das IGBT-Modul als unkritisch anzusehen.

Zu Heiß gibt es nicht

Nach der Montage ist thermische Leistungsfähigkeit in Richtung Kühlkörper und damit der tatsächlich nutzbaren Leistung des Moduls die wichtigste Kenngröße. Wie gewöhnlich wurde der Wärmeübergang Rth vom Smart 1-Modul zum Kühlkörper im Gegensatz zu Mitbewerbern mit parallel betriebenen IGBTs gemessen, um Kopplungseffekte zu berücksichtigen und zu belastbaren Ergebnissen zu gelangen. Der resultierende Rthjh eines FP35R12U1T4, ein PIM-Modul (enthält Wechselrichter, Gleichrichter und Bremssteller Leistungsfunktion) mit 35 A Nennstrom und 1200 V Sperrspannung, beträgt 1,05 K/W – ein sehr guter Wert, insbesondere bei parallel betriebenen IGBT-Chips im Modul.

Während des Montageprozesses wird das Modul gegen den Kühlkörper gedrückt. Dabei wird die Kraft zur Optimierung des thermischen Übergangs vom äußeren zum inneren Gehäuse übertragen. Die über die gesamte Fläche des Moduls verteilten Pressfit-Pins drücken zusätzlich die DCB an den Kühlkörper.

Bild 6: Exzellente Verteilung der Wärmeleitpaste.

Bild 6: Exzellente Verteilung der Wärmeleitpaste.Infineon

Durch dieses Design ist die gleichmäßige Druckverteilung bei der Montage garantiert. Folglich ist der optimale thermische Widerstand durch das Design automatisch gegeben und nicht von äußeren Einflüssen wie dem Drehmoment abhängig. Die Schichtdicke der Wärmeleitpaste wird dabei auf wenige µm minimiert. Damit schimmert sogar das Kupfer des Modulbodens durch die Wärmeleitpaste hindurch. Eine typische Verteilung der Wärmleitpaste ist in Bild 6 dargestellt.