Deckel unnötig Montage von Power-Modulen

In letzter Zeit haben immer mehr Power-Modul-Hersteller Produkte mit einer Ein-Schritt-Montagetechnik vorgestellt, um den Qualitätsanforderungen gerecht zu werden, die an das Endprodukt gestellt werden. Einige dieser Firmen bieten Module mit einem Loch in der Mitte des Gehäuses und einen Deckel an, um die Leiterkarte mit dem Modul und das Modul wiederum mit dem Kühlkörper in einem Schritt zu verbinden. Doch ein solcher Deckel hat so seine Nachteile. Kann man ihn loswerden?

Die meisten Power-Module auf dem Markt benötigen mehrere Montageschritte. Unter anderem muss eine Wärmeleitpaste auf die Module aufgetragen werden, die Module müssen auf den Kühlkörper montiert werden und die Modulpins müssen in die Leiterkarte gelötet werden. Letztendlich sollte das Modul noch zusätzlich mit der Leiterkarte fixiert werden, damit sich keine Vibrationen auf die Pins übertragen können. All dies benötigt Zeit und kostet Geld. Immer wieder taucht die Frage nach einfacheren und schnelleren Montageprozessen auf.

Hersteller von Power-Modulen haben reagiert und die Federkontakt- sowie die Einpresstechnologie entwickelt. Das Montieren des Moduls, der Leiterkarte und des Kühlkörpers reduziert den Aufwand und die Kosten.

Bild 1 zeigt die verschiedenen Teile solch eines Systems:

  • das bisherige Modul, optional mit Phasenwechselmaterial oder normaler Wärmeleitpaste,
  • die Leiterkarte, die für Federkontakte oder für Einpresspins designt sein kann, und
  • den Deckel.

Letzterer hält das komplette System, den Kühlkörper mit eingeschlossen. In diesem System gibt es keine andere Möglichkeit, als den nötigen Druck mittels eines Deckels durchgängig aufzubringen. Aber dieser Aufbau hat auch seine Nachteile: Der Deckel ist relativ schwer, da er hohe Kräfte aufnehmen muss. Des Weiteren muss er diese Kraft gleichmäßig auf die gesamte Fläche verteilen.

Häufig sind daher mehrere Verstrebungen in die Struktur eingebaut. Einige Systeme benötigen den Deckel nur während der Montage, andere benötigen diesen auch während des Betriebs. Größere Module haben meistens sogar zwei Löcher im Gehäuse, um die Zug- und Druckkräfte aufnehmen zu können. Jedoch machen Zwei-Schrauben-Lösungen eine Ein-Schritt-Montage (One Step Mounting, OSM) zunichte.

Der benötigte Platz für ein oder zwei Löcher im Gehäuse und damit auch in der DCB könnte wesentlich besser für Halbleiter genutzt werden. Verbindungen innerhalb des Moduls müssen um diese Löcher geführt werden, was die Streuinduktivität zusätzlich erhöht. Einige Module dieser Bauart weisen eine konkave Keramik auf. Der Raum zwischen Modul und Kühlkörper ist mit einen Wärmeleit-material aufzufüllen. Je mehr Material verwendet wird, desto schlechter ist der thermische Übergang zwischen Modul und Kühlkörper. Der Deckel bei diesen Modulen bietet weiterhin Einschränkungen was die Platzierung von Bauteilen oberhalb des Modules betrifft.

Anschraublaschen nutzen

Eine Antwort auf alle diese Einschränkungen ist ein Modul ohne Deckel und ohne Löcher in der Mitte des Gehäuses. Der Schlüssel hierzu ist die Verbindung zwischen Modul und Kühlkörper. Vincotech verwendet bei seiner Lösung weiter-hin die beiden Montagelöcher an den Stirnseiten des Moduls. Durch diese Anschraublaschen können konvexe DCBs zum Einsatz kommen.

Beide Laschen werden heruntergedrückt und so das Modul mit dem Kühlkörper fixiert. Während dieses Schritts drückt man die konvexe DCB gerade, und eine dünne Schichtdicke von Wärmeleitmaterial garantiert einen guten thermischen Übergang zum Kühlkörper. Bei einer wahren Ein-Schritt-Montage wird nicht nur das Modul mit dem Kühlkörper, sondern auch die Leiterkarte mit dem Modul in einem Schritt verbunden.

Die verwendeten Module basieren auf dem »flow«-Konzept des Unternehmens zusammen mit Einpresskontakten. Jedes Modul hat eine vorgebogene, konvexe Keramik und einen kleinen Absatz zwischen Anschraublasche und Keramik selber. Dies garantiert eine gute Langzeitstabilität, denn die resultierenden Kräfte, die der Absatz hervorruft, fließen über das Gehäuse in die DCB. Dank der flow-Technologie lassen sich alle Pins frei positionieren, was kundenspezifische Topologien umzusetzen hilft.

In dieser Technologie kommen Hülsen, die wie eine Art Dübel wirken, und Stifte anstatt Schrauben zum Einsatz (Bild 2).

Die Hülsen benötigen eine einfache Gewindebohrung im Kühlkörper und werden durch die Öffnungen der Laschen gedrückt, nachdem ein Wärmeleitmaterial auf die Module aufgetragen wurde. Der Aufdruck mittels Siebdruck oder Schablonendruck ist möglich, da sich die Module wie jedes andere »flow«-Modul handhaben lassen. Die Hülsen helfen beim Ausrichten des Moduls auf dem Kühlkörper. Danach wird die Leiterkarte aufgesetzt.

Die Stifte werden durch die Leiterkarte gesteckt und in die Hülsen gedrückt. Dabei haben die -Stifte mehrere Aufgaben: Eine spezielle Kontur am unteren Teil des Stiftes gewährleistet, dass die Laschen erst in Richtung Kühlkörper gedrückt werden, bevor der Stift dann anschließend die Hülse auseinanderspreizt. Damit ist das Modul mit dem Kühlkörper fixiert. Während die Stifte noch weiter in die Hülsen rutschen, wird die Leiterkarte aufgepresst. Zwei kleine Querspitzen am Kopf jedes Stiftes fixieren nochmals zusätzlich die Leiterkarte. Diese Aufbautechnologie basiert weiterhin auf allen Vorteile der »flow«-Technologie mit Einpresskontakten. Das Modul kann als letzter Schritt, nachdem alle anderen SMD- und THD-Komponenten auf der Leiterkarte bestückt wurden, in die Applikation gebracht werden.

Zuverlässigkeit gewährleistet

Die Zuverlässigkeit ist mit konventionellen Modulen gleichzusetzen. Diskrete Komponenten können weiterhin oberhalb und unterhalb des Moduls bestückt werden. All dies wird erreicht, indem lediglich das Loch der Abschraublaschen zur Aufnahme der Hülse vergrößert wird. Das ist der einzige Unterschied zu marktüblichen Modulen.

Der Lochdurchmesser lässt sich prinzipiell für alle »flow«-Module anpassen. Im Fokus stehen jedoch Module ohne Bodenplatte, da diese sensitiv in Bezug auf Kosten sind. Diese Aufbautechnologie löst ebenfalls Probleme, die bis jetzt als unvermeidbar galten - Luft- und Kriechstrecken auf der Leiterkarte, die auf Grund von Schrauben oder wegen Leiterbahnbreiten eingehalten werden müssen.

Die Stifte der neuen Technologie sind aus Kunststoff hergestellt.

Bedenken hinsichtlich des Abstands zwischen Leiterplatte und Schrauben zum Kühlkörper gibt es hier nicht mehr. Die Löcher in der Leiterplatte für die Kunststoffstifte sind wesentlich kleiner als die Löcher zur Durchführung eines Schraubenkopfes. Dies bedeutet mehr Freiheitsgrade beim Design der Leiterkarte. Bei der Demontage (Bild 3a und b) müssen als erstes die Querspitzen entfernt werden. Dies kann mittels eines normalen Seitenschneiders geschehen.

Als nächstes werden die Stifte komplett durch die Hülsen gedrückt. Das löst das Modul vom Kühlkörper. Anschließend lässt sich das Modul aus der Leiterkarte drücken.

Über den Autor:

Patrick Baginski ist Field Application Engineer bei Vincotech.