При виробництві, особливо серійному, силової перетворювальної техніки необхідно приділити увагу технологічним аспектам її виготовлення Саме на цьому етапі мають бути враховані специфічні технологічні прийоми, які дозволять виключити великий відсоток браку на виході готової продукції Звичайно, ми не будемо тут згадувати такі стандартні технологічні прийоми, як необхідність вхідного контролю надходять на складання електронних компонентів і механічних деталей, чистоту відмивання друкованих плат, надійність пайки, необхідність покриття вологозахисними лаками критичних до воді вузлів, загальну культуру виробництва Ці заходи очевидні, і на будь-якому підприємстві, що виробляє серійну електронну техніку, вони включені в систему якості Ми поговоримо про тих специфічних вимогах, які необхідно ввести в процес виготовлення потужних статичних перетворювачів

У попередньому розділі ми згадували про те, що силові напівпровідникові компоненти, як правило, встановлюються на елементи їх охолодження, які не тільки забезпечують механічну міцність перетворювальної схеми, але ще і забезпечують нормальний тепловий режим Оскільки поверхні, що сполучаються (підкладка напівпровідникового компонента і радіатор) мають деяку шорсткість, забезпечити хороший тепловий контакт простим притиском силових компонентів до радіаторів, як правило, не вдається Не допоможе тут і затяжка кріпильних гвинтів «до відмови» Більше того, ця «затяжка», яку обмежує лише фізичними можливостями, конкретного збирача і застосовуваного їм інструменту, чревата ушкодженням самих напівпровідникових модулів Тому для забезпечення хорошого теплового контакту застосовують теплопроводящие пасти, заповнюють нерівності поверхонь

Здавалося б, що може бути простіше процесу нанесення теплопроводящей пасти на поверхні, що сполучаються Адже ми щодня намазуємо маслом бутерброди Так за що ж тоді справа За допомогою пластини намазуємо на поверхню модуля теплопроводящую пасту з баночки, або видавлюємо її з тюбика, як крем, притискаємо модуль до радіатора, затягуємо гвинти, прибираємо ганчіркою видавлену-під модулів пасту і .. Стоп Такий підхід дійсно годиться лише за обіднім столом, а у виробництві (або ремонті) перетворювальної техніки потрібно надходити зовсім інакше Чому Виявляється, якщо поступати таким способом, теплопроводящая паста ляже на поверхню нерівно, в ній утворюються порожнечі, що анітрохи не зменшить тепловий опір між модулем і радіатором Більше того, там, де утворюються порожнечі, в процесі роботи модуля виникнуть локальні перегріви – а це прямий шлях до розтріскування керамічної підкладки напівпровідника при циклічному впливі температур Приклад невдало нанесеною термопасти показаний на рис 341 На цьому малюнку добре видно локальні порожнечі

Рис 341 Приклад невдало нанесеною термопасти

На жаль, деякі вітчизняні фірми не в належному ступені уваги ставляться до даної технологічної особливості монтажу силових напівпровідникових приладів Автору книги особисто доводилося бачити, як збирачі, не мудруючи лукаво, розмазують теплопроводящую пасту пальцями і до відмови затягують кріпильні гвинти модулів У результаті часто доводиться розбирати вже готові силові блоки, міняти чомусь (А ми тепер знаємо – чому) згорілі модулі, знову намазувати їх пастою і знову затягувати гвинти «до хрускоту суглобів»

Насправді подолати цю, здавалося б, «патову» ситуацію досить нескладно По-перше, необхідно забезпечити обробку сполучається поверхні радіатора з шорсткістю не більше 6 мкм (в ідеалі шорсткість по Ra краще витримати на рівні 2,5 мкм) і площинністю не гірше 30 мкм По-друге, рівномірно нанести теплопроводящую пасту тонким шаром, значення якого лежить в межах 20 .. 50 мкм По-третє, при установці модуля на радіатор потрібно дотримати максимальну паралельність його первинного притиснення І, по-четверте, затягнути кріпильні болти ключем з нормованим зусиллям (оснащеним механізмом «тріскачки»), дотримуючись рекомендацій по послідовності затягування, зазвичай приводиться в технічній документації на конкретний модуль

Яким чином рівномірно нанести теплопроводящую пасту на що сполучається поверхню силового модуля Як здійснювати контроль якості нанесення Найпростіший спосіб нанесення – це скористатися гумованим валиком і рівномірно «розкачати» пасту по поверхні Дана робота вимагає певного досвіду і періодичного контролю товщини шару, що наноситься Здійснити контроль товщини нанесеного шару можна за допомогою нескладного пристосування, яке випускається промислово, і його можна придбати у дилерів електронних компонентів Зовнішній вигляд двох виконань контрольного пристосування показаний на рис 342

Рис 342 Пристосування лля контролю Толшіна шару термопасти

Дане пристосування ставиться ребром на що сполучається поверхню модуля з нанесеною термопастою, потім його притискають до модуля і проводять по поверхні За залишками пасти на зубцях (вони відстоять отбазовой поверхні пристосування на нормовану величину, зазначену поруч з зубцем) можна судити про товщину нанесеного шару Результат правильного нанесення термопасти після зняття модуля з радіатора показаний на рис 343 Ми бачимо рівномірно розподілену пасту, відсутність пустот

Наведений спосіб нанесення термопасти годиться для одиничного і дрібносерійного виробництва, а також для ремонту перетворювачів в умовах обєкта, на якому він експлуатується Якщо ж

виробництво перетворювальної техніки виходить за рамки дрібносерійного, необхідно – з метою забезпечення стабільності технологічного процесу – використовувати інші, більш досконалі методи У цьому випадку виробники елементної бази рекомендують користуватися трафаретним друком На рис 344 показано пристосування для трафаретного друку У його складі є жорстке кріплення для силового модуля при його встановлення контактної поверхнею вгору Зверху на модуль опускається трафарет з нормованою товщиною та перфорацією у вигляді осередків круглої (шестигранною) структури На трафарет повинен бути заздалегідь нанесений тонкий шар пасти, а нанесення термопасти на модулі виконується мяким шабером подібно до того, як вирівнюють стіни звичайної будівельної сумішшю

У результаті на поверхні модуля утворюється структура, показана на рис 345 Для кращого розтікання пасти при притиску

Рис 344 Пристосування для трафаретного друку

осередки виконані з різним діаметром До слова, деякі фірми-виробники силових компонентів вирішили не перекладати завдання нанесення термопасти на плечі виробників кінцевого продукту, а поставляють модулі з уже нанесеною комірчастою структурою Зрозуміло, що звертатися з такими модулями в процесі доставки і виробництва потрібно вкрай дбайливо, щоб не зіпсувати тонку структуру шару пасти

Рис 346 Монтаж модуля в корпусі EconoDUAL-3

Тепер – про механічне монтажі силових модулів Для кріплення будь-яких силових модулів, особливо великогабаритних, необхідно використовувати сталеві гвинти високої твердості (наприклад, сталеві) з плоскими і стопорними шайбами Використання латунних гвинтів вкрай небажано, тому що з плином часу вони можуть «текти» – змінювати свою геометрію, що призведе до додаткових механічним напруженням і можливому розтріскування внутрішньої структури модулів Затягування кріпильних гвинтів повинна здійснюватися за схемою, яку виробники, як правило, приводять у своїй технічній документації Операція затяжки виконується в кілька проходів ключем з нормованим крутним моментом У перший прохід проводиться із зусиллям, складовим 10% від номінального, в другій – із зусиллям 30-40%, третій прохід є фінішним, з номінальним крутним моментом Між проходами дуже бажано витримати паузи, складові кілька хвилин, для поліпшення процесу розтікання теплопроводящей пасти

Класична схема затяжки модуля типу EconoDUAL-3, виробленого фірмою «Infineon», показана на рис 346 Затягування виконується в послідовності l-2-3-4, при цьому на першому етапі затягує зусилля становить 0,5 H • м, на другому – 2 H • м, а на третьому (фінішному) – не більше 3 .. 6 Н м Більш складний варіант для корпусу типу EconoPACK + наведено на рис 347 Тут затяжка відбувається за схемою 1 -2-3-4-5-6-7-8 з тими ж зусиллями Найбільш складний варіант – монтаж модуля в корпусі PrimePACK, наведений на рис 348

Тут операція кріплення підпорядковується схемою 1 – 2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14 Демонтаж модулів в разі необхідності виконується у зворотному порядку

Поговоримо ще про одну помилку, іноді зустрічається при конструюванні статичних перетворювачів Коріння її ховаються в тому обставину, що з вигляду силові модулі

Рис 347 Монтаж модуля в корпусі EconoPACK +

Рис 348 Монтаж модуля в корпусі PrimePACK

являють собою великогабаритні конструкції з потужними висновками, що володіють, на перший погляд, значною механічною міцністю Саме тому деякі конструктори намагаються використовувати ці уявні «Моноліти» в якості опорних точок кріплення, наприклад, конденсаторних блоків, потужних шин харчування, трансформаторів і дроселів Запамятайте: висновки силових модулів виконані потужними недлятого, щоб до них «Навішували» конструктивні маси, а виключно для забезпечення навантажувальних електричних режимів Тому конструктору необхідно тут забезпечити тільки електричний контакт, а заходи по кріпленню сполучених вузлом слід приймати поза модуля

Величина механічних зусиль, що докладаються до висновків модулів, зазвичай нормується у технічній документації На рис 349 показані типові значення зусиль для модуля в корпусі PrimePACK – на розтяг, стиск, крутіння, а на рис 3410 – ті ж дані для модуля в корпусі типу SKiM

Забезпечення нормальних механічних зусиль в даному випадку лежить цілком на конструкторі, які розробляють статичний перетворювач, тому більш-менш вдалі рішення залежать лише від

Рис 349 Нормування механічних зусиль для модуля в корпусі

PrimePACK

його кваліфікації, досвіду, технічних знань Велику допомогу в пошуку типових рішень може надати і документація, що надається фірмами-виробниками Наприклад, нарис 3411 показанотіповое технічне рішення для вихідних контактів модуля в корпусі EconoDUAL-3 Механічне напруження, створюване проводом большогосеченія, знімається меднимтоковедущімуголком, аосновноеусіліе тут відчуває ізолятор, прикріплений до радіатора

Інше рішення – створення токоведущей консолі, як показано на рис 3412

На закінчення розділу ми поговоримо про найнеприємніше – про наслідки виходу з ладу силових напівпровідникових приладів Не секрет, що навіть відмінно спроектовані і виготовлені статичний

Рис 3411 Варіант зняття механічних зусиль з висновків модуля

ські перетворювачі виходять з ладу на етапі експлуатації: через порушення режимів роботи, різних нештатних ситуацій типу попадання вологи, пошкодження захисних оболонок, некваліфікованих заходів з їх обслуговування Як це не здасться дивним, але розробник перетворювача повинен вжити заходів до мінімізації наслідків отказовдаже в разі виходу з ладу схем захисту

Досвід аналізу відмов, проведених виробниками силовий елементної бази, показує, що у випадку пробою силових ключових елементів струм короткого замикання пошкоджує всю Внутрімодульное «розводку», руйнується алюмінієва металізація кристалів, вигорає дріт, за допомогою якої кристали підключаються до зовнішніх висновків Як правило, внутрішній простір модулів заповнюється желеподібним захисним компаундом, і виникає електрична дуга спалює як сам компаунд, так і корпусні елементи Утворені продукти горіння викидаються назовні під високим тиском (оскільки корпус силового приладу загерметизований), найчастіше розламуючи корпус модуля В результаті можуть бути пошкоджені інші блізкостоящему компоненти (часом – вельми дорогі), і при ремонті їх також доведеться замінити Ось тому розробнику слід оцінити варіант можливого викиду продуктів горіння і не розміщувати в цій зоні (наскільки можливо) будь-які електронні елементи

Непоганим, але маловикористовуваній методом локалізації наслідків виходу з ладу силових модулів є включення між блоком конденсаторів і ключами інвертора нікоіндуктівних запобіжників типу fuse-IGBT, як показано на рис 3413 Конструкція

Рис 3414 Внутрішній устрій fuse-IGBT

fuse-IGBT показана на рис 3414 Запобіжник складається з декількох паралельно зєднаних шин для зниження паразитної індуктивності Зверху на нього надітий захисний кожух, що виключає викид розплавленого металу назовні Застосовувати такі запобіжники рекомендується на частотах перетворення не більше 5 .. 6 кГц

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил