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LeistungselektronikBild 4: DerDuplexrahmenentkoppeltalle Kräfteund schütztdas Modul.Bild 5: Auch bei einerinhomogen, falschaufgetragenenWärmeleitpaste: keinProblem für die Keramik.Bild 6: ExzellenteVerteilung der Wärmeleitpaste.Smart bringt ein attraktives RahmenprogrammWährend der Entwicklung der Module wurde ein besonderer Wertauf die mechanische Robustheit gelegt. Ein wichtiger Aspekt dabeiwar es die Keramik vor allen Verschraubungskräften und anderenäußeren Belastungen zu schützen. Dies ermöglicht der Duplex-Rahmen. Er besteht, wie in Bild 3 dargestellt, aus einem innerenModulkern und einem äußeren Rahmen. Die Schraubkraft wirktnur auf den äußeren Rahmen. Dieser ist über elastische Elementemit dem inneren Modul verbunden. Die Schraube drückt das Modulalso „nur" indirekt gegen den Kühlkörper.Das Thema Keramikbruch gibt es bei Smart-Modulen praktischnicht. Grund ist die Entkopplung der Schraubenvorspannkraft zuder Keramik (DCB) durch ein Duplexrahmen-Prinzip. Die Verarbeitungder IGBT-Module ist damit äußerst unkompliziert. EinBlick auf die Konstruktion dieses Rahmens in Bild 4 lässt erkennen,dass das Modul aus einem inneren Gehäuse und einem äußerenRahmen besteht. Der innere Teil des Moduls ist mit dem äußerenRahmen durch entkoppelnde Stege verbunden. Während desEinpressvorgangs setzt ab einer bestimmten Kraft der äußere Rahmenvollflächig auf dem Kühlkörper auf. Danach werden alle Kräftevom äußeren Rahmen aufgenommen, ohne diese nach innenweiterzugeben. Die Finite Elemente Simulation in Bild 4 zeigt aufder linken Seite die Kraftverteilung und auf der rechten Seite diemögliche Verformung der Modulteile. Es ist direkt zu erkennen,wie der innere Modulkern vom Rahmen geschützt wird. Im Unterschiedzur standardmäßigen Modulkonstruktion bedeutet dieseKraftentkopplung im Smart-Aufbau, dass der Modulkern vor denhohen Belastungen der Verschraubung geschützt ist, und weiterhin,dass die Wärmeleitpaste die nötige Zeit erhält, um in die Freiräumezu fließen, falls zu viel Paste appliziert wurde.Um die Wirksamkeit des Smart-Konzepts sicherzustellen, wurdeneinige einfache Tests durchgeführt. Dabei wurde die Wärmeleitpastewie in Bild 5 gezeigt, absichtlich falsch aufgebracht. Diebeispielhaft gezeigte falsche Aufbringung führte nicht zu Keramikbrüchenoder zu jedweden Schäden der DCB-Struktur oder desModuls.Die Tests wurden mit dem Nennanzugsmoment von 8,5 Nm, einerDrehzahl von 500 U/min und in einem einzigen Montageschrittdurchgeführt. Bei vielen Tests mit deutlich überhöhtenDrehmomenten von bis zu 20 Nm konnte das Innere des Modulsnie beschädigt werden. Ein Isolationsausfall konnte nie provoziertwerden. Keramikbrüche, wie sie in der Praxis bei anderen Modulenvorkommen, werden somit beim Smartpim 1 und Smartpack1eliminiert.Nach der Montage fixiert der Duplex-Rahmen die Platine rundum das Modul. Befestigungen der PCB in Modulnähe könnenfolglich entfallen, da die PCB durch den Rahmen bereits fest amKühlkörper fixiert ist. Alle Kräfte und mechanische Spannungender Platine werden durch den äußeren Rahmen vom inneren Modulkernferngehalten. Mechanische Belastungen wie Vibrationensind demzufolge unter normalen Bedingungen für das IGBT-Modulals unkritisch anzusehen.Zu heiß gibt es nichtNach der Montage ist thermische Leistungsfähigkeit in RichtungKühlkörper und damit der tatsächlich nutzbaren Leistung des Modulsdie wichtigste Kenngröße. Wie gewöhnlich wurde der WärmeübergangR thvom Smart 1-Modul zum Kühlkörper im Gegensatzzu Mitbewerbern mit parallel betriebenen IGBTs gemessen,um Kopplungseffekte zu berücksichtigen und zu belastbaren Ergebnissenzu gelangen. Der resultierende R thjheines FP35R12U1T4,ein PIM-Modul (enthält Wechselrichter, Gleichrichter und BremsstellerLeistungsfunktion) mit 35 A Nennstrom und 1200 V Sperrspannung,beträgt 1,05 K/W – ein sehr guter Wert, insbesonderebei parallel betriebenen IGBT-Chips im Modul.Während des Montageprozesses wird das Modul gegen denKühlkörper gedrückt. Dabei wird die Kraft zur Optimierung desthermischen Übergangs vom äußeren zum inneren Gehäuse übertragen.Die über die gesamte Fläche des Moduls verteilten Pressfit-Pins drücken zusätzlich die DCB an den Kühlkörper.Durch dieses Design ist die gleichmäßige Druckverteilung beider Montage garantiert. Folglich ist der optimale thermische Widerstanddurch das Design automatisch gegeben und nicht vonäußeren Einflüssen wie dem Drehmoment abhängig. Die Schichtdickeder Wärmeleitpaste wird dabei auf wenige µm minimiert.Damit schimmert sogar das Kupfer des Modulbodens durch dieWärmeleitpaste hindurch. Eine typische Verteilung der Wärmleitpasteist in Bild 6 dargestellt. (jj)nDer Autor: Marc Buschkühle ist Mitarbeiter der Infineon Technologies AG.32 elektronik industrie 06/2012www.elektronik-industrie.de