分享 | 新型無損傷高強度晶體管倒扣安裝方式

2018-01-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:外置散熱器的電力電子設備,當主要發(fā)熱元件為TO247晶體管時,晶體管倒扣安裝可以獲得更小的PCB總體尺寸。目前業(yè)界普遍采用塑料壓板固定晶體管。至今未見到關于塑料壓板在指定壓緊力下的應力和變形定量分析的文獻。但塑料在長期高溫下由于蠕變有壓緊力逐漸松弛的風險,而且塑料壓板只適用于有螺釘孔的晶體管。利用有限元法,本文設計了一種新型倒扣安裝方式,利用“金屬拉伸壓板+吸塑絕緣片”組合,可承受壓緊力大幅增加,接觸壓強對晶體管無損傷,且可適用于無螺釘孔晶體管。實物通過了壓力測試。實際組裝過程也證明了倒扣安裝方式的真實性。

引言

對于散熱器外置的電力電子設備[1],當主要發(fā)熱元件為TO247晶體管時,為了減小PCB總體尺寸,有時晶體管采用“倒扣”方式安裝在散熱器表面,如圖1。早期,為保證可靠的電氣絕緣,行業(yè)內采用塑料壓板方案,每個晶體管使用一個壓板,如圖2。在產品生產過程中,安裝PCB時,為防止晶體管從PCB背面掉下,需要事先把“壓板+晶體管”作為一個子裝配“活絡”綁定在PCB 背面。圖2方法需要借助額外工裝來實現,操作繁瑣。而且,壓板的定位銷需要插入晶體管的螺釘孔內,因此對于無螺釘孔的TO247PLUS封裝晶體管不適用。

為克服單晶體管壓板的不足,本文先后提出了4種改進方案,這4種壓板都是1個壓緊2個晶體管:(1)帶倒鉤的雙晶體管塑料壓板,(2)內嵌金屬板的雙晶體管塑料壓板,(3)“拉伸鈑金件壓板和吸塑成型絕緣墊片”組合,(4)帶均壓小金屬墊片的“拉伸鈑金件壓板和吸塑成型絕緣墊片”組合。每種方案都利用有限元法進行了力學仿真和強度校核。最終的設計,由于采用金屬材料,大大提高了壓板可承受壓緊力,同時避免了壓緊力對晶體管可能造成的損傷,也適用于無螺釘孔的晶體管。最后,通過產品實物的受力測試和組裝,證明了新型無損傷高強度晶體管倒扣安裝方式的真實性和優(yōu)越性。

1 、帶倒鉤的塑料壓板

為增強散熱,熱界面材料被夾緊在晶體管和散熱器之間。參考熱界面材料供應商BERGQUIST的選用指南,當壓強為200psi(1.38MPa)時,熱阻最低。TO247晶體管平面尺寸為20.75x15.7mm,則對于雙晶體管壓板,需要施加在壓板上的力為900N。為保證晶體管銅基板與壓板固定螺釘的爬電距離,2個晶體管的螺釘孔距離為30mm。

圖3為帶倒鉤塑料壓板的外形圖(2件)。考慮到晶體管的高度公差,為使壓板與2個晶體管的塑料殼都緊密接觸,壓板下表面設計2個圓弧面凸起特征。圖4為裝配示意圖,圖5為裝配爆炸圖,彈性橡膠銷子截面為Y形肋結構,利用摩擦力使2個晶體管和1個壓板連接在一起形成“子裝配”,再利用壓板上的倒鉤固定子裝配于PCB背面。此設計構思新穎,操作簡便,減少了螺釘數量,但需要在PCB上預先加工異形孔。

對圖4進行靜力分析。晶體管塑料殼材料為環(huán)氧樹脂[2],密度1211kg/m3,楊氏模量11.7GPa,泊松比0.39。塑料壓板材料為尼龍PA6,密度1120kg/m3,楊氏模2.62GPa,泊松比0.34,斷裂強度90MPa。為減少計算量,建模時做如下簡化:(1)晶體管只建模塑料殼部分;(2)細小特征和對整體強度影響很小的零件不建模,包括彈性銷,PCB,壓板的倒鉤,壓板和晶體管各自的螺釘孔;(3)因為結構對稱,取1/4建模。壓板的圓弧面凸起與晶體管塑料殼為摩擦接觸,摩擦系數0.2。圖6為模型網格劃分結果。圖7為邊界條件,載荷取前述900N的1/4,即225N,載荷作用面取M3平墊圈的1/4。分析結果見圖8。可見,當在壓板上施加900N壓力時,塑料壓板的最大等效應力為146.58MPa,早已超過材料的斷裂強度。

2 、內嵌金屬板的塑料壓板

為提高強度,在塑料壓板內嵌1.5mm金屬板,并對塑料壓板做局部更改,如圖9。仍然使用Y形截面彈性銷,裝配狀態(tài)如圖10。金屬板材料為SUS316,采用理想彈塑性模型,密度7850kg/m3,楊氏模量193GPa,泊松比0.27,屈服強度172MPa。金屬板與塑料壓板的接觸為綁定bonded。模型簡化和邊界條件同前述1節(jié),模型網格劃分結果如圖11。圖12為邊界條件。分析結果見圖13。可見,采用內嵌金屬板后,當施加力為900N時,塑料壓板的最大等效應力為83.5MPa。取許用安全系數1.5,則大于許用安全應力60MPa,強度不合格。另外,在高溫下,塑料有蠕變現象[3],長期使用后壓緊力有松弛失效的風險。

3 、拉伸鈑金件與吸塑絕緣片組合

從前面2種方案可以看出,由于塑料材料本身的強度偏低,無論怎樣改變形狀結構,即使加入嵌件,也不能滿足壓緊力900N的要求。同時,使用注塑件,使晶體管和壓板“預裝配的”彈性銷無法避免,這樣又不適用于無螺釘孔的晶體管。因此,考慮采用純金屬壓板。為節(jié)省材料同時保持足夠強度,初始設計采用U形鈑金件,下表面與晶體管塑料殼接觸處沖壓出圓弧面凸起特征,如圖14。材料為1.2mm板材,力學特性同前述2節(jié)。靜力分析時取1/4建模,邊界條件同前述2節(jié),模型網格劃分結果如圖15。壓板的圓弧面凸起與晶體管塑料面為摩擦接觸,摩擦系數0.2。分析結果變形如圖16,可見當壓緊力為900N時U形鈑金變形已大到和晶體管干涉。

為增加強度,在U形鈑金件2側的豎折邊頂部增加2個外翻的水平折邊,如圖17。模型網格劃分結果如圖18。靜力分析結果如圖19,金屬壓板的最大等效應力為238.63MPa,金屬壓板變形已大到和晶體管干涉,如圖20。

注意到在2個晶體管中間,壓板下表面與散熱器間還有空間,遂再增加一個圓柱形下沉拉伸特征,如圖21。模型網格劃分結果如圖22。靜力分析結果如圖23,金屬壓板的最大等效應力為254.1MPa,最大變形0.08mm如圖24。

為保證金屬壓板和晶體管、PCB間的絕緣,在壓板上下側需要各放置一個絕緣件。由于壓板已占用了大部分空間,壓板和晶體管塑料殼、壓板和PCB背面的間隙只有0.4mm,此時顯然已不能使用注塑工藝來制作絕緣件。經查閱資料,采用聚酯片材吸塑成型,如圖25(下絕緣片)和圖26(上絕緣片)。聚酯片材,厚0.3mm,防火等級UL 94V0,介電擊穿電壓24KV,介電強度1400V/mil。圖27為上下絕緣片和金屬壓板的裝配示意圖。上下絕緣片4周各有一圈向下的翻邊,組裝后把金屬壓板包在中間,2個翻邊貼合以提供絕緣。下絕緣片為配合壓板的下沉拉伸,也做出一個圓柱形或方臺形下沉特征。上絕緣片為配合壓板的2側折邊,中間作出長方形下沉區(qū)域。由于2個絕緣片為柔軟的薄膜結構,因此在前述的力學分析中可以不建模。

此方案取消了Y形截面橡膠銷子,因此適用于無螺釘孔的晶體管。

4、均壓小金屬墊片

金屬壓板與晶體管塑料殼的接觸,理論上為線接觸,但由于彈性變形,實際為很小的面接觸,查看圖22的接觸狀態(tài)信息,如圖28,可見對塑料殼的壓強為248.69MPa。根據英飛凌公司的《Recommendations for Assembly of Infineon TO Packages》,當晶體管塑料殼承受壓強超過150MPa時,可能會出現裂紋。為避免損傷晶體管,在金屬壓板和晶體管塑料殼之間增加一個小金屬墊片,如圖29。材料為0.5mm板材,力學特性同前述2節(jié)。靜力分析時取1/4建模,邊界條件同前述2節(jié),模型網格劃分結果如圖30。壓板的圓弧面凸起與小金屬墊片的上表面為摩擦接觸,摩擦系數0.2。小金屬墊片被粘在下絕緣片上,因此小金屬墊片的下表面與晶體管塑料殼間為綁定bonded接觸。由于小金屬墊片起到了分散壓力的作用,晶體管塑料殼承受的壓強降低至52.065MPa,如圖31,低于英飛凌公司推薦值。金屬壓板的最大等效應力為246.41MPa,如圖32。最大變形為0.08mm,如圖33。最大等效塑性應變0.21%,如圖34。

圖29的強度校核參照ASME壓力容器標準(2007版)的非彈性分析方法[4]。由于已假定金屬材料為理想彈塑性材料,因此采用極限載荷分析法,在1.5倍載荷下做分析,如果達到收斂,則元件處于穩(wěn)定。圖30的有限元模型,載荷擴大1.5倍,分析過程可以收斂,如圖35。此載荷下最大等效應力251.06MPa,如圖36。最大變形0.298mm,如圖37。

5、實物受力驗證

如圖38,把金屬壓板、小金屬墊片、下絕緣片和晶體管放置在支架工裝上,對金屬壓板螺釘孔處施加900N 的壓力,受力面積為M3平墊片尺寸。實驗設備為微機控制萬能材料試驗機,型號CMT4304。參照IEC62109光伏逆變器掛墻支架測試,壓力保持時間1分鐘。圖39和圖40為實驗前外觀,圖41和圖42為實驗后外觀,可見無裂紋,無斷裂,無明顯變形。

6 、倒扣安裝實現過程

下面根據實物安裝步驟,分布說明倒扣安裝的實現過程:(1)如圖43,在夾具上放置2個晶體管,晶體管塑料蓋頂面粘接雙面膠。(2)如圖44,金屬壓板下絕緣片粘在晶體管上,相對位置由夾具保證。(3)如圖45,2個均壓墊片粘在金屬壓板下絕緣片上。(4)如圖46,金屬壓板放置在2個均壓墊片上。(5)如圖47,金屬壓板下絕緣片的翻邊上,粘接雙面膠。(6)如圖48,金屬壓板上絕緣片與金屬壓板下絕緣片粘接在一起。(7)如圖49,金屬壓板上絕緣片的頂部平面區(qū)域,粘接雙面膠。(8)如圖50,前述各步形成的子裝配件,從夾具取出,粘接在PCB的背面。由于2個絕緣片的柔軟特性,而且上下疊加后形成的內部空間略大于金屬壓板,至此晶體管就被“活絡”的綁定在PCB背面。