分享 | 新型無(wú)損傷高強(qiáng)度晶體管倒扣安裝方式

2018-01-15  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:外置散熱器的電力電子設(shè)備,當(dāng)主要發(fā)熱元件為TO247晶體管時(shí),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(jiàn)到關(guān)于塑料壓板在指定壓緊力下的應(yīng)力和變形定量分析的文獻(xiàn)。但塑料在長(zhǎng)期高溫下由于蠕變有壓緊力逐漸松弛的風(fēng)險(xiǎn),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(shè)計(jì)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(qiáng)對(duì)晶體管無(wú)損傷,且可適用于無(wú)螺釘孔晶體管。實(shí)物通過(guò)了壓力測(cè)試。實(shí)際組裝過(guò)程也證明了倒扣安裝方式的真實(shí)性。

引言

對(duì)于散熱器外置的電力電子設(shè)備[1],當(dāng)主要發(fā)熱元件為TO247晶體管時(shí),為了減小PCB總體尺寸,有時(shí)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(nèi)采用塑料壓板方案,每個(gè)晶體管使用一個(gè)壓板,如圖2。在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,安裝PCB時(shí),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(gè)子裝配“活絡(luò)”綁定在PCB 背面。圖2方法需要借助額外工裝來(lái)實(shí)現(xiàn),操作繁瑣。而且,壓板的定位銷需要插入晶體管的螺釘孔內(nèi),因此對(duì)于無(wú)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(jìn)方案,這4種壓板都是1個(gè)壓緊2個(gè)晶體管:(1)帶倒鉤的雙晶體管塑料壓板,(2)內(nèi)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(jìn)行了力學(xué)仿真和強(qiáng)度校核。最終的設(shè)計(jì),由于采用金屬材料,大大提高了壓板可承受壓緊力,同時(shí)避免了壓緊力對(duì)晶體管可能造成的損傷,也適用于無(wú)螺釘孔的晶體管。最后,通過(guò)產(chǎn)品實(shí)物的受力測(cè)試和組裝,證明了新型無(wú)損傷高強(qiáng)度晶體管倒扣安裝方式的真實(shí)性和優(yōu)越性。

1 、 帶倒鉤的塑料壓板

為增強(qiáng)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(yīng)商BERGQUIST的選用指南,當(dāng)壓強(qiáng)為200psi(1.38MPa)時(shí),熱阻最低。TO247晶體管平面尺寸為20.75x15.7mm,則對(duì)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?shù)呐离娋嚯x,2個(gè)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(gè)晶體管的塑料殼都緊密接觸,壓板下表面設(shè)計(jì)2個(gè)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(jié)構(gòu),利用摩擦力使2個(gè)晶體管和1個(gè)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(shè)計(jì)構(gòu)思新穎,操作簡(jiǎn)便,減少了螺釘數(shù)量,但需要在PCB上預(yù)先加工異形孔。

對(duì)圖4進(jìn)行靜力分析。晶體管塑料殼材料為環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)度90MPa。為減少計(jì)算量,建模時(shí)做如下簡(jiǎn)化:(1)晶體管只建模塑料殼部分;(2)細(xì)小特征和對(duì)整體強(qiáng)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?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)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(shù)0.2。圖6為模型網(wǎng)格劃分結(jié)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(jié)果見(jiàn)圖8。可見(jiàn),當(dāng)在壓板上施加900N壓力時(shí),塑料壓板的最大等效應(yīng)力為146.58MPa,早已超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度。

2 、內(nèi)嵌金屬板的塑料壓板

為提高強(qiáng)度,在塑料壓板內(nèi)嵌1.5mm金屬板,并對(duì)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(qiáng)度172MPa。金屬板與塑料壓板的接觸為綁定bonded。模型簡(jiǎn)化和邊界條件同前述1節(jié),模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖11。圖12為邊界條件。分析結(jié)果見(jiàn)圖13?？梢?jiàn),采用內(nèi)嵌金屬板后,當(dāng)施加力為900N時(shí),塑料壓板的最大等效應(yīng)力為83.5MPa。取許用安全系數(shù)1.5,則大于許用安全應(yīng)力60MPa,強(qiáng)度不合格。另外,在高溫下,塑料有蠕變現(xiàn)象[3],長(zhǎng)期使用后壓緊力有松弛失效的風(fēng)險(xiǎn)。

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(qiáng)度偏低,無(wú)論怎樣改變形狀結(jié)構(gòu),即使加入嵌件,也不能滿足壓緊力900N的要求。同時(shí),使用注塑件,使晶體管和壓板“預(yù)裝配的”彈性銷無(wú)法避免,這樣又不適用于無(wú)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(shí)保持足夠強(qiáng)度,初始設(shè)計(jì)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(xué)特性同前述2節(jié)。靜力分析時(shí)取1/4建模,邊界條件同前述2節(jié),模型網(wǎng)格劃分結(jié)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(shù)0.2。分析結(jié)果變形如圖16,可見(jiàn)當(dāng)壓緊力為900N時(shí)U形鈑金變形已大到和晶體管干涉。

為增加強(qiáng)度,在U形鈑金件2側(cè)的豎折邊頂部增加2個(gè)外翻的水平折邊,如圖17。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖18。靜力分析結(jié)果如圖19,金屬壓板的最大等效應(yīng)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(gè)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(gè)圓柱形下沉拉伸特征,如圖21。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖22。靜力分析結(jié)果如圖23,金屬壓板的最大等效應(yīng)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(cè)需要各放置一個(gè)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(shí)顯然已不能使用注塑工藝來(lái)制作絕緣件。經(jīng)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(jí)UL 94V0,介電擊穿電壓24KV,介電強(qiáng)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(gè)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(gè)圓柱形或方臺(tái)形下沉特征。上絕緣片為配合壓板的2側(cè)折邊,中間作出長(zhǎng)方形下沉區(qū)域。由于2個(gè)絕緣片為柔軟的薄膜結(jié)構(gòu),因此在前述的力學(xué)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(wú)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(shí)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(jiàn)對(duì)塑料殼的壓強(qiáng)為248.69MPa。根據(jù)英飛凌公司的《Recommendations for Assembly of Infineon TO Packages》,當(dāng)晶體管塑料殼承受壓強(qiáng)超過(guò)150MPa時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)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(gè)小金屬墊片,如圖29。材料為0.5mm板材,力學(xué)特性同前述2節(jié)。靜力分析時(shí)取1/4建模,邊界條件同前述2節(jié),模型網(wǎng)格劃分結(jié)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(shù)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(qiáng)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(yīng)力為246.41MPa,如圖32。最大變形為0.08mm,如圖33。最大等效塑性應(yīng)變0.21%,如圖34。

圖29的強(qiáng)度校核參照ASME壓力容器標(biāo)準(zhǔn)(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(dá)到收斂,則元件處于穩(wěn)定。圖30的有限元模型,載荷擴(kuò)大1.5倍,分析過(guò)程可以收斂,如圖35。此載荷下最大等效應(yīng)力251.06MPa,如圖36。最大變形0.298mm,如圖37。

5、實(shí)物受力驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)備為微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),型號(hào)CMT4304。參照IEC62109光伏逆變器掛墻支架測(cè)試,壓力保持時(shí)間1分鐘。圖39和圖40為實(shí)驗(yàn)前外觀,圖41和圖42為實(shí)驗(yàn)后外觀,可見(jiàn)無(wú)裂紋,無(wú)斷裂,無(wú)明顯變形。

6 、倒扣安裝實(shí)現(xiàn)過(guò)程

下面根據(jù)實(shí)物安裝步驟,分布說(shuō)明倒扣安裝的實(shí)現(xiàn)過(guò)程:(1)如圖43,在夾具上放置2個(gè)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(duì)位置由夾具保證。(3)如圖45,2個(gè)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(gè)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(gè)絕緣片的柔軟特性,而且上下疊加后形成的內(nèi)部空間略大于金屬壓板,至此晶體管就被“活絡(luò)”的綁定在PCB背面。

7 、總結(jié)與改進(jìn)

(1)為實(shí)現(xiàn)晶體管倒扣安裝,現(xiàn)有的單晶體管塑料壓板操作繁瑣。而且在設(shè)備內(nèi)部長(zhǎng)期高溫工作環(huán)境下,由于塑料蠕變,壓緊力有松弛失效的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)對(duì)雙晶體管壓板,最有利散熱的壓力為900N。經(jīng)有限元分析,“鈑金拉伸壓板+均壓小金屬片+上下絕緣片”組合可獲得最高強(qiáng)度,且適用于無(wú)螺釘孔晶體管,還避免了過(guò)高壓強(qiáng)對(duì)晶體管的損傷。利用非彈性分析方法,證明了壓板在規(guī)定載荷工況下是穩(wěn)定的。

(3)對(duì)實(shí)物進(jìn)行了壓力測(cè)試,實(shí)驗(yàn)后壓板無(wú)裂紋,無(wú)斷裂,無(wú)明顯變形。經(jīng)實(shí)物組裝,證明了倒扣安裝工藝的真實(shí)性。

(4)圖27中PCB與壓板的電氣間隙很短。因此,上絕緣片擬改為圖51結(jié)構(gòu),中間螺釘孔向上翻邊,安裝后伸出PCB表面,這樣可獲得更大的爬電距離,如圖52。

參 考 文 獻(xiàn)

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