Базовые технологии силовой электротехники

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Силовая электроника — область электроники, связанная с преобразованием электрической энергии, управлением ей или её переключением без управления (включением и отключением). При этом различие силовой и слаботочной электроники не в силе тока или мощности устройства, а в назначении. Радиовещательный передатчик может быть в тысячи раз мощнее электропривода станка. Задача слаботочной техники — точно воспроизвести на приемном конце форму сигнала. Потери энергии при этом интересуют во вторую очередь. В случае с силовой техникой в первую очередь ставится задача уменьшения потери энергии при передаче.

ТЕХНОЛОГИИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ:
ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ
Разработка устройств c большой удельной мощностью, таких как современные транспортные приводы и преобразователи энергетических станций, требует применения силовых модулей, отличающихся высокой надежностью и уникальными электрическими и тепловыми характеристиками. Решение этих задач невозможно без внедрения новых полупроводниковых материалов. В частности, для повышения плотности мощности и расширения температурного диапазона необходимо полностью исключить паяные и сварные соединения.

ДИФФУЗИОННОЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ СПЕКАНИЕ
Технология спекания серебра используется для установки полупроводниковых чипов на изолирующие подложки с 1994 г. Хорошие электромеханические свойства и высокая надежность серебряных соединений были известны и раньше, в течение многих лет эта тема исследовалась и обсуждалась на многочисленных международных конференциях. Однако широкому распространению данной технологии препятствовала необходимость использования специального оборудования и низкая пригодность для массового промышленного производства из-за высокой температуры плавления серебра.

ДИФФУЗИОННОЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ СПЕКАНИЕ
до процесса спекания
после процесса спекания

Технология спекания впервые была использована компанией SEMIKRON для установки чипов на изолирующую подложку DBC (Direct Bonded Copper) в модулях SKiM 63/93. Эти компоненты, разработанные для применения в приводах электрических и гибридных транспортных средств, стали первыми в мире силовыми ключами без единого паяного соединения. Диффузионное спекание позволяет с успехом решить проблему накопления усталости в соединительном слое большой площади между базовой платой и изолирующей DBC-подложкой, его также можно использовать для замены сварки при подключении выводов кристаллов

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА ПРОВОДНИКОВ
Для подключения выводов кристаллов к токонесущим шинам из меди, алюминия или золота в силовых модулях традиционно используется ультразвуковая «холодная» сварка алюминиевых проводников (диаметром 100–500 мкм). Этот технологический процесс происходит при комнатной температуре.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИЖИМНОГО СОЕДИНЕНИЯ
В отличие от диффузионного спекания и ультразвуковой сварки проводников, прижимное соединение позволяет обеспечить электрический и тепловой контакт без формирования жесткого связывающего слоя. В результате «контактные» партнеры могут перемещаться относительно друг друга в некоторых пределах, не теряя связь. Благодаря этому резко снижается термомеханическое напряжение, возникающее в «металлургическом» слое при термоциклировании из-за разницы коэффициентов теплового расширения. Технология прижима исключает развитие усталостных процессов, свойственных паяным и сварным соединениям, что гарантирует его высокую надежность и устойчивость к механическим и климатическим воздействиям.

ТЕХНОЛОГИЯ SKIIP
Технология прижимного соединения SKiiP разработана компанией SEMIKRON для повышения эффективности, долговечности и надежности силовых модулей различных классов мощности, работающих в условиях циклического изменения нагрузки. Главная особенность концепции SKiiP состоит в устранении паяных соединений базовой платы, DBC-подложки и силовых терминалов. С этой целью из состава модуля устранена медная база, а изолирующая подложка с чипами размещена непосредственно на теплоотводе. Для создания давления, необходимого для отвода тепла и обеспечения электрического контакта терминалов, используются специальные элементы корпуса.
Прижимное соединение DBC-платы, силовых и сигнальных выводов в модуле SKiiP 4$го поколения

ПРУЖИННЫЕ КОНТАКТЫ
С точки зрения контактных свойств, пружинные соединения имеют ряд преимуществ по сравнению с пайкой и прессовой посадкой:
более эффективное использование площади печатной платы и упрощение ее трассировки благодаря отсутствию сквозных контактов;
упрощение процесса автоматической сборки благодаря отсутствию компонентов с большими поверхностями и жесткими допусками на диаметры отверстий;
высокая стойкость к термоциклированию благодаря отсутствию «металлургических» связей;
высокая устойчивость к ударным и вибрационным воздействиям (нет накопления усталости в паяном слое);
квазигерметичная контактная зона, предотвращающая возникновение коррозионных процессов.