Power-Module Vorteile von selbst kontaktierenden PressFIT-Modulen in der SmartPIM- und SmartPACK-IGBT-Modulfamilie

PressFIT ist eine Technologie zur einfachen, schnellen und lötfreien Montage von Leistungskomponenten. Gegenüber der konventionellen Methode verbessert sie die Kontaktqualität und Systemzuverlässigkeit. In der aktuellen Optimierung des Verfahrens ist nun eine selbsteinpressende Montage möglich. Den Nutzen skizziert dieser Beitrag.

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Die PressFIT-Technologie eröffnet die Möglichkeit der einfachen, schnellen und lötfreien Montage. Darüber hinaus stellt diese Technologie einen großen Sprung der Kontaktqualität und Zuverlässigkeit dar. Um dieses Konzept auszubauen, wurde eine neue Modulplattform auf der Grundlage der PressFIT-Technologie entwickelt, die eine äußerst schnelle und robuste Montage ermöglicht und so Verbesserungen bei der Herstellung, Zuverlässigkeit und Entwicklung von Umrichtern bringt. Hierbei wurde besonderer Wert auf die mechanische Robustheit gelegt.

Aufgrund der PressFIT-Kontakte und eines speziell optimierten Gehäuses eigenen sich die SmartPIM- und PACK-Module in besonderer Weise für eine schnelle und robuste Montage in einem einzigen Schritt. Die Befestigung am Kühlkörper, der elektrische Kontakt und die Verbindung mit der Leiterkarte werden in einem einzigen, schnellen Verarbeitungsschritt durch das Anziehen einer einzigen Schraube hergestellt.

Bild 1 (großes Foto) zeigt diese Montage, die als Self Acting PressFIT bezeichnet wird. Während der Montage überträgt der Gegenhalter die Kraft der Schraube auf die Leiterkarte und drückt die PressFIT-Kontakte in die entsprechenden Löcher der Platine. Nach dem Festziehen der Schraube sind die Platine und das Modul zwischen Gegenhalter und Kühler fest fixiert. Daher kann in direkter Nähe des Moduls auf weitere Befestigungspunkte verzichtet werden.

Um verschiedene Leistungsbereiche abzudecken, gibt es eine Familie von IGBT-Modulen mit insgesamt drei Modulgrößen. Die folgenden Tests wurden mit dem SmartPACK1-Modul durchgeführt, können aber auch auf SmartPACK2 und SmartPACK3 übertragen werden, da die mechanische Auslegung vergleichbar ist.

Im Vergleich zu anderen Kontaktarten nachweisbar besser

Die elektrische Verbindung zwischen Modulen und Leiterkarte wird normalerweise durch eine von drei Verbindungstechnologien hergestellt: Löten, Federkontakte oder PressFIT-Kontakte.

Um die Produktionskosten zu senken und im Prozessablauf sowie bei der Umrichter-Entwicklung die nötige Flexibilität zu wahren, geht der Trend zu weniger Lötverbindungen. Die Zuverlässigkeit eines PressFIT-Kontaktes ist im Vergleich zu den anderen Kontaktarten nachgewiesen klar besser und basiert auf einer gasdichten Kontaktfläche, die gegen klimatische Einflüsse und korrosive Umgebungen weitgehend immun ist.

Möglich ist dies durch die plastische Verformung der Kontaktstelle bei der eine Kaltschweißverbindung entsteht. Dadurch ergibt sich ein sehr niedriger und stabiler Kontaktwiderstand, der die Technologie sowohl für hohe Ströme wie auch für empfindliche Signale mit niedrigem Pegel prädestiniert. Mit den genannten Vorteilen birgt PressFIT vermutlich das größte Potenzial für die künftige Anwendung. In Bild 2 ist die Arbeitsweise der Kaltverschweißung bei PressFIT Verbindungen dargestellt.

Während der Entwicklung der Module wurde ein besonderer Wert auf die mechanische Robustheit gelegt. Ein wichtiger Aspekt dabei war es die Keramik vor allen Verschraubungskräften und anderen äußeren Belastungen zu schützen. Dies ermöglicht der Duplex-Rahmen. Der Duplex-Rahmen besteht, wie in Bild 3 gezeigt, aus einem inneren Modulkern sowie und einem äußeren Rahmen. Die Schraubkraft wirkt nur auf den äußeren Rahmen. Dieser ist über elastische Elemente mit dem inneren Modul verbunden. Die Schraube drückt das Modul also nur indirekt gegen den Kühlkörper.

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