Frag den Schulz! Wo rohe Kräfte sinnvoll walten…

Die präzise Montage von Leistungshalbleitern ist entscheidend für Effizienz und Langlebigkeit. Die richtige Technik an den Schnittstellen zwischen elektrischen Kontakten und Kühlkörpern spielt dabei eine große Rolle. Doch was ist entscheidend?

Bei der Montage von Leistungshalbleitern sind es gleich zwei Schnittstellen, die es richtig zu montieren gilt. Beide sind gleich wichtig, allerdings unterscheiden sich die Montagetechniken ggf. erheblich. Die Rede ist einerseits von den elektrischen Kontakten, die häufig mittels Löt- oder Einpresstechnik mit Platinen eine Verbindung eingehen. Anderseits geht es um die Anbindung der Halbleiter an eine Wärmesenke – den Kühlkörper.

Je nach Halbleiter- und Gehäusetechnik bieten sich für die Montage sowohl die Nutzung von Federn als auch die Verwendung von Schrauben an. Der Vorteil von Federn liegt darin, dass die Anpresskraft durch die Feder an sich gegeben ist und nicht von der Kraft abhängt, mit der die Feder selbst montiert wurde. Bild 1 zeigt exemplarisch einen entsprechenden Aufbau für einen Halbleiter im TO247-Gehäuse.

Das Gehäuse bietet allerdings auch ein Montageloch für die Befestigung mittels Schraube wie es in Bild 2 dargestellt ist.

Für die korrekte thermische Anbindung ist ein Mindestdruck erforderlich. Dieser hängt insbesondere von dem verwendeten Wärmeleitmedium ab; für die meisten handelsüblichen Wärmeleitpasten sind 50 N hinreichend. Aus zugehörigen Tabellen aus dem Maschinenbau lassen sich Fügekräfte und Drehmomente von Schrauben korrelieren, wenn die Schraube genau bekannt ist. Für die Spezifikation von Schrauben gibt es eine Vielzahl von Normen, insbesondere was den Schraubenkopf und den Antrieb der Schraube angeht. Hier unterscheiden sich die verwendeten Schrauben in solche mit Senk-, Linsen-, Zylinder-, Innensechskant-, Torx- oder Sechskantköpfe. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Festigkeitsklasse der Schraube. Sie gibt an, wie hoch die Zugfestigkeit des verwendeten Materials ist und welche Streckgrenze damit erreicht werden kann. In Europa sind metrische Schrauben mit genormten Gewindegeometrien die häufigste Lösung. Für das Beispiel im TO247.Gehäuse wäre eine metrische Schraube M3 mit Regelgewinde die passende Wahl. Diese Schraube erlaubt in der Festigkeitsklasse 6.8 ein Montagedrehmoment von 0.96 Nm woraus eine Anpresskraft von 1689 N hervorgeht. Ein solch hoher punktueller Druck auf das Gehäuse ist allerdings nicht hilfreich. Insbesondere bei Erwärmung während des Betriebs steigen die Druckkräfte auf das Gehäuse, was zu mechanischer Beschädigung führen kann.

Da Anzugsdrehmoment und Vorspannkraft in weiten Bereichen linear voneinander abhängen reicht zur Erzeugung von 50 N ein Drehmoment von 0,03 Nm. Es zeigt sich, dass Montage per Schraube ein weites Prozessfenster für das Drehmoment erlaubt. Das Mindestdrehmoment von 0.03 Nm ist bereits überschritten, wenn man die Schraube leicht von Hand andreht. Die Aufbringung eines Drehmomentes von 0,3 Nm – Faktor 10 des benötigten – führt noch immer nicht zu Schädigung am Gehäuse. Ganz anders stellt sich die Situation allerdings dar, wenn mehr als nur eine einzige Schraube für die Montage notwendig ist. Leistungsstärkere Halbleiter in Gehäusen mit 2 oder gar vier Schrauben sind bei der Montage empfindlicher. Bei diesen Bauformen können bereits bei der Montage Beschädigungen auftreten, die im elektrischen Endtest des Gesamtaufbaus dann als Isolationsfehler auffallen. Bild 3 verdeutlicht, warum eine Montage hier mit entsprechender Sorgfalt durchzuführen ist.

Zieht der Monteur die erste Schraube bereits fest an, links im Bild 3 dargestellt, verdrängt dies die Wärmeleitpaste unter dem Modul in Richtung Modulmitte. Das nachfolgende Festziehen der gegenüberliegenden Schraube erzeugt den gleichen Effekt von der anderen Seite. Als Konsequenz wird das Modul gebogen und die im Inneren liegende Keramik gerät unter mechanischen Stress. Ist der Stress hinreichend die Keramik zu zerbrechen, büßt sie ihre Isolationsfähigkeit ein und das Modul ist zerstört. Der Effekt lässt sich leicht vermeiden, indem zunächst beide Schrauben wie in der Mitte von Bild 3 gezeigt, nacheinander leicht angezogen werden. Dies verhindert eine Kippbewegung des Moduls. In einem zweiten Schritt folgt dann die Aufbringung des vollen Drehmoments.

Schraube ist nicht gleich Schraube

Metrische Schrauben sind die am weitesten verbreitete Schraubenform, aber auch hier gibt es Unterschiede zwischen Regelgewinden und Feingewinden. Noch umfangreicher wird die Variantenvielfalt, wenn Schrauben mit imperialen Größen mit in die Betrachtung einfließen. Solche Schrauben werden nicht in Millimeter sondern in Inch gemessen und das Drehmoment statt in Newtonmetern [Nm] in pound-inch [lb-in] angegeben. Lässt sich das nicht alles gut ineinander umrechnen? Ein Inch sind 25,4 mm und 1 Nm entspricht 8.851 lb-in. Mathematisch ja – technisch leider nicht. Am Beispiel einer Schraube M6x1 wird das deutlich, wie in Bild 4 zu erkennen ist. Aus der Übersicht geht hervor, dass das gleiche Drehmoment nicht zur identischen Vorspannkraft an der nur ähnlichen Schraube führt. Der Benutzer muss also individuell sicherstellen, dass sich durch die veränderte Geometrie trotzdem ein korrekter Montagezustand ergibt.

Kann man Dinge zu fest anschrauben?

Auch das geht. Viele Dinge in der Mechanik haben ein Festlager und ein Loslager. Ersteres ist fest montiert, letzteres erlaubt ein gewisses Maß an Spiel um zum Beispiel thermischer Ausdehnung nachgeben zu können.

Häufig reicht es, dass das Montageloch geringfügig größer ist als der verwendete Schraubendurchmesser. Für die Verwendung einer Schraube mit 6 mm Durchmesser wird eine Öffnung von 6,5mm verwendet. Glatte Unterlegscheiben ermöglichen trotz hoher Anpresskräfte, dass sich Metallteile ausdehnen können. Wären beide Enden fest montiert, ergäbe sich statt der Verschiebung eine Verbiegung, die zur Störung des thermischen Überganges führt und somit die Belastung am Halbleiter erhöht. Der Effekt ist schematisch in Bild 5 dargestellt.

Statt runder Löcher stellen auch Langlöcher eine Lösung dar, um Ausdehnung bei Erwärmung zu gestatten. Diese Lösung findet sich sowohl in Modulen großer Bauform als auch in Bausteinen wie dem Miniblock SOT227b.

Am Ende alles machbar

Schrauben sind auch in der Leistungselektronik wichtige Montagematerialien. Die Wahl der richtigen Schraube für die jeweilige Anwendung und der mechanisch korrekte Umgang damit sind aber nur scheinbar trivial. Aus diesem Grund helfen Hersteller von leistungselektronischen Bauelementen ihren Kunden mit Application-Notes zum Thema Montage mit weiterführenden Informationen aus. Finden diese Hinweise Beachtung, steht einer zuverlässigen und langlebigen Montage nichts im Weg. (mr)

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