Gemeinsame Bestückung

Adrian Schärli, Azular GmbH für Essemtec, Aesch (CH)

Unter der Bezeichnung Isoplus bietet IXYS bereits seit längerem Bauteile an, die von den Abmessungen her vergleichbar mit Standard-Gehäusetypen wie TO-220 und TO-247 sind, jedoch über eine integrierte Isolation verfügen.

Dank der Isolation lassen sich mehrere Leistungsbauteile ohne zusätzlichen Isolationsaufwand direkt auf den gleichen Kühlkörper montieren. Als Erweiterung dieser Technik stellt das Unternehmen nun das Isoplus-SMPD vor, welches die Lücke zwischen klassischen diskreten Bauteilen und Modulen schließt. Die Isolation verdanken die Bauteile der Verwendung eines DCB-Substrates (Direct Copper Bond), auf dem die Halbleiterchips montiert sind. Dieses isoliert elektrisch, hat aber trotzdem im Vergleich zu Aufbauten mit separater Isolation zum Beispiel durch Folien eine hervorragende thermische Leitfähigkeit. Der Ausdehnungskoeffizient des DCB liegt zudem sehr nahe bei Silizium. Dadurch entstehen bei Temperaturänderungen keine grossen mechanischen Spannungen, was auch die problemlose Verarbeitung des Bauteils in SMD-Reflowöfen ermöglicht.

Mit entsprechend angepassten Schaltungsstrukturen im Innern lassen sich unterschiedliche Schaltungen in ein und demselben Gehäuse realisieren. Dabei besteht die Möglichkeit, die Anzahl und Anordnung der Anschlüsse flexibel zu gestalten. Leistungs- und Steueranschlüsse sind auf verschiedenen Seiten aus dem Gehäuse heraus geführt, was für das Schaltungsdesign ideal ist. Das Isoplus-SMPD-Gehäuse wurde auch hinsichtlich Kriech- und Luftstrecken optimiert.

Bei der Entwicklung des Gehäuses arbeitete das Unternehmen mit Essemtec zusammen, dem Schweizer Hersteller von Produktionssystemen für die Elektronik. Spezialisierte Bestückungsautomaten werden bereits seit Jahren im Unternehmen für die Bestückung von Halbleiterchips und anderen Komponenten eingesetzt. Der Schweizer Hersteller hat auch die Verarbeitung der neuen SMPDs getestet und überprüft, welche Anforderungen diese Bauteile an einen Bestückungsautomaten stellen. Lieferbar sind die Power-Bauteile in Blister-Trays oder in Gurten (44 mm und 56 mm), die von den meisten modernen SMD-Bestückungsautomaten automatisch verarbeitet werden können. Für die Herstellung von Prototypen und Kleinstserien ist es zudem hilfreich, wenn auch Teile von Trays oder Bandabschnitte verarbeitet werden können. Dies ist zum Beispiel mit den Bestückungssystemen ebenfalls möglich.

Die Gehäuse sind von der Grösse her vergleichbar mit QFPs, haben aber eine deutlich höhere Masse, die einen Einfluss auf die Regelsysteme hat, insbesondere auf die Rotationsachse. Bestückungsmaschinen mit Collect-And-Place-Köpfen müssen bei der Geschwindigkeits-Optimierung die eventuell reduzierten Beschleunigungswerte mit berücksichtigen. Bestückungssysteme des Schweizer Herstellers sind für noch schwerere Bauteile ausgelegt und können deshalb auch Isoplus-SMPDs problemlos bestücken. Die Bestückungsmaschine muss Bauteile mittels Vakuum gut festhalten. Oft werden für grössere Bauteile Pickup-Werkzeuge mit weichen Saugnäpfen verwendet. Für die Power-Bauteile eignen sich solche jedoch gar nicht, denn wenn das Bauteil nicht absolut horizontal am Sauger hängt, kann dies zu Problemen beim Ausrichten und beim Absetzen auf die Leiterplatte führen. Essemtec hat für die Bestückungsversuche mit Standard-Pickuptools gearbeitet. Die Beschichtung dieser Werkzeuge garantiert eine besonders gute Haftung, damit sich Bauteile beim Beschleunigen und Rotieren nicht verschieben. Die Beschichtung schont auch die Oberfläche die bei diesen Bauteilen eine wichtige Funktion hat.

Die Absetzhöhe und die Parallelität sind bei Leistungsbauteilen wichtiger als bei anderen SMDs. Wird ein gemeinsamer Kühlkörper, wie zum Beispiel das Gehäuse, für mehrere Isoplus-SMPDs genutzt, so müssen diese exakt parallel ausgerichtet sein und die Oberseiten müssen sich auf der gleichen Höhe befinden. Die präzise Ausrichtung ist auch bei Leistungsbauteilen wichtig, weil Kriech- und Luftstrecken eingehalten werden müssen. Für die Verarbeitung von Isoplus-SMPD eignen sich sowohl Laserzentrierungen als auch Visionsysteme.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der rechteckige Gehäusegrundkörper eine gute Referenz für die Laserzentrierung ist. Für Visionsysteme ist die Pin-Erkennung vorteilhafter. Die Anschlüsse des Bauteils bieten einen guten Kontrast und können einfach erkannt und vermessen werden. Zudem ist die Anschlussanordnung asymmetrisch, was die korrekte Ausrichtung erleichtert.

Die beiden Unternehmen haben die Verarbeitbarkeit der SMPDs auf Bestückungsautomaten intensiv getestet. Aufgrund der Tests wurden verschiedene Optimierungen an der Verpackung und an den Bestückungssystemen durchgeführt. Heute können alle Bestückungsmaschinen des Herstellers die Isoplus-SMPDs zuverlässig, schnell und genau bestücken. Mit diesen Bauteilen verändert IXYS die Art, wie Leistungselektronik hergestellt wird. Die neuen Bauteile vereinfachen das Schaltungsdesign, reduzieren den Montageaufwand und erlauben die vollautomatische Montage kompletter Power-Baugruppen.

productronica, Stand A3.358

Das Unternehmen entwickelt, produziert und vertreibt weltweit ein breit gefächertes Portfolio an Leistungshalbleiterbauteilen und Produkten in deren Umfeld. Diese sorgen für eine effiziente Motorsteuerung in der Antriebstechnik und finden ihren Einsatz bei der Leistungssteuerung und zur Verbesserung der elektrischen Energieeffizienz, bei der Erzeugung von Solar- und Windenergie sowie in den Bereichen Telekommunikation, Medizintechnik, elektronische Displays und HF-Power.