RUTRONIK GmbH
Avtor: Bert Weiss, tehnični strokovnjak za upore pri podjetju Rutronik
Soavtor: Martin Bleifuss – vodja produktnega menedžmenta pri Yageo/Nexensos
Na poti k standardni tehnologiji povezovanja.
Kombinacija tehnologije sintranja srebra in montaže SMD je osnova za visoko zmogljive, zanesljive in kompaktne temperaturne senzorje, ki izpolnjujejo zahteve najsodobnejše in naslednje generacije močnostne elektronike.
Senzorska tehnologija je ključna tehnologija v sodobnem svetu. Natančno zaznavanje in nadzor temperature zagotavljata varno, učinkovito in trajnostno delovanje v številnih aplikacijah, kot so proizvodnja energije, zdravstvo in mobilnost. Ker se prehod na elektromobilnost nadaljuje, merjenje temperature ponovno postaja ključni inovator.
Uspešnost, hitrost in učinkovitost vsakega električnega vozila je odvisna od razporeditve in zmogljivosti pretvornika napetosti in inverterja. Večje stikalne frekvence, višje ravni moči in delovanje pri povišanih temperaturah omogočajo večja območja vožnje in bolj dinamične načine vožnje. Vendar pa višje delovne temperature zahtevajo nove materiale in nove tehnike spajanja.
Poenostavljena zasnova z odpravo jedkanih jarkov
Za optimizacijo energetskih modulov je bil razvit temperaturni senzor Pt1000 v SMD ohišju (slika 1).
Električna izolacija med senzorsko plastjo na zgornji strani in metalizacijo na zadnji strani omogoča brezpotencialno namestitev temperaturnega senzorja ob viru toplote. Senzor in druge komponente so lahko nameščeni na isti električni ravni in na isti podlagi. Tako odpade potreba po namestitvi senzorskega čipa na ločen „otok“. Opustitev dodatnega jedkanega jarka, ki je potreben za brezpotencialno vgradnjo komponent s prehodnim kontaktom (tipa NTC), zmanjša napor pri načrtovanju na ravni substrata. Zmanjšanje velikosti substrata prispeva k manjšim komponentam in podpira splošni trend miniaturizacije.
Priključitev senzorskega elementa je mogoča s standardnim lepljenjem debele žice; priključitev na tiskano vezje je mogoča s standardno obdelavo s sintranjem srebra, kar omogoča nemoteno vključevanje v standardne proizvodne procese. Slika 2 prikazuje primerjavo možnosti zasnove senzorjev SMD in NTC.
Spajkalni priključek je ključ do delovanja pri visokih temperaturah, saj odpira okno delovanja daleč prek 200 °C. Čeprav je za senzorski element Pt1000 trenutno določena zgornja meja delovanja 200 °C, so tekoče razvojne dejavnosti usmerjene v višje temperature, pri katerih je mogoče dodatno izkoristiti meje sintranih povezav.
Izboljšanje natančnosti meritev in odzivnega časa
Da bi bolje razumeli vpliv postavitve senzorja na ploščo tiskanega vezja, smo s poenostavljenim modelom raziskali porazdelitev toplote in odzivni čas v najsodobnejših napajalnih modulih na osnovi silicija ter v naslednji generaciji naprav na osnovi silicijevega karbida. Izbrana geometrija zasnove je neodvisna od izbire materiala. Lastnosti materiala in delovna temperatura so bile prilagojene tako, da so podobne izvedbam na osnovi Si- in SiC.
Modelni izračuni kažejo, da na odstopanje med temperaturo spoja (150 °C ali 200 °C) in izmerjeno temperaturo močno vpliva razdalja med senzorjem in močnostnimi polprevodniki. Slika 3 prikazuje odvisnost padca temperature od razdalje.
Zaradi električne izolacije med območjem zaznavanja in metalizacijo na zadnji strani, ki je optimizirana za sintrane povezave, je mogoče senzor SMD-PT namestiti na katero koli razpoložljivo mesto na tiskanem vezju napajalnega modula. Zmanjšana razdalja med virom toplote in senzorskim elementom omogoča večjo natančnost rezultatov meritev.
Na odzivni čas vpliva tudi postavitev senzorja. Večja razdalja povzroči veliko počasnejši odziv in izrazito zakasnitev po vklopnem koraku. Čas za dosego ravnovesnih pogojev najbolje opiše zakasnitev za dosego 90 % ravnovesne temperature t90 (slika 4). Primerjava časov t90 za položaj senzorja 1 in 2 s časoma 1,0 in 1,3 sekunde pokaže bistveno bolj dinamično zaznavanje s 30 % hitrejšim zaznavanjem za položaj blizu električnih matric.
Krajša razdalja med temperaturnim senzorjem Pt1000 tipa SMD in virom toplote ne le izboljša natančnost meritev, temveč tudi znatno skrajša čas za dosego toplotnega ravnovesja, kar pomeni veliko krajši odzivni čas merjenja temperature.
Povzetek
Temperaturni senzor Pt1000, ki ga je mogoče sintrati, v SMD ohišju ponuja številne prednosti pri reševanju izzivov zaznavanja temperature v najsodobnejših energetskih modulih in modulih naslednje generacije: Postavitev senzorja z lastno izolacijo med senzorjem in kontaktno plastjo omogoča nove zasnove in odpravo jedkanega jarka.
Zmanjšana razdalja med virom toplote in senzorskim elementom omogoča večjo natančnost in krajši odzivni čas merjenja temperature. Tako se je mogoče izogniti učinkom pregrevanja in temperaturnim skokom ter znatno podaljšati splošno pričakovano življenjsko dobo.
