Analyse af terminalmaterialer og svejseprocesser
Væksten inden for effekthalvlederpakningsteknologi er til en vis grad drevet af gennembrud inden for materialeteknik og produktionsteknikker. Industrien har været pioner inden for en tilgang til ren kobberforarbejdning for at øge deres udholdenhed i effektcyklusser og langsigtede driftsstabilitet og afhjælpe uoverensstemmelsen i termisk udvidelseskoefficient mellem forskellige materialer i moduler. Denne metode består grundlæggende af tre nøgleelementer: ultralydssvejsning af modulers kobberstrømterminaler, sammenkobling af kobbertråd og metallisering af chippobber.
Stift-ultralydssvejsning er blevet udviklet som en ny forbindelsesmetode, da der i specifikke anvendelsesscenarier stilles højere krav til pålideligheden af stiftforbindelser. Stift-ultralydssvejsning tilbyder uovertrufne fordele ved forbindelse af de samme metaller. Da ultralydsmetalsvejsning ikke kræver flusmiddel eller eksterne varmekilder, vil den svejsede struktur ikke have nogen restspænding og vil ikke deformeres på grund af varme.
Stift-ultralydssvejsning har gradvist vundet popularitet på markedet. Det har opnået tætte metalliske kovalente bindinger mellem identiske materialer.
Traditionel blødlodning kan føre til dårlig stiftsvejsning på grund af faktorer som udsving i udstyrets lufttryk, unormal temperatur i reflowovnen og fordampning af loddepastaflusmiddel. Derudover kan bindingsstyrken også falde på grund af vækst af intermetalliske forbindelser (IMC) under brug.
Som vist på figuren nedenfor er princippet for ultralydssvejsning (ultralydssvejsning). Ultralydstrådbindingssystemet består hovedsageligt af et svejsehoved, en amplitudemodulator, en transducer og en ultralydsstrømforsyning. Dette kan i sidste ende omdanne ultralydsstrømforsyningens strømfrekvenssignal til højfrekvente ultralydsmekaniske vibrationer på 20-60 KHz. Kilen påfører tryk og ultralydsenergi på overfladen af nålen under ultralydssvejseprocessen. Oxidfilmen mellem nålen og DBC'en brydes af højfrekvent vibrationsfriktion under deres kombinerede virkning. Denne proces blotlægger en ren grænseflade. Tryk og ultralydsenergi fortsætter med at blive påført, efter at den rene kobberoverflade har kontakt. Denne proces øger gradvist svejsekontaktområdet. Dette får yderligere atomer mellem metaloverfladerne til at danne kovalente bindinger. Derfor skabes der i sidste ende en pålidelig forbindelse.
Fordele ved ultralydssvejsning
- Høj svejsepræcision og lavt energiforbrug.
- Høje enheder i timen (UPH) og kort svejsetid.
- Overvåg svejseprocessens kvalitet i realtid (deformation, spænding, strøm osv.).
- Ingen brug af loddetin eller flusmiddel under svejsning, ingen sundhedsskade.
- Direkte overflade-til-overflade-limning under svejsning for at eliminere behovet for tilsatsmaterialer.
- Fremragende fysiske egenskaber, ingen termisk stress på produktet.
- Ingen risiko for produktoxidation under driftsprocessen, ingen opvarmning er nødvendig
Automatiseret pakning hjælper med at opnå indkapslingsautomatisering ved hjælp af den automatiske benfødningsfunktion. Samtidig udføres præcis identifikation med højere præcision end traditionel loddepastasvejsning før svejsning, og processen ligner ultralydssvejsning af effektterminaler. Ultralyds-bensvejsningsteknologien, der anvendes i pakning af effektmoduler, erstatter den traditionelle loddepastalodningsproces gennem ultralydssvejsning af signalterminaler, hvorved forbindelsen mellem ben og DBC forbedres.
Stabil bindingsfladetryk
For at undersøge ultralydssvejsemodulets evne til at modstå eksterne tilfældige vibrationer og rationen af dets strukturelle design, bestemmes modulets vibrationsfrekvens under tilfældige excitationsforhold ved at stramme accelerationen til 15G i overensstemmelse med AQG-324-standarden.
Højtemperatur loddepladesvejsningsproces
Nedbrydningen af loddelag kan accelereres af krybeegenskaberne hos legeringsloddematerialer under temperaturpåvirkninger på grund af forskelle i CTE (termisk udvidelseskoefficient) mellem forskellige materialer.
Terminal ultralydssvejsning
Modulets pålidelighed forbedres, og den parasitiske induktans reduceres effektivt ved at anvende ultralydssvejseprocessen på effektterminaler.
Signalterminaler lavet af kobberbeklædte aluminiumsmaterialer
Modulets bindingsstyrke og langsigtede pålidelighed forbedres ved at bruge kobberbeklædte aluminiumsmaterialer til signalterminaler, da bindingsstyrken mellem aluminiumtråden og aluminiumsoverfladen er højere, og signalterminalforbindelsen stadig anvender den tykke aluminiumtrådsbindingsteknologi.
Symmetrisk design
Ensartetheden af de to broarme sikres, og strømdeling opnås effektivt ved hjælp af det symmetriske layout af de parallelle kredsløb. Vridning af den øvre overflade under støbeprocessen undgås ved hjælp af den flade øvre overflade i det symmetriske design af strømterminalerne, hvilket letter brugerinstallation og brug.
Hvad er PressFIT-teknologi?
Den komplette forbindelsesmetode kaldes PressFIT-teknologi. Stifterne fastgøres med PressFIT-teknologi uden lodning eller andre forbindelsesmetoder. Når de indsættes i PCB-gennemgangshuller af passende størrelse og belægning, komprimeres stifterne med en bueformet krop, hvilket etablerer en elektrisk forbindelse og opretholder mekanisk pålidelighed.
Fordel 1: Enkelhed
I det nye Wolfspeed WolfPACK-strømmodul skubbes modulet på plads efter at stifterne er justeret med hullerne på printkortet. Når modulet er isat, opnår det elektrisk forbindelse og er mekanisk fastgjort. Ingen fastgørelse, specialudstyr eller flere operationer er nødvendige, da designet af PressFIT-stikkene understøtter en enkel og effektiv installation.
Fordel 2: Højere kraftoverførsel
Højere strømoverførsel understøttes ved at etablere en sikker mekanisk forbindelse mellem de belagte gennemgående huller og ben sammenlignet med nogle andre tilslutningsmetoder. PressFIT's mere fremragende termiske egenskaber, herunder varmeafledning, præsenteres. Både den forbedrede termiske ydeevne og den øgede strømkapacitet er gavnlige for effektmodulapplikationer. Derfor er forskellige konvertertopologier, såsom aktive ensrettere, buck- og boost-kredsløb, velegnede til Wolfspeed WolfPACK-effektmodulet.
Fordel 3: Lav fejlrate
Applikationer med høje krav til pålidelighed, såsom industrielle motordrev, nettilsluttede omformere og konvertering af vedvarende energi, er velegnede til Wolfspeed WolfPACK-modulet, fordi PressFIT er den optimale løsning til disse scenarier. PressFIT-stik har en af de laveste fejlrater sammenlignet med andre tilslutningsmetoder: typisk 0.005 FIT (hvor 1 FIT er lig med én fejl pr. 10 timer), i skarp kontrast til skrueterminalforbindelser og lodning, som har fejlrater på helt op til 0.5 FIT.
Fordel 4: Prototyping
Hurtig installation og nem implementering i prototypefremstilling muliggøres ved blot at indsætte moduler ved hjælp af PressFIT-ben i et printkort. Modulerne kan genbruges i andre projekter, designs eller konfigurationer takket være de aftagelige forbindelser. Selvom det er nemt at installere denne enhed, er de forbindelser, der etableres af PressFIT-ben, velegnede til brug i færdige produkter, da de er yderst pålidelige.
Fordel 5: PCB-fremstilling
Behovet for dedikerede stik med potentielt lange leveringstider elimineres i moduler, da PressFIT-ben ikke kræver specialiserede komponenter og er direkte kompatible med printkort – i modsætning til nogle forbindelser. En betydelig fordel ved PressFIT-ben ligger således i deres kompatibilitet med belagte gennemgående huller.
Installationstiden reduceres, da PressFIT-ben kun kræver, at modulet orienteres korrekt mod printkortet og skubbes på plads. De samlede systemomkostninger reduceres ved kompatibilitet med belagte gennemgående huller i printkort, da der ikke kræves yderligere komponenter eller monteringstrin ud over de huller, der skabes under printkortproduktionen. PressFIT-ben forbedres pålideligheden, fordi moduler kun kan indsættes korrekt, når de er korrekt orienteret, ud over reduktionen af installationstid og -omkostninger.
Press-Fit-teknologi
En forbindelse dannet ved kombinationen af elastisk deformerbare stifter eller stive stifter med metalliserede huller i printpladen kaldes Press-Fit-presseforbindelsesteknologi. Elektrisk sammenkobling opnås gennem mekanisk binding ved at skabe tætte kontaktpunkter mellem stifterne og de metalliserede huller. Deformation af enten stiftens tværsnit eller de metalliserede huller opstår under pres-fit-processen, fordi stifternes tværsnitsstørrelse skal være større end diameteren af de metalliserede huller i printpladen for at danne en tæt pasform.
Mekanisk elektrisk ledning og vedligeholdelse uden brug af loddeteknologi muliggøres af Press-fit, en loddefri benforbindelsesteknologi, der gør det muligt at forbinde monteringsterminaler med galvaniserede gennemgående huller i printkort (PCB). Forskellige testkrav til bilelektronik (baseret på internationale standarder som IEC, EIA og SAE), herunder vibrations-, mekaniske ydeevne- og termisk stødtest (op til 125 °C), kan opfyldes ved hjælp af dens design og test.
Ingen ledende stoffer såsom fluxrester eller tinperler, der kan påvirke pålidelige forbindelser;
Eliminering af almindelige loddeproblemer som koldlodning, kortslutninger og dårlig tinindtrængning;
Intet behov for skruer til at fastgøre stikket til printkortet efter presmontering;
Når man bruger lange stik til presmontering, kan de stifter, der stikker ud fra bagsiden af printkortet, fungere som bagsidestifter for at opnå dobbeltsidede forbindelser;
Deterministisk kontaktimpedans og god højfrekvent ydeevne;
Høj presfittingseffektivitet og lave omkostninger;
Genanvendelig til samling (op til tre gange);
Ingen rengøring nødvendig efter presmontering, hvilket reducerer omkostningerne og er miljøvenligt;
Historien om Press-Fit Press Connection
- 1970: Stiv presfitting
- 1974: C-presse og fleksibel presfitting med Eye of the Needle
- 1983: Tcom prespassningssektion fleksibel presfitting
- 1980'erne: Anvendelse i kommunikationsbranchen
- 1990'erne: Anvendelse i både kommunikations- og bilindustrien
- 2000'erne: Omfattende anvendelse inden for kommunikations-, bil-, lokomotiv- og militærindustrien.
Følgende typer strukturer anvendes til presfittingzonen af forskellige producenter:
Følgende standarder kan bruges som reference til generelle designkrav til printkort. For forskellige mærker bestemmes varierende tekniske specifikationer, såsom indpresningskraft og fastholdelseskraft, af det strukturelle design, dimensioner og materialer af Pin-stifter:
- Med en kobbertykkelse på over 25 μm og en afskrælningsstyrke på ikke mindre end 120 N skal den metalliserede hulbelægning være ensartet og fri for grater.
- Afstanden mellem komponenter og stik skal være større end 5 mm.
- Den maksimale bredde skal være 400 mm.
- Det generelle krav til huldiameternøjagtighed er ±0.05 mm.
Trykkraft og fastholdelseskraft
- Den effektive indpresningskraft for hver stift må helst ikke overstige 150 N.
- Minimumskravene til fastholdelseskraft for stikben er specificeret i den tyske industristandard DIN 41611.
| Kontaktlængde eller diameter | Minimum tilbageholdelseskraft |
| ≤1.3mm | 30N |
| > 1.3mm | 40N |
Materialer til Press-Fit
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
CuCrZr-legeringer: C18150/C18160, C18400
Fordele: Moderat styrke, spændingsaflastningsevne op til 175°C/1000t, Høj elektrisk ledningsevne
Ulemper: Formbarhed og pletteringsevne
CuNiSi-legeringer: C7025, C19005/C19010
Fordele: Moderat elektrisk ledningsevne, høj styrke, spændingsaflastningsevne op til 150°C/1000t,
Ulemper: Højere Youngs modul (retningsafhængig af belastning)
CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Bronze: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Fordele: Lavt Youngs modul, finkornet struktur, høj styrke,
Ulemper: Dårlig spændingsaflastningsevne under høje temperaturer (>100°C), lav elektrisk ledningsevne,
Materialer til pres-fit-applikationer, der opfylder behovene for forbindelser med "lav temperaturstigning, høj strøm og miniaturisering"
CuNiSi-legeringer er et ideelt valg til miniaturiserede og signalintensive forbindelser, da forbedring af indsættelses- og udtrækningskræfter i Press-Fit-forbindelser gennem specielle processer kan forbedre kontaktstabiliteten. De løser problemet med pålidelig kontakt i krympede terminaler og opfylder materialekravene til terminaler i bilelektroniske styreenheder ved effektivt at forbedre kontaktstabiliteten gennem forbedrede indsættelses- og udtrækningskræfter i Press-Fit-forbindelser via specielle forarbejdningsteknikker. Derudover sikres lav-latens signaloverførsel med materialets elektriske ledningsevne fra 35-60 % IACS. Deres trækstyrke overstiger 850 % IACS*, hvilket garanterer pålidelige forbindelser. CuNiSi-legeringer leverer fremragende omfattende ydeevne ved at opnå procesgennembrud gennem koldbearbejdning og opløsningsældningsforstærkende varmebehandling.
Tykkelsen af det elektropletterede gennemgående kobber (PTH Cu-tykkelse) bør ikke være mindre end 1 mil (gennemsnitlig eller enkeltpunkts), hvilket er den regel, der skal følges. Det er ikke tilladt kun at kræve diameteren på hullet efter pletteringen; i stedet skal borestørrelsen og størrelsen på hullet efter pletteringen tydeligt informeres printkortproducenten med henvisning til komponentens anbefalede værdier. Normalt er tykkelsen af kobberplettering omkring 30-55 μm, og tykkelsen af nedsænket tin er generelt større end 1 μm. Huldiameteren på PTH er generelt strengt påkrævet, hvilket specifikt bestemmes i henhold til stiftens design. PTH's struktur er relativt enkel. Generelt er antallet af printkortlag mere end 4. Pletteringen er generelt nedsænket tin eller OSP. De almindeligt anvendte materialer til PTH er glasfiber + epoxyharpiks + kobberfolie med en tykkelse på over 1.6 mm. Stifter har forskellige strukturer med det endelige mål at fremstille stifter, der kræver lav indpresningskraft, men som samtidig tilbyder høj fastholdelseskraft under forhold med nem fremstilling og lave omkostninger.
Høj pålidelighed, overlegen elektrisk og termisk ydeevne samt nem installation er blandt de mange fordele, som PressFIT-teknologi leverer til effektelektroniske systemer. PressFIT-benene forenkler prototyping, modifikationer og moduludskiftning og eliminerer behovet for lodning, skruenøgler og specialværktøj takket være deres genbrugelighed. Derudover letter brugen af belagte gennemgående huller i printkort integrationen af PressFIT-ben i designs, mens mekanisk komprimerede ben sikrer sikre forbindelser.
Læs
Hvordan analyserer man terminalmateriale og svejseproces?
Hvor mange typer elektriske terminaler og stik? (Guide til 14 typer)
Forbindelsesmetoder og analyse af terminaler og stik (5 nødvendige trin)
Hvor mange typer stik- og terminalisoleringsmaterialer (3 hovedkategorier)
Hvilke faktorer bestemmer prisen på elektriske terminaler og stik? (10 nøglefaktorer)
Hvilke certificeringer skal terminaler og stik have? (6 almindelige typer)
Stik VS stik-og-fatning-stik VS terminalblok, hvad er forskellene?
