Analyse von Anschlussmaterialien und Schweißprozessen
Das Wachstum der Gehäusetechnologie für Leistungshalbleiter wird teilweise durch Durchbrüche in der Materialentwicklung und den Produktionstechniken vorangetrieben. Die Branche hat einen Ansatz zur Vollkupferverarbeitung entwickelt, um die Lebensdauer und Langzeitstabilität der Halbleiter zu erhöhen und die Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen verschiedenen Materialien in Modulen zu verringern. Dieses Verfahren besteht im Wesentlichen aus drei Schlüsselelementen: Ultraschallschweißen der Kupfer-Stromanschlüsse der Module, Kupferdraht-Bonden und Chip-Kupfermetallisierung.
Das Stift-Ultraschallschweißen wurde als neues Verbindungsverfahren entwickelt, da in bestimmten Anwendungsszenarien höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Stiftverbindungen gestellt werden. Stift-Ultraschallschweißen bietet einzigartige Vorteile beim Verbinden gleichartiger Metalle. Da beim Ultraschall-Metallschweißen weder Flussmittel noch externe Wärmequellen benötigt werden, weist die Schweißstruktur keine Eigenspannungen auf und verformt sich nicht durch Hitze.
Das Stift-Ultraschallschweißen erfreut sich zunehmender Beliebtheit auf dem Markt. Dabei wird eine enge metallische kovalente Bindung zwischen identischen Materialien erreicht.
Herkömmliches Weichlöten kann aufgrund von Faktoren wie Luftdruckschwankungen im Gerät, anormaler Temperatur im Reflow-Ofen und Verdunstung des Lötpastenflussmittels zu einer schlechten Pin-Verschweißung führen. Darüber hinaus kann die Bindungsfestigkeit durch das Wachstum intermetallischer Verbindungen (IMC) während des Gebrauchs abnehmen.
Die folgende Abbildung zeigt das Prinzip des Ultraschallschweißens. Das Ultraschall-Drahtbondsystem besteht im Wesentlichen aus einem Schweißkopf, einem Amplitudenmodulator, einem Wandler und einer Ultraschallstromversorgung. Dieses wandelt das Netzfrequenzsignal der Ultraschallstromversorgung in hochfrequente mechanische Ultraschallschwingungen von 20–60 kHz um. Beim Ultraschallschweißen übt der Keil Druck und Ultraschallenergie auf die Oberfläche der Stiftnadel aus. Durch die kombinierte Einwirkung der hochfrequenten Schwingungsreibung wird die Oxidschicht zwischen der Stiftnadel und dem DBC aufgebrochen. Durch diesen Vorgang wird eine saubere Schnittstelle freigelegt. Auch nachdem die saubere Kupferoberfläche Kontakt hergestellt hat, werden weiterhin Druck und Ultraschallenergie ausgeübt. Durch diesen Vorgang wird die Schweißkontaktfläche allmählich vergrößert. Dies führt außerdem dazu, dass Atome zwischen den Metalloberflächen kovalente Bindungen bilden. So wird letztendlich eine zuverlässige Verbindung hergestellt.
Vorteile des Ultraschall-Pinschweißens
- Hohe Schweißpräzision und geringer Energieverbrauch.
- Hohe Einheiten pro Stunde (UPH) und kurze Schweißzeit.
- Überwachen Sie die Qualität des Schweißprozesses in Echtzeit (Verformung, Spannung, Strom usw.).
- Keine Verwendung von Lötzinn oder Flussmittel beim Schweißen, keine Gesundheitsschäden.
- Direkte Oberflächenverbindung während des Schweißens, um den Bedarf an Füllmaterialien zu eliminieren.
- Hervorragende physikalische Eigenschaften, keine thermische Belastung des Produkts.
- Keine Gefahr der Produktoxidation während des Betriebs, keine Erwärmung erforderlich
Automatisiertes Packaging ermöglicht die Automatisierung der Kapselung durch die automatische Pin-Zuführung. Vor dem Schweißen erfolgt eine präzise Identifizierung, die präziser ist als beim herkömmlichen Lötpastenschweißen. Der Prozess ähnelt dem Ultraschallschweißen von Leistungsanschlüssen. Die Ultraschall-Pin-Schweißtechnologie, die bei der Verpackung von Leistungsmodulen zum Einsatz kommt, ersetzt das herkömmliche Löten durch Ultraschallschweißen von Signalanschlüssen und verbessert so die Konnektivität zwischen Pins und DBC.
Stabiler Verbindungsoberflächenschub
Um die Widerstandsfähigkeit des Ultraschall-Stiftschweißlösungsmoduls gegenüber externen zufälligen Vibrationen und die Rationalität seines strukturellen Designs zu untersuchen, wird die Vibrationsfrequenz des Moduls unter zufälligen Anregungsbedingungen ermittelt, indem die Beschleunigung gemäß dem Standard AQG-15 auf 324 G erhöht wird.
Hochtemperatur-Lötblechschweißverfahren
Der Abbau von Lötschichten kann durch das Kriechverhalten von Legierungsloten unter Temperatureinwirkung aufgrund der Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen verschiedenen Materialien beschleunigt werden.
Ultraschallschweißen von Anschlüssen
Durch die Anwendung des Ultraschallschweißverfahrens auf die Stromanschlüsse wird die Zuverlässigkeit des Moduls verbessert und die parasitäre Induktivität wirksam reduziert.
Signalanschlüsse aus kupferkaschiertem Aluminium
Die Verbindungsstärke und die langfristige Zuverlässigkeit des Moduls werden durch die Verwendung von kupferkaschiertem Aluminiummaterial für die Signalanschlüsse verbessert, da die Verbindungsstärke zwischen dem Aluminiumdraht und der Aluminiumoberfläche höher ist und für die Signalanschlussverbindung weiterhin die dicke Aluminiumdrahtverbindungstechnologie verwendet wird.
Symmetrisches Design
Die Konsistenz der beiden Brückenzweige wird durch die symmetrische Anordnung der Parallelschaltungen gewährleistet und eine effektive Stromaufteilung erreicht. Durch die flache Oberseite der symmetrischen Stromanschlüsse wird ein Verziehen der Oberseite während des Formprozesses vermieden, was die Installation und Nutzung erleichtert.
Was ist PressFIT-Technologie?
Die komplette Verbindungsmethode heißt PressFIT-Technologie. Die Stifte werden mit PressFIT befestigt, ohne dass Löten oder andere Verbindungsmethoden erforderlich sind. Beim Einstecken in entsprechend dimensionierte und beschichtete Leiterplatten-Durchgangslöcher werden die Stifte mit ihrem bogenförmigen Körper zusammengedrückt, wodurch eine elektrische Verbindung hergestellt und die mechanische Zuverlässigkeit gewährleistet wird.
Vorteil 1: Einfachheit
Beim neuen Wolfspeed WolfPACK-Leistungsmodul wird das Modul nach dem Ausrichten der Stifte mit den Löchern auf der Leiterplatte in Position geschoben. Nach dem Einsetzen ist das Modul elektrisch verbunden und mechanisch gesichert. Es sind keine Befestigungen, Spezialgeräte oder mehrere Arbeitsschritte erforderlich, da das Design der PressFIT-Steckverbinder eine einfache und effiziente Installation ermöglicht.
Vorteil 2: Höhere Kraftübertragung
Eine höhere Stromübertragung wird durch eine sichere mechanische Verbindung zwischen den durchkontaktierten Löchern und den Pins im Vergleich zu anderen Verbindungsmethoden ermöglicht. PressFIT bietet weitere hervorragende thermische Eigenschaften, einschließlich der Wärmeableitung. Sowohl die verbesserte thermische Leistung als auch die erhöhte Strombelastbarkeit sind für Leistungsmodulanwendungen von Vorteil. Daher eignen sich verschiedene Wandlertopologien, wie z. B. aktive Gleichrichter, Abwärts- und Aufwärtsschaltungen, gut für das Wolfspeed WolfPACK-Leistungsmodul.
Vorteil 3: Geringe Ausfallrate
Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen, wie z. B. industrielle Motorantriebe, netzgekoppelte Konverter und die Umwandlung erneuerbarer Energien, eignen sich hervorragend für das Wolfspeed WolfPACK-Modul, da PressFIT die optimale Lösung für diese Szenarien darstellt. PressFIT-Steckverbinder weisen im Vergleich zu anderen Verbindungsmethoden eine der niedrigsten Ausfallraten auf: typischerweise 0.005 FIT (wobei 1 FIT einem Ausfall pro 10⁹ Stunden entspricht). Im Gegensatz dazu weisen Schraubklemmenverbindungen und Lötverbindungen Ausfallraten von bis zu 0.5 FIT auf.
Vorteil 4: Prototyping
Durch das einfache Einstecken von Modulen mit PressFIT-Pins in eine Leiterplatte wird eine schnelle Installation und ein einfacher Einsatz im Prototyping ermöglicht. Dank der abnehmbaren Verbindungen können die Module in anderen Projekten, Designs oder Konfigurationen wiederverwendet werden. Obwohl die Installation dieses Geräts einfach ist, eignen sich die durch PressFIT-Pins hergestellten Verbindungen aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit auch für den Einsatz in Endprodukten.
Vorteil 5: Leiterplattenherstellung
Der Bedarf an dedizierten Steckverbindern mit potenziell langen Lieferzeiten entfällt in Modulen, da PressFIT-Pins keine speziellen Komponenten benötigen und – im Gegensatz zu einigen anderen Anschlüssen – direkt mit Leiterplatten kompatibel sind. Ein wesentlicher Vorteil von PressFIT-Pins liegt somit in ihrer Kompatibilität mit durchkontaktierten Löchern.
Die Installationszeit wird verkürzt, da bei PressFIT-Pins das Modul lediglich korrekt zur Leiterplatte ausgerichtet und eingeschoben werden muss. Die Gesamtsystemkosten werden durch die Kompatibilität mit durchkontaktierten Leiterplatten reduziert, da über die bei der Leiterplattenherstellung erzeugten Löcher hinaus keine zusätzlichen Komponenten oder Montageschritte erforderlich sind. PressFIT-Pins erhöhen die Zuverlässigkeit, da Module nur bei korrekter Ausrichtung erfolgreich eingesetzt werden können. Dies reduziert Installationszeit und -kosten.
Einpresstechnologie
Eine Verbindung, die durch die Kombination von elastisch verformbaren oder starren Stiften mit metallisierten Leiterplattenlöchern entsteht, wird als Press-Fit-Pressverbindungstechnologie bezeichnet. Die elektrische Verbindung wird durch mechanische Verbindung erreicht, indem enge Kontaktpunkte zwischen den Stiften und den metallisierten Löchern geschaffen werden. Während des Press-Fit-Prozesses kommt es zu einer Verformung des Stiftquerschnitts oder der metallisierten Löcher, da der Querschnitt der Stifte größer sein muss als der Durchmesser der metallisierten Leiterplattenlöcher, um einen festen Sitz zu gewährleisten.
Mechanische elektrische Leitung und Wartung ohne Löttechnik werden durch Pressfit ermöglicht, eine lötfreie Stiftverbindungstechnologie, die den Anschluss von Montageklemmen an galvanisierte Durchgangslöcher von Leiterplatten ermöglicht. Durch Design und Prüfung können verschiedene Testanforderungen für die Automobilelektronik (basierend auf internationalen Standards wie IEC, EIA und SAE), darunter Vibrations-, mechanische Leistungs- und Thermoschocktests (bis 125 °C), erfüllt werden.
Keine leitfähigen Substanzen wie Flussmittelrückstände oder Zinnperlen, die zuverlässige Verbindungen beeinträchtigen könnten;
Beseitigung häufiger Lötprobleme wie Kaltlöten, Kurzschlüsse und schlechte Zinndurchdringung;
Nach dem Einpressen sind keine Schrauben mehr erforderlich, um den Steckverbinder auf der Leiterplatte zu befestigen.
Bei der Verwendung von Langstift-Steckverbindern zum Einpressen können die aus der Rückseite der Leiterplatte herausragenden Stifte als Rückseitenstifte dienen, um doppelseitige Verbindungen zu erreichen;
Deterministische Kontaktimpedanz und gute Hochfrequenzleistung;
Hohe Einpresseffizienz und niedrige Kosten;
Wiederverwendbar für die Montage (bis zu dreimal);
Nach dem Einpressen ist keine Reinigung erforderlich, was die Kosten senkt und gleichzeitig die Umwelt schont;
Geschichte der Einpresspressverbindung
- 1970: Starre Pressverbindungen
- 1974: C-Press und flexibles Nadelöhr-Pressfitting
- 1983: Tcom Presspassung flexible Presspassung
- 1980er Jahre: Anwendung in der Kommunikationsbranche
- 1990er Jahre: Anwendung sowohl in der Kommunikations- als auch in der Automobilindustrie
- 2000er: Umfangreiche Anwendung in der Kommunikations-, Automobil-, Lokomotiv- und Militärindustrie.
Für die Einpresszone werden von verschiedenen Herstellern folgende Aufbauarten verwendet:
Für allgemeine Designanforderungen an Leiterplatten können die folgenden Normen herangezogen werden. Je nach Hersteller variieren die technischen Spezifikationen wie Einpresskraft und Haltekraft durch den konstruktiven Aufbau, die Abmessungen und die Materialien der Pin-Pins:
- Bei einer Kupferlochdicke von über 25 μm und einer Abzugsfestigkeit von nicht weniger als 120 N muss die metallisierte Lochbeschichtung gleichmäßig und gratfrei sein.
- Der Abstand zwischen Komponenten und Anschlüssen muss größer als 5 mm sein.
- Die maximale Breite beträgt 400 mm.
- Die allgemeine Anforderung an die Genauigkeit des Lochdurchmessers beträgt ±0.05 mm.
Einpresskraft und Haltekraft
- Die effektive Einpresskraft für jeden Stift sollte vorzugsweise 150N nicht überschreiten.
- Die Mindestanforderungen an die Haltekraft von Steckerstiften sind in der deutschen Industrienorm DIN 41611 festgelegt.
| Kontaktlänge oder -durchmesser | Mindesthaltekraft |
| ≤1.3mm | 30N |
| ＞ 1.3mm | 40N |
Materialien für Einpressen
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
CuCrZr-Legierungen: C18150/C18160, C18400
Vorteile: Mittlere Festigkeit, Spannungsrelaxationsverhalten bis 175°C/1000h, Hohe elektrische Leitfähigkeit
Nachteile: Formbarkeit und Beschichtungsleistung
CuNiSi-Legierungen: C7025, C19005/C19010
Vorteile: Mäßige elektrische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit, Spannungsrelaxationsverhalten bis 150°C/1000h,
Nachteile: Höherer Elastizitätsmodul (richtungsabhängig von der Belastung)
CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Bronze: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Vorteile: Niedriger Elastizitätsmodul, feine Kornstruktur, hohe Festigkeit,
Nachteile: Schlechte Spannungsrelaxation bei hohen Temperaturen (>100°C), geringe elektrische Leitfähigkeit,
Materialien für Presspassungsanwendungen, die die Anforderungen an Verbindungen mit „geringer Erwärmung, hohem Strom und Miniaturisierung“ erfüllen
CuNiSi-Legierungen eignen sich ideal für miniaturisierte und signalintensive Verbindungen, da verbesserte Steck- und Ziehkräfte in Press-Fit-Verbindungen durch spezielle Verfahren die Kontaktstabilität erhöhen. Sie lösen das Problem des zuverlässigen Kontakts bei Crimpkontakten und erfüllen die Materialanforderungen für Anschlüsse in elektronischen Steuergeräten von Kraftfahrzeugen, indem sie die Kontaktstabilität durch verbesserte Steck- und Ziehkräfte von Press-Fit-Verbindungen mittels spezieller Verarbeitungsverfahren effektiv verbessern. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials von 35–60 % IACS gewährleistet zudem eine Signalübertragung mit geringer Latenz. Ihre Zugfestigkeit übersteigt 850 % IACS* und garantiert so zuverlässige Verbindungen. CuNiSi-Legierungen bieten eine hervorragende Gesamtleistung durch Prozessdurchbrüche bei Kaltverformung und lösungshärtender Wärmebehandlung.
Die Dicke der galvanisierten Durchgangskupferschicht (Durchgangskupferschicht) sollte mindestens 1 mil (durchschnittlich oder punktförmig) betragen. Dies ist die einzuhaltende Regel. Es ist nicht zulässig, nur den Durchmesser der nach der Beschichtung liegenden Löcher anzugeben. Stattdessen müssen die Bohrgröße und die Größe der nach der Beschichtung liegenden Löcher dem Leiterplattenhersteller unter Bezugnahme auf die empfohlenen Werte der Bauteile klar mitgeteilt werden. Die Dicke der Kupferbeschichtung beträgt üblicherweise etwa 30–55 μm, die Dicke der Chemisch Zinnschicht in der Regel über 1 μm. Der Lochdurchmesser der Durchgangsbohrung ist in der Regel streng vorgeschrieben und richtet sich nach dem Pin-Design. Der Aufbau der Durchgangsbohrung ist relativ einfach. Die Anzahl der Leiterplattenlagen beträgt in der Regel mehr als vier. Die Beschichtung besteht in der Regel aus Chemisch Zinn oder OSP. Die üblicherweise für Durchgangsbohrungen verwendeten Materialien sind Glasfaser, Epoxidharz und Kupferfolie mit einer Dicke von über 4 mm. Pins haben unterschiedliche Strukturen, mit dem Ziel, Pins herzustellen, die eine geringe Einpresskraft erfordern, aber dennoch eine hohe Haltekraft bei einfacher und kostengünstiger Herstellung bieten.
Hohe Zuverlässigkeit, überlegene elektrische und thermische Leistung sowie eine unkomplizierte Installation zählen zu den zahlreichen Vorteilen der PressFIT-Technologie für Leistungselektroniksysteme. PressFIT-Pins vereinfachen Prototyping, Modifikationen und Modulaustausch und machen dank ihrer Wiederverwendbarkeit Löten, Schraubenschlüssel und Spezialwerkzeuge überflüssig. Die Verwendung von durchkontaktierten Leiterplatten erleichtert zudem die Integration von PressFIT-Pins in Designs, während mechanisch komprimierte Pins sichere Verbindungen gewährleisten.
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