Análisis de materiales terminales y procesos de soldadura
El crecimiento de la tecnología de encapsulado de semiconductores de potencia se ve impulsado, en cierta medida, por los avances en ingeniería de materiales y técnicas de producción. La industria ha sido pionera en un enfoque de procesamiento íntegramente en cobre para aumentar la resistencia a los ciclos de potencia y la estabilidad operativa a largo plazo, así como para mitigar la discrepancia del coeficiente de expansión térmica entre los diversos materiales de los módulos. Esta metodología consta fundamentalmente de tres elementos clave: soldadura ultrasónica de los terminales de alimentación de cobre del módulo, interconexión mediante cable de cobre y metalización del cobre del chip.
La soldadura ultrasónica de pines se ha desarrollado como un nuevo método de conexión, ya que en aplicaciones específicas se exigen mayores requisitos de fiabilidad en las conexiones de pines. La soldadura ultrasónica de pines ofrece ventajas inigualables al conectar metales idénticos. Dado que la soldadura ultrasónica de metales no requiere fundente ni fuentes de calor externas, la estructura soldada no presenta tensiones residuales ni se deforma por el calor.
La soldadura ultrasónica de pasador ha ganado popularidad en el mercado. Ha logrado una estrecha unión covalente metálica entre materiales idénticos.
La soldadura blanda tradicional puede provocar una soldadura deficiente de los pines debido a factores como fluctuaciones en la presión del aire del equipo, temperaturas anormales en el horno de reflujo y evaporación del fundente de la pasta de soldar. Además, la resistencia de la unión también puede disminuir debido a la formación de compuestos intermetálicos (IMC) durante el uso.
Como se muestra en la figura a continuación, se muestra el principio de la soldadura ultrasónica (soldadura ultrasónica). El sistema de unión por cable ultrasónico se compone principalmente de un cabezal de soldadura, un modulador de amplitud, un transductor y una fuente de alimentación ultrasónica. Esto puede transformar la señal de frecuencia de la fuente de alimentación ultrasónica en vibraciones mecánicas ultrasónicas de alta frecuencia de 20-60 KHz. La cuña aplica presión y energía ultrasónica a la superficie de la aguja durante el proceso de soldadura ultrasónica. La película de óxido entre la aguja y el DBC se rompe por la fricción de la vibración de alta frecuencia bajo su acción combinada. Este proceso expone una interfaz limpia. La presión y la energía ultrasónica continúan aplicándose después de que el metal de la superficie de cobre limpia hace contacto. Este proceso aumenta gradualmente el área de contacto de la soldadura. Esto provoca que los átomos entre las superficies metálicas formen enlaces covalentes. Por lo tanto, se crea una conexión confiable.
Ventajas de la soldadura ultrasónica con pasadores
- Alta precisión de soldadura y bajo consumo energético.
- Altas unidades por hora (UPH) y corto tiempo de soldadura.
- Monitorizar en tiempo real la calidad del proceso de soldadura (deformación, tensión, corriente, etc.).
- No se utiliza soldadura ni fundente durante la soldadura, no es perjudicial para la salud.
- Unión directa de superficie a superficie durante la soldadura para eliminar la necesidad de materiales de relleno.
- Excelentes propiedades físicas, sin estrés térmico en el producto.
- No hay riesgo de oxidación del producto durante el proceso de operación, no se requiere calentamiento
El empaquetado automatizado permite automatizar la encapsulación mediante la función de alimentación automática de pines. Además, se realiza una identificación precisa, con mayor precisión que la soldadura tradicional con pasta de soldadura, antes de soldar, y el proceso es similar a la soldadura ultrasónica de terminales de potencia. La tecnología de soldadura ultrasónica de pines aplicada al empaquetado de módulos de potencia reemplaza el proceso tradicional de soldadura fuerte con pasta de soldadura mediante la soldadura ultrasónica de terminales de señal, mejorando así la conectividad entre los pines y el DBC.
Empuje de superficie de unión estable
Para estudiar la capacidad del módulo de solución de soldadura de pasador ultrasónico para resistir vibraciones aleatorias externas y la racionalidad de su diseño estructural, la frecuencia de vibración del módulo en condiciones de excitación aleatoria se obtiene ajustando la aceleración a 15 G de acuerdo con el estándar AQG – 324.
Proceso de soldadura de láminas de soldadura de alta temperatura
La degradación de las capas de soldadura puede verse acelerada por las características de fluencia de las soldaduras de aleación bajo los efectos de la temperatura debido a las diferencias de CTE (coeficiente de expansión térmica) entre los diferentes materiales.
Soldadura ultrasónica de terminales
Se mejora la confiabilidad del módulo y se reduce efectivamente la inductancia parásita al aplicar el proceso de soldadura ultrasónica a los terminales de alimentación.
Terminales de señal fabricados con materiales de aluminio revestido de cobre
La resistencia de unión y la confiabilidad a largo plazo del módulo se mejoran mediante el uso de materiales de aluminio revestido de cobre para los terminales de señal, ya que la resistencia de unión entre el cable de aluminio y la superficie de aluminio es mayor y la conexión del terminal de señal aún adopta la tecnología de unión de cable de aluminio grueso.
Diseño simétrico
La consistencia de los dos brazos del puente está garantizada y la distribución de corriente se logra eficazmente gracias a la disposición simétrica de los circuitos en paralelo. La superficie superior plana del diseño simétrico de los terminales de alimentación evita la deformación de la superficie durante el proceso de moldeo, lo que facilita la instalación y el uso.
¿Qué es la tecnología PressFIT?
El método de conexión completo se denomina tecnología PressFIT. Los pines se fijan mediante tecnología PressFIT sin necesidad de soldadura ni otros métodos de conexión. Al insertarse en orificios pasantes de PCB de tamaño adecuado y chapados, los pines con cuerpo en forma de arco se comprimen, estableciendo una conexión eléctrica y manteniendo la fiabilidad mecánica.
Ventaja 1: Simplicidad
En el nuevo módulo de potencia WolfPACK de Wolfspeed, el módulo se encaja tras alinear los pines con los orificios de la placa de circuito impreso. Una vez insertado, el módulo se conecta eléctricamente y queda fijado mecánicamente. No se requieren fijaciones, equipos especiales ni múltiples operaciones, ya que el diseño de los conectores PressFIT facilita una instalación sencilla y eficiente.
Ventaja 2: Mayor transmisión de potencia
Se logra una mayor transmisión de corriente mediante una conexión mecánica segura entre los orificios pasantes y los pines, en comparación con otros métodos de conexión. Se presentan características térmicas más destacadas de PressFIT, incluida la disipación de calor. Tanto el rendimiento térmico mejorado como la mayor capacidad de corriente son beneficiosos para las aplicaciones de módulos de potencia. Por lo tanto, diversas topologías de convertidores, como rectificadores activos y circuitos reductores y elevadores, son ideales para el módulo de potencia WolfPACK de Wolfspeed.
Ventaja 3: Baja tasa de fallos
Las aplicaciones con altos requisitos de fiabilidad, como variadores de frecuencia para motores industriales, convertidores conectados a la red eléctrica y conversión de energías renovables, son ideales para el módulo WolfPACK de Wolfspeed, ya que PressFIT es la solución óptima para estos casos. Los conectores PressFIT presentan una de las tasas de fallo más bajas en comparación con otros métodos de conexión: típicamente, 0.005 FIT (donde 1 FIT equivale a un fallo cada 10⁹ horas), en marcado contraste con las conexiones de terminales de tornillo y soldadura, que presentan tasas de fallo de hasta 0.5 FIT.
Ventaja 4: Prototipado
La instalación rápida y la fácil implementación en prototipado se logran simplemente insertando módulos con pines PressFIT en una PCB. Los módulos pueden reutilizarse en otros proyectos, diseños o configuraciones gracias a las conexiones extraíbles. Si bien este dispositivo es fácil de instalar, las conexiones establecidas por los pines PressFIT son ideales para su uso en productos finales gracias a su alta fiabilidad.
Ventaja 5: Fabricación de PCB
En los módulos, se elimina la necesidad de conectores dedicados con plazos de entrega potencialmente largos, ya que los pines PressFIT no requieren componentes especializados y son directamente compatibles con las placas de circuito impreso (PCB), a diferencia de algunas conexiones. Una ventaja significativa de los pines PressFIT reside, por lo tanto, en su compatibilidad con orificios pasantes chapados.
El tiempo de instalación se reduce, ya que los pines PressFIT solo requieren que el módulo esté correctamente orientado hacia la PCB y se inserte en su lugar. Los costos generales del sistema se reducen gracias a la compatibilidad con los orificios pasantes chapados en las PCB, ya que no se requieren componentes ni pasos de ensamblaje adicionales más allá de los orificios creados durante la fabricación de la PCB. Los pines PressFIT mejoran la fiabilidad, ya que los módulos solo se pueden insertar correctamente cuando están correctamente orientados, además de reducir el tiempo y los costos de instalación.
Tecnología Press-Fit
La conexión formada por la combinación de pines elásticamente deformables o pines rígidos con orificios metalizados en la PCB se denomina tecnología de conexión a presión Press-Fit. La interconexión eléctrica se logra mediante la unión mecánica, creando puntos de contacto estrechos entre los pines y los orificios metalizados. La deformación de la sección transversal del pin o de los orificios metalizados se produce durante el proceso de ajuste a presión, ya que el tamaño de la sección transversal de los pines debe ser mayor que el diámetro de los orificios metalizados en la PCB para lograr un ajuste firme.
La conducción y el mantenimiento eléctrico mecánico sin soldadura se posibilitan mediante el ajuste a presión, una tecnología de conexión de pines sin soldadura que permite que los terminales de ensamblaje se conecten con los orificios pasantes galvanizados de la placa de circuito impreso (PCB). Su diseño y pruebas permiten cumplir diversos requisitos de prueba para la electrónica automotriz (basados en normas internacionales como IEC, EIA y SAE), incluyendo pruebas de vibración, rendimiento mecánico y choque térmico (hasta 125 °C).
Sin sustancias conductoras como residuos de fundente o perlas de estaño que puedan afectar la fiabilidad de las conexiones;
Eliminación de problemas de soldadura comunes como soldadura en frío, cortocircuitos y mala penetración del estaño;
No es necesario utilizar tornillos para fijar el conector a la PCB después del ajuste a presión;
Al utilizar conectores de pines largos para ajuste a presión, los pines que se extienden desde la parte posterior de la PCB pueden servir como pines traseros para lograr conexiones de doble cara;
Impedancia de contacto determinista y buen rendimiento de alta frecuencia;
Alta eficiencia de ajuste a presión y bajo costo;
Reutilizable para montaje (hasta tres veces);
No es necesario realizar ninguna limpieza después del ajuste a presión, lo que reduce los costes y es seguro para el medio ambiente;
Historia de la conexión de prensa Press-Fit
- 1970: Ajuste a presión rígido
- 1974: Prensa flexible C-press y Eye of the Needle
- 1983: Sección de ajuste a presión Tcom, ajuste a presión flexible
- Años 1980: Aplicación en la industria de las comunicaciones
- Década de 1990: Aplicación tanto en la industria de las comunicaciones como en la de la automoción
- Década de 2000: Amplia aplicación en las industrias de comunicaciones, automoción, locomotoras y militares.
Los siguientes tipos de estructuras son utilizados por diferentes fabricantes para la zona de prensado:
Las siguientes normas pueden utilizarse como referencia para los requisitos generales de diseño de las placas de circuito impreso. Para las diferentes marcas, las especificaciones técnicas, como la fuerza de presión y la fuerza de retención, varían según el diseño estructural, las dimensiones y los materiales de los pines.
- Con un espesor de orificio de cobre superior a 25 μm y una resistencia al pelado no inferior a 120 N, el recubrimiento metalizado del orificio debe ser uniforme y estar libre de rebabas.
- La distancia entre componentes y conectores deberá ser superior a 5 mm.
- El ancho máximo será de 400 mm.
- El requisito general para la precisión del diámetro del orificio es de ±0.05 mm.
Fuerza de presión y fuerza de retención
- La fuerza de presión efectiva para cada pasador preferiblemente no debe superar los 150 N.
- Los requisitos de fuerza de retención mínima para los pines del conector están especificados en la norma industrial alemana DIN 41611.
| Longitud o diámetro del contacto | Fuerza mínima de retención |
| ≤1.3mm | 30N |
| ＞ 1.3mm | 40N |
Materiales para ajuste a presión
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Aleaciones de CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Ventajas: Resistencia moderada, rendimiento de relajación de tensiones hasta 175 °C/1000 h, alta conductividad eléctrica.
Desventajas: Formabilidad y rendimiento de enchapado.
Aleaciones de CuNiSi: C7025, C19005/C19010
Ventajas: Conductividad eléctrica moderada, alta resistencia, rendimiento de relajación de tensiones hasta 150 °C/1000 h,
Desventajas: Módulo de Young más alto (dependiente de la dirección de la carga)
CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Bronce: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Ventajas: Módulo de Young bajo, estructura de grano fino, alto nivel de resistencia,
Desventajas: Bajo rendimiento de relajación de tensiones a altas temperaturas (>100 °C), baja conductividad eléctrica,
Materiales para aplicaciones de ajuste a presión que satisfacen las necesidades de conexiones de “baja elevación de temperatura, alta corriente y miniaturización”
Las aleaciones de CuNiSi son ideales para conexiones miniaturizadas con alta intensidad de señal, ya que la mejora de las fuerzas de inserción y extracción en las conexiones Press-Fit mediante procesos especiales puede mejorar la estabilidad del contacto. Resuelven el problema de un contacto fiable en terminales crimpados y cumplen con los requisitos de material para terminales en unidades de control electrónico de automoción, mejorando eficazmente la estabilidad del contacto mediante mejores fuerzas de inserción y extracción en las conexiones Press-Fit mediante técnicas de procesamiento especiales. Además, su conductividad eléctrica, que oscila entre el 35 % y el 60 % IACS, garantiza una transmisión de señal de baja latencia. Su resistencia a la tracción supera el 850 % IACS*, lo que garantiza conexiones fiables. Las aleaciones de CuNiSi ofrecen un excelente rendimiento integral, logrando avances en el proceso mediante el trabajo en frío y el tratamiento térmico de refuerzo por envejecimiento en solución.
El espesor del cobre de orificio pasante electrodepositado (espesor PTH Cu) no debe ser inferior a 1 milésima de pulgada (promedio o punto único), lo cual es la regla a seguir. No se permite requerir únicamente el diámetro del orificio posterior al recubrimiento; en su lugar, el tamaño de la perforación y el tamaño posterior al recubrimiento deben informarse claramente al fabricante de la PCB con referencia a los valores recomendados para el componente. Normalmente, el espesor del recubrimiento de cobre es de aproximadamente 30-55 μm, y el espesor del estaño de inmersión suele ser superior a 1 μm. El diámetro del orificio de PTH es generalmente estricto y se determina específicamente según el diseño del pin. La estructura del PTH es relativamente simple. Generalmente, el número de capas de PCB es superior a 4. El recubrimiento suele ser de estaño de inmersión u OSP. Los materiales comúnmente utilizados para PTH son fibra de vidrio + resina epoxi + lámina de cobre, con un espesor superior a 1.6 mm. Los pines tienen diversas estructuras, con el objetivo final de fabricar pines que requieran una baja fuerza de presión, pero que ofrezcan una alta fuerza de retención en condiciones de fácil fabricación y bajo costo.
Alta fiabilidad, rendimiento eléctrico y térmico superior, e instalación sencilla son algunas de las múltiples ventajas que la tecnología PressFIT ofrece a los sistemas de electrónica de potencia. Al simplificar la creación de prototipos, las modificaciones y la sustitución de módulos, los pines PressFIT eliminan la necesidad de soldadura, llaves inglesas y herramientas especiales gracias a su reutilización. Además, el uso de orificios pasantes chapados en las PCB facilita la integración de los pines PressFIT en los diseños, mientras que los pines comprimidos mecánicamente garantizan conexiones seguras.
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