Liitinmateriaalien ja hitsausprosessien analyysi
Tehopuolijohteiden pakkausteknologian kasvua vauhdittavat jossain määrin materiaalitekniikan ja tuotantotekniikoiden läpimurrot. Teollisuus on ollut edelläkävijä kokonaan kuparipohjaisessa prosessointimenetelmässä parantaakseen tehonvaihteluiden kestävyyttä ja pitkän aikavälin toimintavakautta sekä lieventääkseen moduulien eri materiaalien lämpölaajenemiskertoimien epäsuhtaa. Tämä menetelmä koostuu pohjimmiltaan kolmesta keskeisestä elementistä: moduulien kupariteholiittimien ultraäänihitsauksesta, kuparilankojen liittämisestä yhteenliittämisestä ja sirujen kuparimetalloinnista.
Tappien ultraäänihitsaus on kehitetty uudeksi liitäntämenetelmäksi, koska tietyissä sovellustilanteissa tappiliitosten luotettavuudelle asetetaan korkeammat vaatimukset. Tappien ultraäänihitsaus tarjoaa vertaansa vailla olevia etuja samojen metallien liittämisessä. Koska ultraäänimetallien hitsaus ei vaadi juoksutetta tai ulkoisia lämmönlähteitä, hitsatussa rakenteessa ei ole jäännösjännitystä eikä se muodonmuutostu lämmön vaikutuksesta.
Tappihitsaus ultraäänellä on vähitellen saavuttanut suosiota markkinoilla. Se on saavuttanut tiiviin metallisen kovalenttisen sidoksen identtisten materiaalien välille.
Perinteinen pehmeäjuotos voi johtaa huonoon tapin hitsaukseen johtuen esimerkiksi laitteiden ilmanpaineen vaihteluista, epänormaalista reflow-uunin lämpötilasta ja juotospastan juoksutteen haihtumisesta. Lisäksi sidoslujuus voi myös heikentyä käytön aikana esiintyvien metallien välisten yhdisteiden (IMC) kasvun vuoksi.
Kuten alla olevassa kuvassa on esitetty ultraäänihitsauksen (ultraäänihitsaus) periaate. Ultraäänilangan liitosjärjestelmä koostuu pääasiassa hitsauspäästä, amplitudimodulaattorista, muuntimesta ja ultraäänivirtalähteestä. Tämä voi lopulta muuntaa ultraäänivirtalähteen tehotaajuussignaalin 20–60 kHz:n korkeataajuisiksi ultraäänivärähtelyiksi. Kiila kohdistaa painetta ja ultraäänienergiaa tapineulan pintaan ultraäänihitsausprosessin aikana. Tapineulan ja DBC:n välinen oksidikalvo rikkoutuu korkeataajuisen värähtelyn kitkan vaikutuksesta niiden yhteisvaikutuksesta. Tämä prosessi paljastaa puhtaan rajapinnan. Paineen ja ultraäänienergian kohdistaminen jatkuu sen jälkeen, kun puhdas kuparipintametalli on kosketuksissa. Tämä prosessi lisää hitsauskosketuspinta-alaa vähitellen. Tämä saa entisestään atomien muodostamaan kovalenttisia sidoksia metallipintojen välillä. Näin ollen lopulta luodaan luotettava liitos.
Ultraäänitappihitsauksen edut
- Korkea hitsaustarkkuus ja alhainen energiankulutus.
- Korkea hitsausmäärä tunnissa (UPH) ja lyhyt hitsausaika.
- Seuraa hitsausprosessin laatua reaaliajassa (muodonmuutos, jännite, virta jne.).
- Ei juotteen tai fluxin käyttöä hitsauksen aikana, ei terveyshaittoja.
- Suora pintojen välinen liimaus hitsauksen aikana poistaa lisäaineiden tarpeen.
- Erinomaiset fysikaaliset ominaisuudet, ei lämpörasitusta tuotteessa.
- Ei tuotteen hapettumisriskiä käyttöprosessin aikana, lämmitystä ei tarvita
Automaattinen pakkaus auttaa saavuttamaan kapseloinnin automatisoinnin nastojen automaattisella syöttötoiminnolla. Samalla tarkka tunnistus suoritetaan ennen hitsausta, joka on tarkempi kuin perinteisessä juotospastahitsauksessa, ja prosessi on samanlainen kuin teholiittimien ultraäänihitsaus. Tehomoduulien pakkauksissa käytetty ultraääni-nastojen hitsaustekniikka korvaa perinteisen juotospastan juotosprosessin signaaliliittimien ultraäänihitsauksella, mikä parantaa nastojen ja DBC:n välistä yhteyttä.
Vakaa liimauspinnan työntövoima
Ultraäänitappihitsausratkaisun moduulin kyvyn vastustaa ulkoisia satunnaisia värähtelyjä ja sen rakenteellisen suunnittelun järkevyyden tutkimiseksi moduulin värähtelytaajuus satunnaisissa heräteolosuhteissa saadaan kiristämällä kiihtyvyys 15G:hen AQG-324-standardin mukaisesti.
Korkean lämpötilan juotoslevyn hitsausprosessi
Juotoskerrosten hajoamista voivat kiihdyttää seosjuotteiden virumisominaisuudet lämpötilan vaikutuksesta, mikä johtuu eri materiaalien CTE-eroista (lämpölaajenemiskerroin).
Terminaalin ultraäänihitsaus
Moduulin luotettavuutta parannetaan ja loisinduktanssia vähennetään tehokkaasti käyttämällä ultraäänihitsausprosessia teholiittimissä.
Kuparipäällysteisistä alumiinimateriaaleista valmistetut signaaliliittimet
Moduulin sidoslujuutta ja pitkäaikaista luotettavuutta parannetaan käyttämällä kuparipäällysteisiä alumiinimateriaaleja signaaliliittimissä, koska alumiinilangan ja alumiinipinnan välinen sidoslujuus on suurempi ja signaaliliittimen liitäntä käyttää edelleen paksua alumiinilangan sidostekniikkaa.
Symmetrinen muotoilu
Kahden sillanvarren yhtenäisyys ja tehokas virranjako varmistetaan rinnakkaispiirien symmetrisellä sijoittelulla. Yläpinnan vääntyminen muovausprosessin aikana vältetään virtaliittimien symmetrisen rakenteen ansiosta, mikä helpottaa asennusta ja käyttöä.
Mikä on PressFIT-teknologia?
Täydellistä liitäntämenetelmää kutsutaan PressFIT-tekniikaksi. Nastat kiinnitetään PressFIT-tekniikalla ilman juottamista tai muita liitäntämenetelmiä. Kun kaarenmuotoiset nastat työnnetään sopivan kokoisiin ja pinnoitettuihin piirilevyn läpivientireikiin, ne puristuvat kokoon, jolloin muodostuu sähköinen yhteys ja säilytetään mekaaninen luotettavuus.
Etu 1: Yksinkertaisuus
Uudessa Wolfspeed WolfPACK -tehomoduulissa moduuli työnnetään paikalleen sen jälkeen, kun nastat on kohdistettu piirilevyn reikiin. Kun moduuli on asetettu paikalleen, se muodostaa sähköisen liitännän ja on mekaanisesti kiinnitetty. Kiinnitystä, erikoislaitteita tai useita työvaiheita ei tarvita, koska PressFIT-liittimien rakenne tukee yksinkertaista ja tehokasta asennusta.
Etu 2: Suurempi tehonsiirto
Pinnoitettujen läpireikien ja nastojen välille muodostettu turvallinen mekaaninen liitos parantaa virransiirtoa verrattuna joihinkin muihin liitäntämenetelmiin. PressFIT-liittimien erinomaiset lämpöominaisuudet, mukaan lukien lämmönpoisto, ovat erinomaiset. Sekä parannettu lämpösuorituskyky että lisääntynyt virtakapasiteetti ovat hyödyllisiä tehomoduulisovelluksissa. Siksi erilaiset muunnintopologiat, kuten aktiiviset tasasuuntaajat, isku- ja tehostuspiirit, sopivat hyvin Wolfspeed WolfPACK -tehomoduuliin.
Etu 3: Alhainen vikaantumisaste
Wolfspeed WolfPACK -moduuli sopii hyvin sovelluksiin, joissa on korkeat luotettavuusvaatimukset, kuten teollisuusmoottorikäytöt, verkkoon kytketyt muuntimet ja uusiutuvan energian muuntaminen, koska PressFIT on optimaalinen ratkaisu näihin tilanteisiin. PressFIT-liittimillä on yksi alhaisimmista vikaantumisasteista verrattuna muihin liitäntämenetelmiin: tyypillisesti 0.005 FIT (jossa 1 FIT vastaa yhtä vikaa 10⁹ tunnissa), jyrkässä ristiriidassa ruuviliitäntöjen ja juotosten kanssa, joiden vikaantumisaste on jopa 0.5 FIT.
Etu 4: Prototyyppien valmistus
Nopea asennus ja helppo käyttöönotto prototyyppien valmistuksessa mahdollistetaan yksinkertaisesti asettamalla moduulit PressFIT-nastojen avulla piirilevyyn. Moduuleja voidaan käyttää uudelleen muissa projekteissa, suunnitelmissa tai kokoonpanoissa irrotettavien liitäntöjen ansiosta. Vaikka laitteen asentaminen on helppoa, PressFIT-nastojen avulla muodostetut liitokset soveltuvat käytettäväksi lopputuotteissa, koska ne ovat erittäin luotettavia.
Etu 5: Piirilevyjen valmistus
Moduuleissa ei tarvita erillisiä liittimiä, joiden läpimenoajat voivat olla pitkiä, koska PressFIT-nastat eivät vaadi erikoiskomponentteja ja ovat suoraan yhteensopivia piirilevyjen kanssa – toisin kuin jotkut liitännät. PressFIT-nastojen merkittävä etu on siis niiden yhteensopivuus pinnoitettujen läpivientireikien kanssa.
Asennusaika lyhenee, koska PressFIT-nastojen kanssa moduuli tarvitsee vain asettaa oikein piirilevyä vasten ja työntää paikalleen. Järjestelmän kokonaiskustannuksia alennetaan, koska se on yhteensopiva piirilevyjen galvanoitujen läpireikien kanssa, koska piirilevyn valmistuksen aikana luotujen reikien lisäksi ei tarvita lisäkomponentteja tai kokoonpanovaiheita. PressFIT-nastojen luotettavuus paranee, koska moduulit voidaan asentaa onnistuneesti vain oikein päin, mikä lyhentää asennusaikaa ja -kustannuksia.
Puristussovitustekniikka
Liitosta, joka muodostetaan yhdistämällä joustavasti muotoaan muuttavat tapit tai jäykät tapit piirilevyn metalloituihin reikiin, kutsutaan Press-Fit-puristusliitäntätekniikaksi. Sähköinen yhteenliittäminen saavutetaan mekaanisella liimauksella luomalla tiiviit kosketuspisteet tappien ja metalloitujen reikien välille. Sekä tapin poikkileikkauksen että metalloitujen reikien muodonmuutos tapahtuu puristussovitusprosessin aikana, koska tappien poikkileikkauskoon on oltava suurempi kuin piirilevyn metalloitujen reikien halkaisija tiiviin sovituksen muodostamiseksi.
Press-fit on juottamaton nastaliitäntätekniikka, jonka avulla kokoonpanoliittimet voidaan liittää piirilevylle (PCB) galvanoituihin läpivientireikiin, mikä mahdollistaa mekaanisen sähkönjohtavuuden ja ylläpidon ilman juotostekniikkaa. Sen suunnittelu ja testaus täyttävät erilaiset autoelektroniikan testausvaatimukset (jotka perustuvat kansainvälisiin standardeihin, kuten IEC, EIA ja SAE), mukaan lukien tärinä-, mekaaninen suorituskyky- ja lämpöshokkitestit (jopa 125 °C).
Ei johtavia aineita, kuten fluksejähteitä tai tinahelmiä, jotka voisivat vaikuttaa luotettaviin yhteyksiin;
Yleisten juotosongelmien, kuten kylmäjuottamisen, oikosulkujen ja huonon tinan tunkeutumisen, poistaminen;
Liittimen kiinnittämiseen piirilevyyn puristusliitoksen jälkeen ei tarvita ruuveja;
Kun puristusliitokseen käytetään pitkänastaisia liittimiä, piirilevyn takaosasta ulkonevat tapit voivat toimia takapuolen tappina kaksipuolisten liitosten aikaansaamiseksi;
Deterministinen kosketusimpedanssi ja hyvä korkeataajuinen suorituskyky;
Korkea puristussovitustehokkuus ja alhaiset kustannukset;
Uudelleenkäytettävä kokoonpanoa varten (jopa kolme kertaa);
Ei vaadi puhdistusta puristusliitoksen jälkeen, mikä vähentää kustannuksia ja on ympäristöystävällinen;
Press-Fit-puristusliitännän historia
- 1970: Jäykkä puristusliitos
- 1974: C-prässi ja Eye of the Needle -joustoprässiliitin
- 1983: Tcomin puristusliitososa, joustava puristusliitos
- 1980-luku: Sovellus viestintäalalla
- 1990-luku: Sovellus sekä viestintä- että autoteollisuudessa
- 2000-luku: Laaja sovellusalue tietoliikenne-, auto-, veturi- ja sotilasteollisuudessa.
Eri valmistajat käyttävät puristusliitosvyöhykkeelle seuraavia rakenteita:
Seuraaviin standardeihin voidaan viitata piirilevyjen yleisten suunnitteluvaatimusten osalta. Eri tuotemerkeille vaihtelevat tekniset tiedot, kuten puristusvoima ja pidätysvoima, määräytyvät nastojen rakenteellisen rakenteen, mittojen ja materiaalien mukaan:
- Jos reiän kuparin paksuus on yli 25 μm ja kuorimislujuus vähintään 120 N, metalloidun reikäpinnoitteen on oltava tasainen ja purseeton.
- Komponenttien ja liittimien välisen etäisyyden on oltava yli 5 mm.
- Suurin leveys saa olla 400 mm.
- Reiän halkaisijan tarkkuuden yleinen vaatimus on ±0.05 mm.
Puristusvoima ja pidätysvoima
- Kunkin tapin tehokas puristusvoima ei mieluiten saa ylittää 150 N.
- Liitinnastojen vähimmäispidätysvoimavaatimukset on määritelty saksalaisessa teollisuusstandardissa DIN 41611.
| Koskettimen pituus tai halkaisija | Pienin pidätysvoima |
| ≤1.3mm | 30N |
| > 1.3mm | 40N |
Materiaalit varten Press-Fit
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
CuCrZr-seokset: C18150/C18160, C18400
Edut: Kohtalainen lujuus, jännityksen relaksaatiokyky jopa 175 °C/1000 h, korkea sähkönjohtavuus
Haitat: Muovattavuus ja pinnoitusominaisuudet
CuNiSi-seokset: C7025, C19005/C19010
Edut: Kohtalainen sähkönjohtavuus, korkea lujuus, jännityksen relaksaatiokyky jopa 150 °C/1000 h,
Haitat: Korkeampi Youngin moduuli (suunnasta riippuvainen kuormituksesta)
CuCrZr：C18150/C18160, C18400
Pronssi: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Edut: Alhainen kimmokerroin, hienorakeinen rakenne, korkea lujuustaso,
Haitat: Huono jännityksen relaksaatiokyky korkeissa lämpötiloissa (>100 °C), alhainen sähkönjohtavuus,
Puristussovitemateriaalit, jotka täyttävät "alhaisen lämpötilan nousun, suuren virran ja pienennetyn" liitännän tarpeet
CuNiSi-seokset ovat ihanteellinen valinta miniatyrisoituihin ja signaali-intensiivisiin liitoksiin, sillä Press-Fit-liitosten sisään- ja ulosvetovoimien parantaminen erikoisprosessien avulla voi parantaa kosketuksen vakautta. Ne ratkaisevat luotettavan kosketuksen ongelman puristusliittimissä ja täyttävät autojen elektronisten ohjausyksiköiden liittimien materiaalivaatimukset parantamalla tehokkaasti kosketuksen vakautta parantamalla Press-Fit-liitosten sisään- ja ulosvetovoimia erityisten käsittelytekniikoiden avulla. Lisäksi materiaalin sähkönjohtavuus, joka vaihtelee välillä 35–60 % IACS, varmistaa matalan latenssin signaalinsiirron. Niiden vetolujuus ylittää 850 % IACS*, mikä takaa luotettavat liitännät. CuNiSi-seokset tarjoavat erinomaisen kattavan suorituskyvyn saavuttamalla prosessien läpimurtoja kylmämuokkauksen ja liuosvanhenemista vahvistavan lämpökäsittelyn avulla.
Galvanoidun läpireiän kuparin paksuuden (PTH Cu -paksuus) ei tulisi olla alle 1 mil (keskimääräinen tai yksittäinen piste), mikä on noudatettava sääntö. Pelkkää pinnoituksen jälkeistä reiän halkaisijaa ei saa vaatia; sen sijaan porauskoko ja pinnoituksen jälkeinen koko on ilmoitettava selkeästi piirilevyn valmistajalle komponentin suositusten mukaisesti. Yleensä kuparipinnoitteen paksuus on noin 30–55 μm ja upotustinapinnoitteen paksuus on yleensä yli 1 μm. PTH:n reiän halkaisija on yleensä ehdottoman tärkeä, ja se määräytyy erikseen tapin rakenteen mukaan. PTH:n rakenne on suhteellisen yksinkertainen. Yleensä piirilevyn kerrosten lukumäärä on yli 4. Pinnoite on yleensä upotustinaa tai OSP:tä. Yleisesti käytettyjä PTH-materiaaleja ovat lasikuitu + epoksihartsi + kuparifolio, joiden paksuus on yli 1.6 mm. Tapeilla on erilaisia rakenteita, ja perimmäisenä tavoitteena on valmistaa nastoja, jotka vaativat vähän puristusvoimaa, mutta tarjoavat silti suuren pidätysvoiman helposti valmistettavilla ja edullisilla olosuhteilla.
PressFIT-teknologian tehoelektroniikkajärjestelmille tarjoamien monien etujen joukossa ovat korkea luotettavuus, erinomaiset sähkö- ja lämpöominaisuudet sekä yksinkertainen asennus. PressFIT-nastat yksinkertaistavat prototyyppien valmistusta, muutoksia ja moduulien vaihtoa poistamalla juottamisen, jakoavainten ja erikoistyökalujen tarpeen uudelleenkäytettävyytensä ansiosta. Lisäksi pinnoitettujen läpireikien käyttö piirilevyissä helpottaa PressFIT-nastojen integrointia malleihin, kun taas mekaanisesti puristetut nastat varmistavat turvalliset liitännät.
Continue Reading
Kuinka analysoida päätemateriaalia ja hitsausprosessia?
Kuinka monta tyyppiä sähköliittimiä ja -liittimiä on olemassa? (Opas 14 tyypille)
Liitäntämenetelmät ja liittimien ja napojen analysointi (5 tarvittavaa vaihetta)
Kuinka monta tyyppiä liittimiä ja terminaalien eristysmateriaaleja on olemassa (3 pääluokkaa)
Mitkä tekijät vaikuttavat sähköliittimien ja -liittimien hintaan? (10 keskeistä tekijää)
Mitä sertifikaatteja terminaalit ja liittimet tarvitsevat? (6 yleistä tyyppiä)
Liitin VS. Pistoke- ja pistorasialiitin VS. Riviliitin, mitä ne eroavat toisistaan?
