Analyse des matériaux terminaux et des procédés de soudage
La croissance de la technologie d'encapsulation des semi-conducteurs de puissance est, dans une certaine mesure, alimentée par les avancées en ingénierie des matériaux et en techniques de production. L'industrie a été pionnière dans le traitement tout cuivre afin d'améliorer l'endurance aux cycles de puissance et la stabilité opérationnelle à long terme, et de réduire les écarts de coefficient de dilatation thermique entre les différents matériaux des modules. Cette méthodologie repose essentiellement sur trois éléments clés : le soudage par ultrasons des bornes d'alimentation en cuivre des modules, l'interconnexion par fil de cuivre et la métallisation du cuivre des puces.
Le soudage par ultrasons des broches a été développé comme une nouvelle méthode d'assemblage, car certaines applications exigent une fiabilité accrue des assemblages par broches. Le soudage par ultrasons des broches offre des avantages inégalés pour l'assemblage de métaux identiques. Ne nécessitant ni flux ni source de chaleur externe, le soudage des métaux par ultrasons ne présente aucune contrainte résiduelle et ne se déforme pas sous l'effet de la chaleur.
Le soudage par ultrasons à broches a progressivement gagné en popularité sur le marché. Il permet d'obtenir une liaison covalente métallique étroite entre des matériaux identiques.
Le brasage tendre traditionnel peut entraîner une mauvaise soudure des broches en raison de facteurs tels que les fluctuations de pression d'air de l'équipement, une température anormale du four de refusion et l'évaporation du flux de pâte à braser. De plus, la force de liaison peut également diminuer en raison de la croissance de composés intermétalliques (CIM) pendant l'utilisation.
Le principe du soudage par ultrasons est illustré dans la figure ci-dessous. Le système de soudure par ultrasons se compose principalement d'une tête de soudage, d'un modulateur d'amplitude, d'un transducteur et d'une alimentation ultrasonore. Ce système transforme le signal de fréquence d'alimentation de l'alimentation ultrasonore en vibrations mécaniques ultrasonores haute fréquence de 20 à 60 kHz. Le coin applique une pression et une énergie ultrasonore à la surface de l'aiguille Pin pendant le soudage. Le film d'oxyde entre l'aiguille Pin et le DBC est rompu par frottement des vibrations haute fréquence sous leur action combinée. Ce processus révèle une interface propre. La pression et l'énergie ultrasonore continuent d'être appliquées après le contact avec la surface en cuivre propre. Ce processus augmente progressivement la surface de contact de la soudure, ce qui favorise la formation de liaisons covalentes entre les atomes entre les surfaces métalliques. Une connexion fiable est ainsi créée.
Avantages du soudage par ultrasons
- Haute précision de soudage et faible consommation d'énergie.
- Unités par heure élevées (UPH) et temps de soudage court.
- Surveillez en temps réel la qualité du processus de soudage (déformation, tension, courant, etc.).
- Aucune utilisation de soudure ou de flux pendant le soudage, aucun danger pour la santé.
- Liaison directe surface à surface pendant le soudage pour éliminer le besoin de matériaux de remplissage.
- Excellentes propriétés physiques, aucune contrainte thermique sur le produit.
- Aucun risque d'oxydation du produit pendant le processus de fonctionnement, aucun chauffage n'est nécessaire
L'emballage automatisé permet d'automatiser l'encapsulation grâce à l'alimentation automatique des broches. Parallèlement, une identification précise, plus précise que le soudage traditionnel à la pâte à braser, est réalisée avant le soudage, un procédé similaire au soudage par ultrasons des bornes de puissance. La technologie de soudage par ultrasons des broches appliquée au conditionnement des modules de puissance remplace le brasage traditionnel à la pâte à braser par le soudage par ultrasons des bornes de signal, améliorant ainsi la connectivité entre les broches et le DBC.
Poussée de surface de liaison stable
Pour étudier la capacité du module de solution de soudage de broches par ultrasons à résister aux vibrations aléatoires externes et la rationalité de sa conception structurelle, la fréquence de vibration du module dans des conditions d'excitation aléatoire est obtenue en resserrant l'accélération à 15G conformément à la norme AQG – 324.
Procédé de soudage de tôles à haute température
La dégradation des couches de soudure peut être accélérée par les caractéristiques de fluage des soudures en alliage sous les effets de la température en raison des différences de CTE (coefficient de dilatation thermique) entre les différents matériaux.
Soudage par ultrasons terminal
La fiabilité du module est améliorée et l'inductance parasite est efficacement réduite en appliquant le processus de soudage par ultrasons aux bornes d'alimentation.
Bornes de signal en aluminium cuivré
La force de liaison et la fiabilité à long terme du module sont améliorées en utilisant des matériaux en aluminium recouverts de cuivre pour les bornes de signal, car la force de liaison entre le fil d'aluminium et la surface en aluminium est plus élevée et la connexion de la borne de signal adopte toujours la technologie de liaison par fil d'aluminium épais.
Conception symétrique
La cohérence des deux bras du pont est assurée et le partage du courant est assuré efficacement par la disposition symétrique des circuits parallèles. La surface supérieure plane des bornes d'alimentation évite toute déformation lors du moulage, facilitant ainsi l'installation et l'utilisation.
Qu'est-ce que la technologie PressFIT ?
La méthode de connexion complète est appelée technologie PressFIT. Les broches sont fixées grâce à la technologie PressFIT sans soudure ni autre méthode de connexion. Insérées dans des trous traversants de PCB de taille et de métallisation appropriées, les broches, dont le corps est courbé, sont comprimées, établissant ainsi une connexion électrique et préservant la fiabilité mécanique.
Avantage 1 : Simplicité
Dans le nouveau module d'alimentation WolfPack de Wolfspeed, le module est mis en place après avoir aligné les broches avec les trous du circuit imprimé. Une fois inséré, le module établit la connexion électrique et est fixé mécaniquement. Aucune fixation, équipement spécial ni opération multiple ne sont nécessaires, car la conception des connecteurs PressFIT permet une installation simple et efficace.
Avantage 2 : Transmission de puissance plus élevée
La transmission d'un courant plus élevé est assurée par une connexion mécanique sécurisée entre les trous traversants métallisés et les broches, comparativement à d'autres méthodes de connexion. Les caractéristiques thermiques exceptionnelles du PressFIT, notamment la dissipation thermique, sont présentées. Ces performances thermiques améliorées et la capacité de courant accrue sont avantageuses pour les applications de modules de puissance. Par conséquent, diverses topologies de convertisseurs, telles que les redresseurs actifs, les circuits abaisseurs et élévateurs, sont parfaitement adaptées au module de puissance Wolfspeed WolfPACK.
Avantage 3 : Faible taux d'échec
Les applications exigeant une fiabilité élevée, telles que les variateurs de vitesse industriels, les convertisseurs connectés au réseau et la conversion d'énergie renouvelable, sont parfaitement adaptées au module Wolfspeed WolfPACK, car PressFIT est la solution optimale pour ces scénarios. Les connecteurs PressFIT présentent l'un des taux de défaillance les plus faibles par rapport aux autres méthodes de connexion : généralement 0.005 FIT (1 FIT équivaut à une défaillance toutes les 10⁹ heures), contrairement aux connexions par bornes à vis et à la soudure, dont les taux de défaillance peuvent atteindre 0.5 FIT.
Avantage 4 : Prototypage
L'installation rapide et le déploiement aisé en prototypage sont rendus possibles par l'insertion simple de modules à l'aide de broches PressFIT dans un circuit imprimé. Grâce à leurs connexions amovibles, les modules peuvent être réutilisés dans d'autres projets, conceptions ou configurations. Bien que ce dispositif soit facile à installer, les connexions établies par les broches PressFIT sont parfaitement adaptées aux produits finis grâce à leur grande fiabilité.
Avantage 5 : Fabrication de PCB
Dans les modules, le recours à des connecteurs dédiés, potentiellement longs en termes de délais de livraison, est éliminé, car les broches PressFIT ne nécessitent pas de composants spécialisés et sont directement compatibles avec les circuits imprimés, contrairement à certaines connexions. Un avantage majeur des broches PressFIT réside donc dans leur compatibilité avec les trous traversants métallisés.
Le temps d'installation est réduit, car les broches PressFIT nécessitent simplement que le module soit correctement orienté vers le circuit imprimé et inséré. Le coût global du système est réduit grâce à la compatibilité avec les trous métallisés des circuits imprimés, car aucun composant ni étape d'assemblage supplémentaire n'est requis au-delà des trous créés lors de la fabrication. La fiabilité est renforcée par les broches PressFIT, car les modules ne peuvent être insérés correctement que s'ils sont correctement orientés, ce qui réduit le temps et les coûts d'installation.
Technologie Press-Fit
La technologie de connexion par pression Press-Fit est une connexion formée par l'association de broches élastiquement déformables ou rigides avec des trous métallisés pour circuits imprimés. L'interconnexion électrique est réalisée par liaison mécanique en créant des points de contact étroits entre les broches et les trous métallisés. La déformation de la section des broches ou des trous métallisés se produit lors du processus d'insertion par pression, car la section des broches doit être supérieure au diamètre des trous métallisés pour assurer un ajustement parfait.
La conduction et la maintenance électriques mécaniques sans soudure sont possibles grâce à la technologie Press-fit, une connexion par broches sans soudure qui permet de connecter les bornes d'assemblage aux trous traversants galvanisés des circuits imprimés (PCB). Sa conception et ses essais permettent de répondre à diverses exigences de test pour l'électronique automobile (basées sur des normes internationales telles que CEI, EIA et SAE), notamment les tests de vibrations, de performances mécaniques et de chocs thermiques (jusqu'à 125 °C).
Aucune substance conductrice telle que des résidus de flux ou des billes d'étain qui pourraient affecter les connexions fiables ;
Élimination des problèmes de soudure courants tels que la soudure à froid, les courts-circuits et la mauvaise pénétration de l'étain ;
Pas besoin de vis pour fixer le connecteur au PCB après le montage par pression ;
Lors de l'utilisation de connecteurs à broches longues pour le montage par pression, les broches s'étendant depuis l'arrière du PCB peuvent servir de broches arrière pour réaliser des connexions double face ;
Impédance de contact déterministe et bonnes performances à haute fréquence ;
Efficacité d'emmanchement élevée et faible coût ;
Réutilisable pour l'assemblage (jusqu'à trois fois) ;
Aucun nettoyage requis après le montage par pression, ce qui réduit les coûts tout en étant respectueux de l'environnement ;
Histoire de la connexion par pression
- 1970 : emmanchement rigide
- 1974 : emmanchement à sertir flexible C-press et Eye of the Needle
- 1983 : Section d'emmanchement à pression Tcom, emmanchement à pression flexible
- Années 1980 : Application dans l'industrie des communications
- Années 1990 : Application dans les secteurs des communications et de l'automobile
- Années 2000 : Application étendue dans les secteurs des communications, de l'automobile, des locomotives et de l'armée.
Les types de structures suivants sont utilisés pour la zone d'emmanchement par différents fabricants :
Les normes suivantes peuvent être consultées pour les exigences générales de conception des circuits imprimés. Selon les marques, les spécifications techniques, telles que la force d'insertion et la force de rétention, varient selon la conception structurelle, les dimensions et les matériaux des broches.
- Avec une épaisseur de trou en cuivre supérieure à 25 µm et une résistance au pelage d'au moins 120 N, le placage de trou métallisé doit être uniforme et exempt de bavures.
- L'espacement entre les composants et les connecteurs doit être supérieur à 5 mm.
- La largeur maximale doit être de 400 mm.
- L'exigence générale en matière de précision du diamètre du trou est de ± 0.05 mm.
Force d'enfoncement et force de rétention
- La force d'enfoncement effective pour chaque broche ne doit de préférence pas dépasser 150 N.
- Les exigences minimales de force de rétention pour les broches de connecteur sont spécifiées par la norme industrielle allemande DIN 41611.
| Longueur ou diamètre du contact | Force de rétention minimale |
| ≤1.3mm | 30N |
| ＞ 1.3 mm | 40N |
Matériaux pour Ajustement par pression
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Alliages CuCrZr : C18150/C18160, C18400
Avantages : Résistance modérée, performance de relaxation des contraintes jusqu'à 175°C/1000h, conductivité électrique élevée
Inconvénients : Formabilité et performance de placage
Alliages CuNiSi : C7025, C19005/C19010
Avantages : conductivité électrique modérée, haute résistance, performance de relaxation des contraintes jusqu'à 150°C/1000h,
Inconvénients : Module de Young plus élevé (dépendant de la direction de la charge)
CuCrZr : C18150/C18160, C18400
Bronze : CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Avantages : Faible module de Young, structure à grains fins, niveau de résistance élevé,
Inconvénients : Faible performance de relaxation des contraintes à haute température (> 100 °C), faible conductivité électrique,
Matériaux pour applications à emmanchement forcé répondant aux besoins de connexions à « faible élévation de température, courant élevé et miniaturisation »
Les alliages CuNiSi constituent un choix idéal pour les connexions miniaturisées et à fort signal. L'amélioration des forces d'insertion et d'extraction des connexions Press-Fit grâce à des procédés spéciaux permet d'optimiser la stabilité des contacts. Ils résolvent le problème de la fiabilité des contacts des bornes serties et répondent aux exigences des matériaux des bornes des unités de commande électronique automobiles en améliorant efficacement la stabilité des contacts grâce à des techniques de traitement spécifiques. De plus, leur conductivité électrique comprise entre 35 et 60 % IACS assure une transmission du signal à faible latence. Leur résistance à la traction supérieure à 850 % IACS* garantit des connexions fiables. Les alliages CuNiSi offrent d'excellentes performances globales grâce à des avancées technologiques grâce à un traitement thermique de durcissement par écrouissage et un traitement thermique de renforcement par vieillissement en solution.
L'épaisseur du cuivre électrodéposé traversant (épaisseur PTH Cu) ne doit pas être inférieure à 1 mil (moyenne ou ponctuelle), ce qui constitue la règle à suivre. Il n'est pas permis d'exiger uniquement le diamètre du trou après placage ; la taille du perçage et la taille après placage doivent être clairement communiquées au fabricant de circuits imprimés, en référence aux valeurs recommandées pour les composants. Généralement, l'épaisseur du placage de cuivre est d'environ 30 à 55 µm, et celle de l'étain par immersion est généralement supérieure à 1 µm. Le diamètre du trou du PTH est généralement strictement requis, déterminé spécifiquement en fonction de la conception de la broche. La structure du PTH est relativement simple. Le PCB comporte généralement plus de 4 couches. Le placage est généralement de l'étain par immersion ou de l'OSP. Les matériaux couramment utilisés pour le PTH sont la fibre de verre, la résine époxy et la feuille de cuivre, d'une épaisseur supérieure à 1.6 mm. Les broches présentent diverses structures, l'objectif étant de fabriquer des broches nécessitant une faible force d'enfoncement tout en offrant une force de rétention élevée, tout en étant faciles à fabriquer et à faible coût.
Fiabilité élevée, performances électriques et thermiques supérieures et installation simplifiée : voici quelques-uns des nombreux avantages de la technologie PressFIT pour les systèmes d'électronique de puissance. Simplifiant le prototypage, les modifications et le remplacement des modules, les broches PressFIT éliminent le besoin de soudure, de clés et d'outils spéciaux grâce à leur réutilisation. De plus, l'utilisation de trous traversants métallisés dans les circuits imprimés facilite l'intégration des broches PressFIT dans les conceptions, tandis que les broches comprimées mécaniquement garantissent des connexions sécurisées.
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