Analisis Material Terminal dan Proses Pengelasan
Pertumbuhan teknologi pengemasan semikonduktor daya, sampai batas tertentu, didorong oleh terobosan dalam rekayasa material dan teknik produksi. Industri ini telah memelopori pendekatan pemrosesan tembaga murni, untuk meningkatkan ketahanan siklus daya dan stabilitas operasional jangka panjang serta mengurangi ketidaksesuaian koefisien ekspansi termal di antara berbagai material dalam modul. Metodologi ini pada dasarnya terdiri dari tiga elemen utama: pengelasan ultrasonik terminal daya tembaga modul, interkoneksi ikatan kawat tembaga, dan metalisasi tembaga chip.
Pengelasan ultrasonik pin telah dikembangkan sebagai metode penyambungan baru, karena dalam skenario aplikasi tertentu, persyaratan yang lebih tinggi diberikan pada keandalan sambungan pin. Pengelasan ultrasonik pin menawarkan keuntungan yang tak tertandingi dalam menyambungkan logam yang sama. Karena pengelasan logam ultrasonik tidak memerlukan fluks atau sumber panas eksternal, struktur yang dilas tidak akan memiliki tegangan sisa dan tidak akan berubah bentuk karena panas.
Pengelasan ultrasonik pin secara bertahap mulai diminati di pasaran. Pengelasan ini telah menghasilkan ikatan kovalen metalik yang erat antara material yang identik.
Penyolderan lunak tradisional dapat menyebabkan pengelasan pin yang buruk karena faktor-faktor seperti fluktuasi tekanan udara peralatan, suhu oven reflow yang tidak normal, penguapan fluks pasta solder. Selain itu, kekuatan ikatan juga dapat menurun karena pertumbuhan senyawa intermetalik (IMC) selama penggunaan.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini adalah prinsip pengelasan ultrasonik (Ultrasonic Welding). Sistem ikatan kawat ultrasonik terutama terdiri dari kepala las, modulator amplitudo, transduser, dan catu daya ultrasonik. Ini pada akhirnya dapat mengubah sinyal frekuensi daya dari catu daya ultrasonik menjadi getaran mekanis ultrasonik frekuensi tinggi 20-60 KHz. Baji menerapkan tekanan dan energi ultrasonik ke permukaan jarum Pin selama proses pengelasan ultrasonik. Film oksida antara jarum Pin dan DBC dipecah oleh gesekan getaran frekuensi tinggi di bawah aksi gabungan mereka. Proses ini memperlihatkan antarmuka yang bersih. Tekanan dan energi ultrasonik terus diterapkan setelah logam permukaan tembaga yang bersih melakukan kontak. Proses ini secara bertahap meningkatkan area kontak pengelasan. Hal ini selanjutnya menyebabkan atom-atom di antara permukaan logam membentuk ikatan kovalen. Oleh karena itu, koneksi yang andal pada akhirnya tercipta.
Keuntungan Pengelasan Pin Ultrasonik
- Presisi pengelasan tinggi dan konsumsi energi rendah.
- Unit Per Jam (UPH) Tinggi dan waktu pengelasan singkat.
- Pantau kualitas proses pengelasan secara real-time (deformasi, tegangan, arus, dll.).
- Tidak menggunakan solder atau fluks selama pengelasan, tidak membahayakan kesehatan.
- Ikatan permukaan-ke-permukaan langsung selama pengelasan untuk menghilangkan kebutuhan akan bahan pengisi.
- Sifat fisik yang sangat baik, tidak ada tekanan termal pada produk.
- Tidak ada risiko oksidasi produk selama proses operasi, tidak memerlukan pemanasan
Pengemasan otomatis membantu mencapai otomatisasi enkapsulasi melalui fungsi pengumpanan otomatis pin. Sementara itu, identifikasi yang tepat, dengan presisi yang lebih tinggi daripada pengelasan pasta solder tradisional, dilakukan sebelum pengelasan, dan prosesnya mirip dengan pengelasan ultrasonik terminal daya. Teknologi pengelasan Pin ultrasonik yang diterapkan dalam pengemasan modul daya menggantikan proses penyolderan pasta solder tradisional melalui pengelasan ultrasonik terminal sinyal, sehingga meningkatkan konektivitas antara Pin dan DBC.
Dorongan Permukaan Ikatan Stabil
Untuk mempelajari kemampuan modul solusi pengelasan pin ultrasonik dalam menahan getaran acak eksternal dan rasionalitas desain strukturalnya, frekuensi getaran modul dalam kondisi eksitasi acak diperoleh dengan mengencangkan akselerasi hingga 15G sesuai dengan standar AQG – 324.
Proses Pengelasan Lembaran Solder Suhu Tinggi
Degradasi lapisan solder dapat dipercepat oleh karakteristik mulur solder paduan di bawah pengaruh suhu yang disebabkan oleh perbedaan CTE (koefisien ekspansi termal) di antara berbagai material.
Pengelasan Ultrasonik Terminal
Keandalan modul ditingkatkan dan induktansi parasit dikurangi secara efektif dengan menerapkan proses pengelasan ultrasonik ke terminal daya.
Terminal Sinyal Terbuat dari Bahan Aluminium Berlapis Tembaga
Kekuatan ikatan dan keandalan jangka panjang modul ditingkatkan dengan menggunakan bahan aluminium berlapis tembaga untuk terminal sinyal, karena kekuatan ikatan antara kawat aluminium dan permukaan aluminium lebih tinggi dan sambungan terminal sinyal masih mengadopsi teknologi ikatan kawat aluminium tebal.
Desain Simetris
Konsistensi kedua lengan jembatan dipastikan dan pembagian arus dicapai secara efektif melalui tata letak simetris dari rangkaian paralel. Kelengkungan permukaan atas selama proses pencetakan dihindari oleh permukaan atas yang datar dalam desain terminal daya yang simetris, yang memudahkan pemasangan dan penggunaan oleh pengguna.
Apa itu Teknologi PressFIT?
Metode penyambungan lengkap disebut teknologi PressFIT. Pin diamankan dalam teknologi PressFIT tanpa bergantung pada penyolderan atau metode penyambungan lainnya. Saat dimasukkan ke dalam lubang tembus PCB berukuran dan berlapis yang sesuai, pin dengan badan berbentuk busur dikompresi, sehingga terbentuk sambungan listrik dan menjaga keandalan mekanis.
Keunggulan 1: Kesederhanaan
Pada modul daya Wolfspeed WolfPACK yang baru, modul didorong ke tempatnya setelah menyelaraskan pin dengan lubang pada PCB. Setelah dimasukkan, modul mencapai sambungan listrik dan diamankan secara mekanis. Tidak diperlukan pengencangan, peralatan khusus, atau beberapa operasi karena desain konektor PressFIT mendukung pemasangan yang sederhana dan efisien.
Keunggulan 2: Transmisi Daya Lebih Tinggi
Transmisi arus yang lebih tinggi didukung dengan membangun sambungan mekanis yang aman antara lubang tembus berlapis dan pin dibandingkan dengan beberapa metode sambungan lainnya. Karakteristik termal PressFIT yang lebih menonjol, termasuk pembuangan panas, disajikan. Baik kinerja termal yang ditingkatkan maupun kapasitas arus yang meningkat bermanfaat untuk aplikasi modul daya. Oleh karena itu, berbagai topologi konverter, seperti penyearah aktif, rangkaian buck, dan boost, sangat cocok untuk modul daya Wolfspeed WolfPACK.
Keunggulan 3: Tingkat Kegagalan Rendah
Aplikasi dengan persyaratan keandalan tinggi, seperti penggerak motor industri, konverter yang terhubung ke jaringan, konversi daya energi terbarukan, sangat cocok untuk modul Wolfspeed WolfPACK karena PressFIT merupakan solusi optimal untuk skenario ini. Konektor PressFIT memiliki salah satu tingkat kegagalan terendah dibandingkan dengan metode koneksi lainnya: biasanya, 0.005 FIT (di mana 1 FIT sama dengan satu kegagalan per 10⁹ jam), sangat kontras dengan koneksi terminal sekrup dan penyolderan, yang memiliki tingkat kegagalan setinggi 0.5 FIT.
Keunggulan 4: Pembuatan Prototipe
Pemasangan yang cepat dan penerapan yang mudah dalam pembuatan prototipe dapat dilakukan hanya dengan memasukkan modul menggunakan pin PressFIT ke dalam PCB. Modul dapat digunakan kembali dalam proyek, desain, atau konfigurasi lain karena sambungannya dapat dilepas. Meskipun mudah untuk memasang perangkat ini, sambungan yang dibuat oleh pin PressFIT cocok untuk digunakan dalam produk akhir karena sangat andal.
Keunggulan 5: Pembuatan PCB
Kebutuhan akan konektor khusus dengan waktu tunggu yang lama dihilangkan dalam modul, karena pin PressFIT tidak memerlukan komponen khusus dan secara langsung kompatibel dengan PCB—tidak seperti beberapa koneksi. Dengan demikian, keuntungan signifikan dari pin PressFIT terletak pada kompatibilitasnya dengan lubang tembus berlapis.
Waktu pemasangan berkurang karena pin PressFIT hanya mengharuskan modul diarahkan dengan benar ke PCB dan didorong ke tempatnya. Biaya sistem secara keseluruhan berkurang karena kompatibilitas dengan lubang tembus berlapis pada PCB, karena tidak ada komponen tambahan atau langkah perakitan yang diperlukan di luar lubang yang dibuat selama pembuatan PCB. Keandalan ditingkatkan oleh pin PressFIT karena modul hanya dapat berhasil dimasukkan jika diarahkan dengan benar, di luar pengurangan waktu dan biaya pemasangan.
Teknologi Press-Fit
Sambungan yang dibentuk oleh kombinasi pin yang dapat dideformasi secara elastis atau pin kaku dengan lubang logam PCB disebut teknologi sambungan tekan Press-Fit. Interkoneksi listrik dicapai melalui ikatan mekanis dengan menciptakan titik kontak yang rapat antara pin dan lubang logam. Deformasi baik penampang pin maupun lubang logam terjadi selama proses press-fit karena ukuran penampang pin harus lebih besar dari diameter lubang logam PCB untuk membentuk kecocokan yang rapat.
Konduksi dan pemeliharaan listrik mekanis tanpa menggunakan teknologi penyolderan dimungkinkan oleh Press-fit, teknologi sambungan pin tanpa solder yang memungkinkan terminal rakitan terhubung dengan lubang tembus berlapis elektro pada papan sirkuit cetak (PCB). Berbagai persyaratan pengujian untuk elektronik otomotif (berdasarkan standar internasional seperti IEC, EIA, dan SAE), termasuk uji getaran, kinerja mekanis, dan guncangan termal (hingga 125°C), dapat dipenuhi melalui desain dan pengujiannya.
Tidak ada zat konduktif seperti residu fluks atau manik-manik timah yang dapat mempengaruhi keandalan sambungan;
Penghapusan masalah penyolderan umum seperti penyolderan dingin, korsleting, dan penetrasi timah yang buruk;
Tidak memerlukan sekrup untuk mengencangkan konektor ke PCB setelah pemasangan tekan;
Saat menggunakan konektor pin panjang untuk pemasangan tekan, pin yang memanjang dari bagian belakang PCB dapat berfungsi sebagai pin sisi belakang untuk memperoleh sambungan dua sisi;
Impedansi kontak deterministik dan kinerja frekuensi tinggi yang baik;
Efisiensi pemasangan tekan yang tinggi dan biaya rendah;
Dapat digunakan kembali untuk perakitan (hingga tiga kali);
Tidak memerlukan pembersihan setelah pemasangan tekan, sehingga mengurangi biaya dan tetap aman bagi lingkungan;
Sejarah Koneksi Pers Press-Fit
- 1970: Pemasangan tekan kaku
- 1974: Mesin press fleksibel C-press dan Eye of the Needle
- 1983: Bagian press-fit Tcom yang fleksibel dan pas dengan press-fit
- 1980-an: Aplikasi dalam industri komunikasi
- 1990-an: Aplikasi di industri komunikasi dan otomotif
- 2000-an: Aplikasi luas dalam industri komunikasi, otomotif, lokomotif, dan militer.
Jenis struktur berikut digunakan untuk zona pemasangan tekan oleh berbagai produsen:
Standar berikut dapat dijadikan acuan untuk persyaratan desain umum papan sirkuit cetak. Untuk berbagai merek, spesifikasi teknis yang bervariasi seperti gaya tekan dan gaya retensi ditentukan oleh desain struktural, dimensi, dan bahan pin Pin:
- Dengan ketebalan lubang tembaga melebihi 25μm dan kekuatan kupas tidak kurang dari 120N, pelapisan lubang metalisasi harus seragam dan bebas dari gerinda.
- Jarak antara komponen dan konektor harus lebih besar dari 5 mm.
- Lebar maksimum adalah 400 mm.
- Persyaratan umum untuk akurasi diameter lubang adalah ±0.05mm.
Kekuatan Tekan dan Kekuatan Retensi
- Gaya tekan efektif untuk masing-masing pin sebaiknya tidak melebihi 150 N.
- Persyaratan gaya retensi minimum untuk pin konektor ditetapkan oleh standar industri Jerman DIN 41611.
| Panjang atau Diameter Kontak | Kekuatan Retensi Minimum |
| ≤1.3mm | 30N |
| ＞ 1.3mm | 40N |
Bahan untuk Tekan-Fit
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Paduan CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Keunggulan: Kekuatan sedang, kinerja relaksasi tegangan hingga 175°C/1000h, Konduktivitas listrik tinggi
Kekurangan: Kemampuan bentuk dan kinerja pelapisan
Paduan CuNiSi: C7025, C19005/C19010
Keunggulan: Konduktivitas listrik sedang, kekuatan tinggi, kinerja relaksasi tegangan hingga 150°C/1000h,
Kekurangan: Modulus Young lebih tinggi (arahnya tergantung pada pembebanan)
CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Perunggu: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Keunggulan: Modulus Young rendah, struktur butiran halus, tingkat kekuatan tinggi,
Kekurangan: Kinerja relaksasi tegangan buruk pada suhu tinggi (>100°C), konduktivitas listrik rendah,
Material untuk Aplikasi Press-Fit Memenuhi Kebutuhan Koneksi “Kenaikan Suhu Rendah, Arus Tinggi, Miniaturisasi”
Paduan CuNiSi merupakan pilihan ideal untuk sambungan miniatur dan intensif sinyal karena peningkatan gaya penyisipan dan ekstraksi pada sambungan Press-Fit melalui proses khusus dapat meningkatkan stabilitas kontak. Paduan ini memecahkan masalah kontak yang andal pada terminal yang dikerutkan dan memenuhi persyaratan material untuk terminal pada unit kontrol elektronik otomotif dengan secara efektif meningkatkan stabilitas kontak melalui peningkatan gaya penyisipan dan ekstraksi sambungan Press-Fit melalui teknik pemrosesan khusus. Selain itu, dengan konduktivitas listrik material yang berkisar antara 35-60% IACS, transmisi sinyal latensi rendah dipastikan. Kekuatan tariknya melebihi 850% IACS*, yang menjamin sambungan yang andal. Paduan CuNiSi memberikan kinerja komprehensif yang sangat baik dengan mencapai terobosan proses melalui pengerjaan dingin dan perlakuan panas penguatan penuaan larutan.
Ketebalan tembaga melalui lubang elektroplating (ketebalan PTH Cu) tidak boleh kurang dari 1 mil (rata-rata atau titik tunggal), yang merupakan aturan yang harus diikuti. Tidak diperbolehkan hanya mensyaratkan diameter lubang pasca-pelapisan; sebaliknya, ukuran pengeboran dan ukuran pasca-pelapisan harus diinformasikan dengan jelas kepada produsen PCB dengan mengacu pada nilai komponen yang direkomendasikan. Biasanya, ketebalan pelapisan tembaga sekitar 30-55 μm, dan ketebalan timah imersi umumnya lebih besar dari 1 μm. Diameter lubang PTH umumnya sangat diperlukan, yang secara khusus ditentukan sesuai dengan desain pin. Struktur PTH relatif sederhana. Umumnya, jumlah lapisan PCB lebih dari 4. Pelapisan umumnya timah imersi atau OSP. Bahan yang umum digunakan untuk PTH adalah fiberglass + resin epoksi + foil tembaga, dengan ketebalan lebih besar dari 1.6 mm. Pin memiliki struktur yang beragam, dengan tujuan akhir untuk memproduksi pin yang memerlukan gaya tekan rendah namun menawarkan gaya retensi tinggi dalam kondisi kemudahan manufaktur dan biaya rendah.
Keandalan tinggi, kinerja listrik dan termal yang unggul, dan pemasangan yang mudah merupakan beberapa manfaat yang diberikan teknologi PressFIT pada sistem elektronika daya. Dengan menyederhanakan pembuatan prototipe, modifikasi, dan penggantian modul, pin PressFIT menghilangkan kebutuhan akan penyolderan, kunci pas, dan peralatan khusus berkat penggunaannya yang berulang. Selain itu, penggunaan lubang tembus berlapis pada PCB memudahkan integrasi pin PressFIT ke dalam desain, sementara pin yang dikompresi secara mekanis memastikan koneksi yang aman.
Lanjut membaca
Bagaimana Menganalisis Material Terminal dan Proses Pengelasan?
Ada Berapa Jenis Terminal dan Konektor Listrik? (Panduan untuk 14 Jenis)
Metode Koneksi dan Analisis Terminal dan Konektor (5 Langkah yang Diperlukan)
Berapa banyak jenis bahan isolasi konektor dan terminal (3 kategori utama)
Faktor apa saja yang menentukan biaya terminal dan konektor listrik? (10 Faktor Utama)
Sertifikasi Apa yang Dibutuhkan Terminal dan Konektor? (6 Jenis Umum)
