Analisi dei materiali terminali e dei processi di saldatura
La crescita della tecnologia di packaging dei semiconduttori di potenza è, in una certa misura, alimentata da innovazioni nell'ingegneria dei materiali e nelle tecniche di produzione. Il settore ha sperimentato un approccio di lavorazione interamente in rame, al fine di aumentarne la resistenza ai cicli di potenza e la stabilità operativa a lungo termine, oltre ad attenuare la discrepanza del coefficiente di dilatazione termica tra i diversi materiali nei moduli. Questa metodologia si basa fondamentalmente su tre elementi chiave: la saldatura a ultrasuoni dei terminali di potenza in rame dei moduli, l'interconnessione tramite bonding con fili di rame e la metallizzazione del rame dei chip.
La saldatura a ultrasuoni a perno è stata sviluppata come nuovo metodo di connessione, poiché in specifici scenari applicativi vengono richiesti requisiti più elevati in termini di affidabilità delle connessioni a perno. La saldatura a ultrasuoni a perno offre vantaggi ineguagliabili nella connessione di metalli identici. Poiché la saldatura a ultrasuoni dei metalli non richiede flusso o fonti di calore esterne, la struttura saldata non presenterà tensioni residue e non si deformerà a causa del calore.
La saldatura a ultrasuoni a perno ha gradualmente guadagnato popolarità sul mercato. Ha permesso di ottenere un legame covalente metallico stretto tra materiali identici.
La tradizionale brasatura dolce può causare una scarsa saldatura dei perni a causa di fattori quali fluttuazioni della pressione dell'aria dell'apparecchiatura, temperature anomale del forno di rifusione ed evaporazione del flusso di pasta saldante. Inoltre, la resistenza del legame può diminuire a causa della crescita di composti intermetallici (IMC) durante l'uso.
Come mostrato nella figura sottostante, il principio della saldatura a ultrasuoni (Ultrasonic Welding). Il sistema di saldatura a ultrasuoni è composto principalmente da una testa di saldatura, un modulatore di ampiezza, un trasduttore e un alimentatore a ultrasuoni. Questo può trasformare il segnale a frequenza di rete dell'alimentatore a ultrasuoni in vibrazioni meccaniche ultrasoniche ad alta frequenza di 20-60 kHz. Il cuneo applica pressione ed energia ultrasonica alla superficie dell'ago del perno durante il processo di saldatura a ultrasuoni. Il film di ossido tra l'ago del perno e il DBC viene rotto dall'attrito delle vibrazioni ad alta frequenza sotto la loro azione combinata. Questo processo espone un'interfaccia pulita. Pressione ed energia ultrasonica continuano ad essere applicate dopo che la superficie metallica di rame pulita entra in contatto. Questo processo aumenta gradualmente l'area di contatto della saldatura. Ciò fa sì che gli atomi tra le superfici metalliche formino legami covalenti. Pertanto, si crea una connessione affidabile.
Vantaggi della saldatura a perni ad ultrasuoni
- Elevata precisione di saldatura e basso consumo energetico.
- Elevate unità all'ora (UPH) e tempi di saldatura brevi.
- Monitorare la qualità del processo di saldatura in tempo reale (deformazione, tensione, corrente, ecc.).
- Nessun utilizzo di saldature o flussi durante la saldatura, nessun danno alla salute.
- Incollaggio diretto superficie-superficie durante la saldatura per eliminare la necessità di materiali di riempimento.
- Eccellenti proprietà fisiche, nessuno stress termico sul prodotto.
- Nessun rischio di ossidazione del prodotto durante il processo operativo, non è necessario alcun riscaldamento
Il confezionamento automatizzato contribuisce all'automazione dell'incapsulamento grazie alla funzione di alimentazione automatica dei pin. Inoltre, prima della saldatura viene eseguita un'identificazione precisa, con una precisione superiore rispetto alla tradizionale saldatura con pasta saldante, e il processo è simile alla saldatura a ultrasuoni dei terminali di potenza. La tecnologia di saldatura a ultrasuoni dei pin applicata al confezionamento dei moduli di potenza sostituisce il tradizionale processo di brasatura con pasta saldante mediante la saldatura a ultrasuoni dei terminali di segnale, migliorando così la connettività tra pin e DBC.
Spinta superficiale di legame stabile
Per studiare la capacità del modulo di soluzione di saldatura a perni a ultrasuoni di resistere alle vibrazioni casuali esterne e la razionalità della sua progettazione strutturale, la frequenza di vibrazione del modulo in condizioni di eccitazione casuale viene ottenuta aumentando l'accelerazione a 15G in conformità con lo standard AQG – 324.
Processo di saldatura di lamiere saldate ad alta temperatura
La degradazione degli strati di saldatura può essere accelerata dalle caratteristiche di scorrimento delle leghe di saldatura sotto l'effetto della temperatura, dovute alle differenze di CTE (coefficiente di espansione termica) tra materiali diversi.
Saldatura ad ultrasuoni terminale
L'affidabilità del modulo viene migliorata e l'induttanza parassita viene efficacemente ridotta applicando il processo di saldatura a ultrasuoni ai terminali di potenza.
Terminali di segnale realizzati in materiali di alluminio rivestiti in rame
La resistenza del legame e l'affidabilità a lungo termine del modulo vengono migliorate utilizzando materiali in alluminio rivestiti in rame per i terminali del segnale, poiché la resistenza del legame tra il filo di alluminio e la superficie di alluminio è maggiore e la connessione del terminale del segnale adotta ancora la tecnologia di legame con filo di alluminio spesso.
Design simmetrico
La coerenza dei due bracci del ponte è garantita e la condivisione della corrente è efficacemente ottenuta grazie alla disposizione simmetrica dei circuiti paralleli. La deformazione della superficie superiore durante il processo di stampaggio è evitata dalla superficie superiore piatta nel design simmetrico dei terminali di potenza, che ne facilita l'installazione e l'utilizzo da parte dell'utente.
Che cos'è la tecnologia PressFIT?
Il metodo di connessione completo è chiamato tecnologia PressFIT. I pin vengono fissati con la tecnologia PressFIT senza ricorrere a saldature o altri metodi di connessione. Una volta inseriti in fori passanti del PCB opportunamente dimensionati e placcati, i pin, con il loro corpo a forma di arco, vengono compressi, stabilendo una connessione elettrica e mantenendo l'affidabilità meccanica.
Vantaggio 1: Semplicità
Nel nuovo modulo di alimentazione WolfPACK di Wolfspeed, il modulo viene inserito a pressione dopo aver allineato i pin con i fori sul PCB. Una volta inserito, il modulo realizza la connessione elettrica ed è fissato meccanicamente. Non sono necessari fissaggi, attrezzature speciali o operazioni multiple, poiché il design dei connettori PressFIT consente un'installazione semplice ed efficiente.
Vantaggio 2: maggiore trasmissione di potenza
Una trasmissione di corrente più elevata è supportata dalla creazione di una connessione meccanica sicura tra i fori passanti placcati e i pin rispetto ad altri metodi di connessione. Vengono presentate anche le eccezionali caratteristiche termiche di PressFIT, inclusa la dissipazione del calore. Sia le migliori prestazioni termiche che la maggiore capacità di corrente sono vantaggiose per le applicazioni con moduli di potenza. Pertanto, diverse topologie di convertitori, come raddrizzatori attivi, circuiti buck e boost, sono adatte al modulo di potenza Wolfspeed WolfPACK.
Vantaggio 3: basso tasso di guasto
Applicazioni con elevati requisiti di affidabilità, come azionamenti per motori industriali, convertitori connessi alla rete e conversione di energia da fonti rinnovabili, sono particolarmente adatte al modulo Wolfspeed WolfPACK, poiché PressFIT rappresenta la soluzione ottimale per questi scenari. I connettori PressFIT presentano uno dei tassi di guasto più bassi rispetto ad altri metodi di connessione: in genere, 0.005 FIT (dove 1 FIT equivale a un guasto ogni 10⁹ ore), in netto contrasto con i collegamenti con morsetti a vite e la saldatura, che presentano tassi di guasto fino a 0.5 FIT.
Vantaggio 4: Prototipazione
Installazione rapida e facile implementazione nella prototipazione sono possibili semplicemente inserendo i moduli tramite pin PressFIT in un PCB. I moduli possono essere riutilizzati in altri progetti, design o configurazioni grazie alle connessioni rimovibili. Sebbene questo dispositivo sia facile da installare, le connessioni stabilite dai pin PressFIT sono adatte all'utilizzo nei prodotti finali grazie alla loro elevata affidabilità.
Vantaggio 5: Produzione di PCB
La necessità di connettori dedicati con tempi di consegna potenzialmente lunghi viene eliminata nei moduli, poiché i pin PressFIT non richiedono componenti specializzati e sono direttamente compatibili con i PCB, a differenza di alcune connessioni. Un vantaggio significativo dei pin PressFIT risiede quindi nella loro compatibilità con i fori passanti placcati.
I tempi di installazione si riducono poiché i pin PressFIT richiedono solo che il modulo sia correttamente orientato verso il PCB e spinto in posizione. I costi complessivi del sistema sono ridotti grazie alla compatibilità con i fori passanti placcati nei PCB, poiché non sono richiesti componenti o fasi di assemblaggio aggiuntivi oltre ai fori creati durante la produzione del PCB. L'affidabilità è migliorata dai pin PressFIT poiché i moduli possono essere inseriti correttamente solo se orientati correttamente, oltre alla riduzione dei tempi e dei costi di installazione.
Tecnologia Press-Fit
Una connessione formata dalla combinazione di pin elasticamente deformabili o pin rigidi con fori metallizzati sul PCB è chiamata tecnologia di connessione a pressione Press-Fit. L'interconnessione elettrica si ottiene tramite saldatura meccanica, creando punti di contatto ermetici tra i pin e i fori metallizzati. Durante il processo di press-fit si verifica una deformazione della sezione trasversale del pin o dei fori metallizzati, poiché la sezione trasversale dei pin deve essere maggiore del diametro dei fori metallizzati sul PCB per garantire una tenuta stagna.
La conduzione elettrica meccanica e la manutenzione senza l'uso di tecnologie di saldatura sono rese possibili dal Press-fit, una tecnologia di connessione pin senza saldatura che consente ai terminali di assemblaggio di connettersi ai fori passanti galvanizzati del circuito stampato (PCB). Grazie alla sua progettazione e ai suoi test, è possibile soddisfare diversi requisiti di test per l'elettronica automobilistica (basati su standard internazionali come IEC, EIA e SAE), inclusi test di vibrazione, prestazioni meccaniche e shock termico (fino a 125 °C).
Nessuna sostanza conduttiva come residui di flusso o perle di stagno che potrebbero compromettere l'affidabilità delle connessioni;
Eliminazione dei comuni problemi di saldatura come saldatura fredda, cortocircuiti e scarsa penetrazione dello stagno;
Non sono necessarie viti per fissare il connettore al PCB dopo l'inserimento a pressione;
Quando si utilizzano connettori a pin lunghi per il montaggio a pressione, i pin che si estendono dalla parte posteriore del PCB possono fungere da pin posteriori per ottenere connessioni bifacciali;
Impedenza di contatto deterministica e buone prestazioni ad alta frequenza;
Elevata efficienza di press-fitting e bassi costi;
Riutilizzabile per il montaggio (fino a tre volte);
Nessuna pulizia richiesta dopo la pressatura, riducendo i costi e garantendo al contempo la sicurezza dell'ambiente;
Storia della connessione Press-Fit Press
- 1970: Press-fitting rigido
- 1974: pressatura flessibile C-press e Eye of the Needle
- 1983: Sezione press-fit Tcom, press-fit flessibile
- Anni '1980: Applicazione nel settore delle comunicazioni
- Anni '1990: applicazione sia nel settore delle comunicazioni che in quello automobilistico
- Anni 2000: Ampia applicazione nei settori delle comunicazioni, automobilistico, delle locomotive e militare.
Per la zona di pressatura vengono utilizzate le seguenti tipologie di strutture da parte di diversi produttori:
I seguenti standard possono essere utilizzati per i requisiti di progettazione generali dei circuiti stampati. Per diverse marche, specifiche tecniche variabili, come la forza di pressione e la forza di ritenzione, sono determinate dal design strutturale, dalle dimensioni e dai materiali dei pin:
- Con uno spessore del rame del foro superiore a 25 μm e una resistenza alla pelatura non inferiore a 120 N, la placcatura metallizzata del foro deve essere uniforme e priva di sbavature.
- La spaziatura tra componenti e connettori deve essere maggiore di 5 mm.
- La larghezza massima deve essere di 400 mm.
- Il requisito generale per la precisione del diametro del foro è ±0.05 mm.
Forza di pressione e forza di ritenzione
- La forza di pressione effettiva per ciascun perno non deve preferibilmente superare i 150 N.
- I requisiti minimi di forza di ritenzione per i pin dei connettori sono specificati dalla norma industriale tedesca DIN 41611.
| Lunghezza o diametro del contatto | Forza di ritenzione minima |
| ≤1.3mm | 30N |
| ＞ 1.3mm | 40N |
Materiali per Press-fit
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Leghe CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Vantaggi: Resistenza moderata, prestazioni di rilassamento dello stress fino a 175°C/1000h, Elevata conduttività elettrica
Svantaggi: Formabilità e prestazioni di placcatura
Leghe CuNiSi: C7025, C19005/C19010
Vantaggi: Conduttività elettrica moderata, elevata resistenza, prestazioni di rilassamento dello stress fino a 150°C/1000h,
Svantaggi: modulo di Young più elevato (dipendente dalla direzione del carico)
CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Bronzo: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Vantaggi: basso modulo di Young, struttura a grana fine, elevato livello di resistenza,
Svantaggi: scarse prestazioni di rilassamento dello stress ad alte temperature (>100°C), bassa conduttività elettrica,
Materiali per applicazioni Press-Fit che soddisfano le esigenze di connessioni a "basso aumento di temperatura, alta corrente, miniaturizzazione"
Le leghe CuNiSi sono la scelta ideale per connessioni miniaturizzate e ad alta intensità di segnale, poiché il miglioramento delle forze di inserimento ed estrazione nelle connessioni Press-Fit attraverso processi speciali può migliorare la stabilità del contatto. Risolvono il problema dell'affidabilità del contatto nei terminali crimpati e soddisfano i requisiti dei materiali per i terminali nelle centraline elettroniche per autoveicoli, migliorando efficacemente la stabilità del contatto grazie a forze di inserimento ed estrazione migliorate nelle connessioni Press-Fit tramite speciali tecniche di lavorazione. Inoltre, grazie alla conduttività elettrica del materiale compresa tra il 35 e il 60% IACS, viene garantita una trasmissione del segnale a bassa latenza. La loro resistenza alla trazione supera l'850% IACS*, garantendo connessioni affidabili. Le leghe CuNiSi offrono eccellenti prestazioni complessive grazie al raggiungimento di innovazioni di processo attraverso la lavorazione a freddo e il trattamento termico di rinforzo mediante invecchiamento in soluzione.
Lo spessore del rame elettrodeposto a foro passante (spessore Cu PTH) non deve essere inferiore a 1 mil (medio o punto singolo), che è la regola da seguire. Non è consentito richiedere solo il diametro del foro di post-placcatura; al contrario, le dimensioni di foratura e di post-placcatura devono essere chiaramente comunicate al produttore del PCB, con riferimento ai valori raccomandati per il componente. Solitamente, lo spessore della placcatura in rame è di circa 30-55 μm, mentre lo spessore dello stagno a immersione è generalmente superiore a 1 μm. Il diametro del foro del PTH è generalmente strettamente richiesto, e viene determinato specificamente in base al design del pin. La struttura del PTH è relativamente semplice. Generalmente, il numero di strati del PCB è superiore a 4. La placcatura è generalmente in stagno a immersione o OSP. I materiali comunemente utilizzati per il PTH sono fibra di vetro + resina epossidica + lamina di rame, con uno spessore superiore a 1.6 mm. I pin hanno strutture diverse, con l'obiettivo finale di produrre pin che richiedano una bassa forza di pressatura ma offrano un'elevata forza di ritenzione in condizioni di facilità di produzione e basso costo.
Elevata affidabilità, prestazioni elettriche e termiche superiori e semplicità di installazione sono tra i molteplici vantaggi che la tecnologia PressFIT offre ai sistemi di elettronica di potenza. Semplificando la prototipazione, le modifiche e la sostituzione dei moduli, i pin PressFIT eliminano la necessità di saldature, chiavi e utensili speciali grazie alla loro riutilizzabilità. Inoltre, l'utilizzo di fori passanti placcati nei PCB facilita l'integrazione dei pin PressFIT nei progetti, mentre i pin compressi meccanicamente garantiscono connessioni sicure.
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