端子材料と溶接プロセスを分析するには？

2025 年 5 月 30 日
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端子材料と溶接プロセスの分析

パワー半導体パッケージング技術の成長は、ある程度、材料工学と製造技術のブレークスルーによって推進されています。業界は、パワーサイクル耐久性と長期動作安定性を向上させ、モジュール内の様々な材料間の熱膨張係数の不一致を軽減するために、オール銅処理アプローチを先駆的に開発しました。この手法は基本的に、モジュールの銅電源端子の超音波溶接、銅ワイヤボンディング相互接続、そしてチップの銅メタライゼーションという3つの主要要素で構成されています。

ピン超音波溶接は、特定の用途においてピン接続の信頼性に対する要求が高まっていることから、新しい接続方法として開発されました。ピン超音波溶接は、同種金属同士の接続において比類のない利点を提供します。超音波金属溶接はフラックスや外部熱源を必要としないため、溶接構造に残留応力が生じず、熱による変形も発生しません。

ピン超音波溶接は市場で徐々に人気を集めており、同一材料間の強固な金属共有結合を実現しています。

従来の軟質はんだ付けでは、装置の気圧変動、リフロー炉の温度異常、はんだペーストフラックスの蒸発といった要因により、ピンの溶接不良につながる可能性があります。さらに、使用中に金属間化合物（IMC）が成長し、接合強度が低下することもあります。

下の図は超音波溶接（Ultrasonic Welding）の原理を示しています。超音波ワイヤボンディングシステムは、主に溶接ヘッド、振幅変調器、トランスデューサー、および超音波電源で構成されています。これにより、超音波電源の電力周波数信号が最終的に20〜60 KHzの高周波超音波機械振動に変換されます。ウェッジは、超音波溶接プロセス中にピン針の表面に圧力と超音波エネルギーを適用します。ピン針とDBC間の酸化膜は、それらの複合作用による高周波振動摩擦によって破壊されます。このプロセスにより、きれいな界面が露出します。きれいな銅表面の金属が接触した後も、圧力と超音波エネルギーが継続して適用されます。このプロセスにより、溶接接触面積が徐々に増加します。これにより、金属表面間の原子が共有結合を形成し、最終的に信頼性の高い接続が作成されます。

超音波ピン溶接の利点

高い溶接精度と低いエネルギー消費。
高い UPH (Units Per Hour) と短い溶接時間。
溶接プロセスの品質（変形、電圧、電流など）をリアルタイムで監視します。
溶接時にははんだやフラックスを使用しないため、健康に害はありません。
溶接中に表面同士を直接接合するため、充填材が不要になります。
物理的特性が優れており、製品に熱ストレスを与えません。
操作プロセス中に製品が酸化するリスクがなく、加熱も不要です。

自動化パッケージングは、ピン自動供給機能により封止工程の自動化を実現します。同時に、従来のはんだペースト溶接よりも高精度な識別を溶接前に実施し、そのプロセスは電源端子の超音波溶接に類似しています。パワーモジュールパッケージングに適用される超音波ピン溶接技術は、信号端子の超音波溶接を通じて従来のはんだペーストろう付けプロセスに代わるものであり、ピンとDBC間の接続性を向上させます。

安定した接合面の推力

超音波ピン溶接ソリューションモジュールの外部ランダム振動に対する耐性と構造設計の合理性を調べるために、AQG – 15 規格に従って加速度を 324G に厳しくして、ランダム励起条件下でのモジュールの振動周波数を取得します。

高温はんだシート溶接プロセス

はんだ層の劣化は、異なる材料間の CTE (熱膨張係数) の違いにより、温度の影響下で合金はんだのクリープ特性によって加速される可能性があります。

端子超音波溶接

電源端子に超音波溶接プロセスを適用することで、モジュールの信頼性が向上し、寄生インダクタンスが効果的に低減されます。

銅被覆アルミニウム材料を使用した信号端子

信号端子に銅被覆アルミニウム材料を使用することで、アルミニウム線とアルミニウム表面の結合強度が高くなり、信号端子接続に引き続き太いアルミニウム線結合技術が採用されているため、モジュールの結合強度と長期信頼性が向上します。

対称的なデザイン

並列回路の対称配置により、2つのブリッジアームの整合性が確保され、電流分担が効果的に実現されます。電源端子の対称設計により上面が平坦化されているため、成形工程における上面の反りが防止され、ユーザーによる設置と使用が容易になります。

PressFIT テクノロジーとは何ですか?

この完全な接続方法はPressFITテクノロジーと呼ばれます。PressFITテクノロジーでは、はんだ付けなどの接続方法に頼ることなく、ピンが固定されます。適切なサイズとメッキが施されたPCBスルーホールに挿入すると、弓形のピンが圧縮され、電気的接続が確立され、機械的な信頼性も維持されます。

利点1：シンプルさ

新しいWolfspeed WolfPACK電源モジュールは、ピンをPCBの穴に合わせ、モジュールを押し込むだけで挿入できます。挿入後、モジュールは電気的に接続され、機械的に固定されます。PressFITコネクタの設計により、締め付け、特別な機器、複数の操作は不要で、シンプルで効率的な設置が可能です。

利点2：高出力伝送

他の接続方法と比較して、メッキスルーホールとピン間の確実な機械的接続を確立することで、より高い電流伝送を実現します。PressFITは、放熱性を含め、より優れた熱特性を備えています。優れた熱性能と電流容量の増加は、パワーモジュールアプリケーションにとって大きなメリットとなります。そのため、Wolfspeed WolfPACKパワーモジュールは、アクティブ整流器、降圧回路、昇圧回路など、様々なコンバータトポロジーに最適です。

利点3: 低い故障率

産業用モータードライブ、グリッド接続コンバータ、再生可能エネルギー電力変換など、高い信頼性が求められるアプリケーションは、Wolfspeed WolfPACKモジュールに最適です。PressFITはこれらのシナリオに最適なソリューションです。PressFITコネクタは、他の接続方法と比較して故障率が最も低く、通常0.005 FIT（1 FITは10⁹時間あたり0.5回の故障に相当）です。これは、故障率がXNUMX FITにも達するネジ端子接続やはんだ付けとは対照的です。

利点4：プロトタイピング

PressFITピンを使用してモジュールをPCBに挿入するだけで、迅速な設置と試作段階の容易な展開が可能になります。取り外し可能な接続部により、モジュールは他のプロジェクト、設計、または構成で再利用できます。このデバイスの設置は容易ですが、PressFITピンによって確立される接続は信頼性が高く、最終製品での使用に適しています。

利点5：PCB製造

PressFITピンは特殊な部品を必要とせず、一部の接続方法とは異なりPCBに直接接続できるため、モジュールではリードタイムの長い専用コネクタが不要になります。PressFITピンの大きな利点は、めっきスルーホールとの互換性にあります。

PressFITピンは、モジュールをPCBに対して正しい向きに差し込み、押し込むだけで済むため、取り付け時間が短縮されます。PCBのめっきスルーホールとの互換性により、PCB製造時に開けられる穴以外に追加の部品や組み立て工程が不要になるため、システム全体のコストが削減されます。PressFITピンは、モジュールを正しい向きに差し込んだ場合にのみ挿入できるため、取り付け時間とコストの削減だけでなく、信頼性も向上します。

圧入技術

弾性変形可能なピンまたは剛性ピンとPCBのメタライズドホールとの組み合わせによって形成される接続は、プレスフィットプレス接続技術と呼ばれます。電気的相互接続は、ピンとメタライズドホールとの間に密接な接触点を形成することで機械的結合によって実現されます。タイトフィットを形成するには、ピンの断面積をPCBのメタライズドホールの直径よりも大きくする必要があるため、プレスフィットプロセス中にピンの断面またはメタライズドホールのいずれかが変形します。

プレスフィットは、はんだ付け技術を使用せずに機械的な電気伝導とメンテナンスを可能にします。プレスフィットは、はんだ付け不要のピン接続技術であり、アセンブリ端子をプリント回路基板（PCB）の電気めっきスルーホールに接続できます。この設計と試験により、振動試験、機械性能試験、熱衝撃試験（最大125℃）など、車載電子機器の様々な試験要件（IEC、EIA、SAEなどの国際規格に基づく）を満たすことができます。

信頼性の高い接続に影響を与える可能性のあるフラックス残留物やスズビーズなどの導電性物質が存在しない。

冷間はんだ付け、短絡、錫の浸透不良などの一般的なはんだ付けの問題を排除します。

圧入後にコネクタを PCB に固定するためのネジは不要です。

ロングピンコネクタを圧入に使用する場合、PCB の背面から伸びるピンを裏面ピンとして使用して両面接続を実現できます。

決定論的な接触インピーダンスと優れた高周波性能。

高い圧入効率と低コスト。

組み立ては再利用可能（最大 3 回）

圧入後の洗浄が不要なので、コストを削減しながら環境にも安全です。

プレスフィットプレス接続の歴史

1970年: 剛性圧入
1974年: Cプレスと針の目フレキシブルプレスフィッティング
1983年：Tcomプレスフィットセクションフレキシブルプレスフィット
1980年代: 通信業界への応用
1990年代: 通信業界と自動車業界の両方で応用
2000 年代: 通信、自動車、機関車、軍事産業で幅広く応用されました。

圧入部には、メーカーによって以下の構造が使用されています。

プリント基板の一般的な設計要件については、以下の規格を参照できます。ブランドによって、圧入力や保持力などの技術仕様は異なりますが、ピンの構造設計、寸法、材質によって決まります。

穴銅の厚さが25μmを超え、剥離強度が120N以上の場合、メタライズされた穴めっきは均一でバリがないことが必要です。
コンポーネントとコネクタ間の間隔は 5 mm 以上である必要があります。
最大幅は400mmとする。
穴径精度の一般的な要件は ±0.05mm です。

圧入力と保持力

各ピンの有効圧入力は 150N を超えないことが望ましい。
コネクタピンの最小保持力要件は、ドイツの工業規格 DIN 41611 で規定されています。

接触長さまたは直径	最小保持力
≤1.3mm	30N
＞ 1.3mm	40N

のための材料圧入

CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521

CuCrZr合金: C18150/C18160、C18400

利点：中程度の強度、175°C/1000時間までの応力緩和性能、高い電気伝導性

欠点：成形性とめっき性能

CuNiSi合金: C7025、C19005/C19010

利点：中程度の電気伝導性、高い強度、150°C/1000時間までの応力緩和性能、

デメリット: ヤング率が高い（荷重方向によって異なる）

CuCrZr：C18150/C18160、C18400

青銅: CuSn4/C511、CuSn6/C519、CuSn8/C521

利点: ヤング率が低い、微細な結晶構造、高い強度レベル、

欠点：高温（100℃以上）下での応力緩和性能が低い、電気伝導性が低い、

「低温度上昇、大電流、小型化」接続のニーズに応えるプレスフィット用材料

CuNiSi合金は、特殊なプロセスによりプレスフィット接続の挿入力と引抜力を向上させることで接触安定性を高めることができるため、小型化され信号集約的な接続に最適な選択肢です。特殊な加工技術によりプレスフィット接続の挿入力と引抜力を向上させ、接触安定性を効果的に高めることで、圧着端子の信頼性の高い接触の問題を解決し、自動車用電子制御ユニットの端子に求められる材料要件を満たします。さらに、この材料の導電率は35～60% IACSの範囲にあり、低遅延の信号伝送を保証します。引張強度は850% IACS*を超え、信頼性の高い接続を保証します。CuNiSi合金は、冷間加工と溶体化時効強化熱処理によるプロセス革新により、優れた総合性能を発揮します。

電気めっきスルーホール銅厚（PTH Cu厚）は1ミル（平均または単点）以上とすることが必須であり、これは遵守すべき規則です。めっき後の穴径のみを要求することは認められていません。部品の推奨値を参照し、穴あけサイズとめっき後のサイズをPCBメーカーに明確に伝える必要があります。通常、銅めっきの厚さは約30～55μm、めっき層の厚さは一般的に1μm以上です。PTHの穴径は一般的に厳密に要求され、ピンの設計に応じて具体的に決定されます。PTHの構造は比較的単純です。一般的に、PCB層数は4層以上です。めっきは一般的にめっき層にめっき層またはOSPが用いられます。PTHに使用される一般的な材料は、ガラス繊維＋エポキシ樹脂＋銅箔で、厚さは1.6mm以上です。ピンには多様な構造があり、製造が容易で低コストでありながら、低い圧入力で高い保持力を実現するピンを製造することが最終的な目標です。

高い信頼性、優れた電気的・熱的性能、そして容易な設置は、PressFITテクノロジーがパワーエレクトロニクスシステムにもたらす数々のメリットの一部です。PressFITピンは再利用性に優れているため、はんだ付け、レンチ、特殊工具が不要で、試作、改造、モジュール交換を簡素化します。さらに、PCBにめっきスルーホールを使用することで、PressFITピンを設計に容易に統合でき、機械的に圧縮されたピンが確実な接続を保証します。