터미널 소재와 용접 공정을 분석하는 방법은?

2025 년 5 월 30 일
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터미널 재료 및 용접 공정 분석

전력 반도체 패키징 기술의 성장은 어느 정도 재료 공학 및 생산 기술의 혁신에 힘입어 이루어졌습니다. 업계는 전력 사이클 내구성과 장기 작동 안정성을 향상시키고 모듈 내 다양한 재료 간의 열팽창 계수 불일치를 완화하기 위해 순수 구리 가공 방식을 선도해 왔습니다. 이 방법은 기본적으로 모듈 구리 전력 단자의 초음파 용접, 구리 와이어 본딩 상호 연결, 그리고 칩 구리 금속화라는 세 가지 핵심 요소로 구성됩니다.

핀 초음파 용접은 특정 응용 분야에서 핀 연결의 신뢰성에 대한 요구가 높아짐에 따라 새로운 연결 방식으로 개발되었습니다. 핀 초음파 용접은 동일한 금속을 연결하는 데 탁월한 이점을 제공합니다. 초음파 금속 용접은 플럭스나 외부 열원을 필요로 하지 않으므로 용접 구조물에 잔류 응력이 없고 열로 인한 변형도 발생하지 않습니다.

핀 초음파 용접은 시장에서 점차 인기를 얻고 있습니다. 이 기술은 동일 재료 간의 긴밀한 금속 공유 결합을 달성합니다.

기존의 소프트 솔더링은 장비의 공기압 변동, 리플로우 오븐 온도 이상, 솔더 페이스트 플럭스 증발 등의 요인으로 인해 핀 용접 불량을 초래할 수 있습니다. 또한, 사용 중 금속간 화합물(IMC)의 성장으로 인해 접합 강도가 저하될 수 있습니다.

아래 그림은 초음파 용접(Ultrasonic Welding)의 원리를 보여줍니다. 초음파 와이어 본딩 시스템은 주로 용접 헤드, 진폭 변조기, 트랜스듀서, 그리고 초음파 전원 공급 장치로 구성됩니다. 이는 초음파 전원 공급 장치의 전원 주파수 신호를 20~60kHz의 고주파 초음파 기계적 진동으로 변환합니다. 쐐기는 초음파 용접 공정 동안 핀 니들 표면에 압력과 초음파 에너지를 가합니다. 핀 니들과 DBC 사이의 산화막은 이 두 가지 작용이 결합된 고주파 진동 마찰에 의해 파괴됩니다. 이 과정을 통해 깨끗한 계면이 노출됩니다. 깨끗한 구리 표면 금속이 접촉한 후에도 압력과 초음파 에너지는 계속 가해집니다. 이 과정을 통해 용접 접촉 면적이 점차 증가합니다. 이로 인해 금속 표면 사이의 원자들이 공유 결합을 형성하게 됩니다. 결과적으로 안정적인 연결이 이루어집니다.

초음파 핀 용접의 장점

높은 용접 정밀도와 낮은 에너지 소비.
시간당 생산량(UPH)이 높고 용접 시간이 짧습니다.
실시간으로 용접 공정의 품질을 모니터링합니다(변형, 전압, 전류 등).
용접 시 납땜이나 플럭스를 사용하지 않으므로 건강에 해롭지 않습니다.
용접 중 표면과 표면을 직접 접합하여 필러 재료가 필요 없습니다.
뛰어난 물리적 특성으로 제품에 열응력이 발생하지 않습니다.
작업 과정 중 제품 산화 위험 없음, 가열 불필요

자동 패키징은 핀 자동 공급 기능을 통해 캡슐화 자동화를 달성합니다. 또한, 용접 전에 기존 솔더 페이스트 용접보다 더 높은 정밀도의 정밀 식별이 수행되며, 이 과정은 전원 단자 초음파 용접과 유사합니다. 전력 모듈 패키징에 적용되는 초음파 핀 용접 기술은 신호 단자의 초음파 용접을 통해 기존 솔더 페이스트 브레이징 공정을 대체하여 핀과 DBC 간의 연결성을 향상시킵니다.

안정적인 접합 표면 추력

초음파 핀 용접 솔루션 모듈이 외부 무작위 진동을 견뎌낼 수 있는 능력과 구조 설계의 합리성을 연구하기 위해, AQG-15 표준에 따라 가속도를 324G로 강화하여 무작위 여기 조건에서 모듈의 진동 주파수를 얻었습니다.

고온 솔더 시트 용접 공정

합금 솔더의 크립 특성은 다양한 재료 간의 CTE(열팽창 계수) 차이로 인해 온도 효과로 인해 솔더 층의 열화를 가속화할 수 있습니다.

터미널 초음파 용접

전원 단자에 초음파 용접 공정을 적용함으로써 모듈의 신뢰성이 향상되고 기생 인덕턴스가 효과적으로 감소합니다.

구리 도금 알루미늄 소재로 제작된 신호 단자

신호 단자에 구리 도금 알루미늄 소재를 사용함으로써 알루미늄 와이어와 알루미늄 표면 사이의 접합 강도가 더 높고, 신호 단자 연결부는 여전히 두꺼운 알루미늄 와이어 접합 기술을 채택하여 접합 강도와 장기 신뢰성이 향상되었습니다.

대칭 디자인

두 브리지 암의 일관성이 보장되고 병렬 회로의 대칭적인 배치를 통해 전류 분배가 효과적으로 이루어집니다. 전원 단자의 대칭적인 설계를 통해 평평한 윗면을 형성함으로써 성형 공정 중 윗면의 휘어짐을 방지하여 사용자의 설치 및 사용이 용이합니다.

PressFIT 기술이란 무엇인가요?

이 완벽한 연결 방식을 PressFIT 기술이라고 합니다. PressFIT 기술로 핀은 납땜이나 다른 연결 방식에 의존하지 않고 고정됩니다. 적절한 크기와 도금 처리된 PCB 관통 구멍에 삽입하면 활 모양의 몸체를 가진 핀이 압축되어 전기적 연결을 형성하고 기계적 신뢰성을 유지합니다.

장점 1: 단순함

새로운 Wolfspeed WolfPACK 전원 모듈은 핀을 PCB의 구멍에 맞춘 후 밀어 넣어 장착합니다. 삽입 후 모듈은 전기적으로 연결되고 기계적으로 고정됩니다. PressFIT 커넥터는 간편하고 효율적인 설치를 지원하도록 설계되어 별도의 고정 장치, 특수 장비 또는 여러 작업이 필요하지 않습니다.

장점 2: 더 높은 전력 전달

도금된 관통 구멍과 핀 사이에 견고한 기계적 연결을 구축함으로써 다른 연결 방식에 비해 더 높은 전류 전달이 가능합니다. PressFIT의 뛰어난 열 특성(방열 포함)을 소개합니다. 향상된 열 성능과 증가된 전류 용량은 전력 모듈 애플리케이션에 유용합니다. 따라서 능동 정류기, 벅, 부스트 회로와 같은 다양한 컨버터 토폴로지가 Wolfspeed WolfPACK 전력 모듈에 적합합니다.

장점 3: 낮은 실패율

산업용 모터 드라이브, 계통 연계형 컨버터, 재생 에너지 전력 변환 등 높은 신뢰성 요구 사항이 요구되는 애플리케이션은 Wolfspeed WolfPACK 모듈에 매우 적합합니다. PressFIT은 이러한 시나리오에 최적의 솔루션이기 때문입니다. PressFIT 커넥터는 다른 연결 방식에 비해 고장률이 가장 낮은 편입니다. 일반적으로 0.005 FIT(1 FIT는 10시간당 0.5회 고장 발생)로, 최대 XNUMX FIT에 달하는 나사 단자 연결 및 납땜 방식과는 극명한 대조를 이룹니다.

장점 4: 프로토타입 제작

PressFIT 핀을 사용하여 모듈을 PCB에 삽입하기만 하면 프로토타입 제작 시 빠른 설치와 간편한 배포가 가능합니다. 모듈은 탈착식 연결 방식을 통해 다른 프로젝트, 설계 또는 구성에서 재사용할 수 있습니다. 이 장치는 설치가 간편하지만, PressFIT 핀을 통해 구축된 연결은 높은 신뢰성을 자랑하기 때문에 최종 제품에 사용하기에 적합합니다.

장점 5: PCB 제조

PressFIT 핀은 일부 연결 방식과 달리 특수 부품이 필요하지 않고 PCB와 직접 호환되므로, 모듈에서는 리드 타임이 길어질 수 있는 전용 커넥터가 필요 없습니다. 따라서 PressFIT 핀의 중요한 장점은 도금된 관통 홀과의 호환성입니다.

PressFIT 핀은 모듈을 PCB 방향으로 정확하게 배치하고 제자리에 밀어 넣기만 하면 되므로 설치 시간이 단축됩니다. PCB의 도금 관통 홀과 호환되므로 PCB 제조 과정에서 생성된 홀 외에 추가 부품이나 조립 단계가 필요하지 않으므로 전체 시스템 비용이 절감됩니다. PressFIT 핀은 모듈이 올바른 방향으로 배치되었을 때만 성공적으로 삽입될 수 있으므로 설치 시간과 비용 절감 외에도 신뢰성이 향상됩니다.

프레스핏 기술

탄성 변형이 가능한 핀 또는 강성 핀과 PCB 금속 홀을 결합하여 형성되는 연결을 프레스핏(Press-Fit) 프레스 연결 기술이라고 합니다. 전기적 상호 연결은 핀과 금속 홀 사이에 밀착된 접촉점을 만드는 기계적 접합을 통해 이루어집니다. 프레스핏 공정 중 핀 단면 또는 금속 홀의 변형이 발생하는 이유는 밀착을 위해 핀의 단면 크기가 PCB 금속 홀의 직경보다 커야 하기 때문입니다.

납땜 기술을 사용하지 않고도 기계적 전기 전도 및 유지 보수가 가능한 프레스핏(Press-fit) 기술은 조립 단자를 인쇄 회로 기판(PCB)의 전기 도금된 스루홀에 연결할 수 있는 무납땜 핀 연결 기술입니다. 이 설계 및 테스트를 통해 진동, 기계적 성능, 열충격(최대 125°C) 시험을 포함한 자동차 전자 장치에 대한 다양한 시험 요건(IEC, EIA, SAE 등 국제 표준 기반)을 충족할 수 있습니다.

신뢰할 수 있는 연결에 영향을 줄 수 있는 플럭스 잔류물이나 주석 비드와 같은 전도성 물질이 없어야 합니다.

냉간 납땜, 단락, 주석 침투 불량 등 일반적인 납땜 문제 해결

압입 후 커넥터를 PCB에 고정하기 위한 나사가 필요 없습니다.

긴 핀 커넥터를 사용하여 압입하는 경우, PCB 뒷면에서 뻗어 나온 핀은 뒷면 핀 역할을 하여 양면 연결을 구현할 수 있습니다.

결정론적 접촉 임피던스와 우수한 고주파 성능

높은 압입 효율성과 낮은 비용

조립을 위해 재사용 가능(최대 3회)

압입 후 세척이 필요 없어 비용을 절감하고 환경적으로 안전합니다.

프레스핏 프레스 커넥션의 역사

1970년: 강성 압입
1974: C-프레스 및 Eye of the Needle 유연 프레스 피팅
1983: Tcom 프레스핏 섹션 플렉시블 프레스핏
1980년대: 통신 산업에의 응용
1990년대: 통신 및 자동차 산업 모두에 적용
2000년대: 통신, 자동차, 기관차, 군사 산업에 광범위하게 적용됨.

다양한 제조업체에서 프레스 피팅 구역에 사용하는 구조 유형은 다음과 같습니다.

인쇄 회로 기판의 일반적인 설계 요건에 대해서는 다음 표준을 참조할 수 있습니다. 브랜드별로 압입력 및 유지력과 같은 다양한 기술 사양은 핀 핀의 구조 설계, 치수 및 재질에 따라 결정됩니다.

구멍 구리 두께가 25μm를 초과하고 박리 강도가 120N 이상인 경우, 금속화된 구멍 도금은 균일해야 하며 버가 없어야 합니다.
구성 요소와 커넥터 사이의 간격은 5mm 이상이어야 합니다.
최대 너비는 400mm입니다.
구멍 직경 정확도에 대한 일반적인 요구 사항은 ±0.05mm입니다.

압입력과 유지력

각 핀의 효과적인 압입력은 바람직하게는 150N을 초과하지 않아야 합니다.
커넥터 핀의 최소 유지력 요구 사항은 독일 산업 표준 DIN 41611에 명시되어 있습니다.

접촉 길이 또는 직경	최소 유지력
≤1.3mm	30N
＞ 1.3mm	40N

재료 압입

CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521

CuCrZr 합금: C18150/C18160, C18400

장점: 적당한 강도, 최대 175°C/1000h의 응력 완화 성능, 높은 전기 전도도

단점: 성형성 및 도금 성능

CuNiSi 합금: C7025, C19005/C19010

장점: 적당한 전기 전도도, 높은 강도, 최대 150°C/1000h의 응력 완화 성능

단점: 더 높은 탄성계수(하중에 따라 방향이 달라짐)

CuCrZr：C18150/C18160, C18400

청동: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521

장점: 낮은 영률, 미세한 입자 구조, 높은 강도 수준

단점: 고온(>100°C)에서 응력 완화 성능이 좋지 않음, 전기 전도도가 낮음

"저온 상승, 고전류, 소형화" 연결 요구 사항을 충족하는 프레스핏 응용 분야용 소재

CuNiSi 합금은 소형화 및 신호 집약적 연결에 이상적인 선택입니다. 특수 공정을 통해 Press-Fit 연결의 삽입 및 인발력을 향상시켜 접촉 안정성을 향상시킬 수 있기 때문입니다. 이 합금은 압착 단자의 안정적인 접촉 문제를 해결하고, 특수 가공 기술을 통해 Press-Fit 연결의 삽입 및 인발력을 향상시켜 접촉 안정성을 효과적으로 향상시킴으로써 자동차 전자 제어 장치 단자의 재료 요건을 충족합니다. 또한, 이 소재의 전기 전도도는 35~60% IACS 범위에 있어 저지연 신호 전송을 보장합니다. 인장 강도는 850% IACS*를 초과하여 안정적인 연결을 보장합니다. CuNiSi 합금은 냉간 가공 및 용체화 시효 강화 열처리를 통해 공정 혁신을 달성하여 탁월한 종합적 성능을 제공합니다.

전기 도금된 관통 구멍 구리 두께(PTH Cu 두께)는 1밀(평균 또는 단일 지점) 이상이어야 하며, 이는 반드시 따라야 하는 규칙입니다. 도금 후 구멍 직경만 요구하는 것은 허용되지 않습니다. 대신, 드릴링 크기와 도금 후 크기를 부품 권장 값을 참조하여 PCB 제조업체에 명확하게 알려야 합니다. 일반적으로 구리 도금 두께는 약 30-55μm이고, 침지 주석 도금 두께는 일반적으로 1μm 이상입니다. PTH의 구멍 직경은 일반적으로 엄격하게 요구되며, 핀 설계에 따라 구체적으로 결정됩니다. PTH의 구조는 비교적 간단합니다. 일반적으로 PCB 층 수는 4개 이상입니다. 도금은 일반적으로 침지 주석 도금 또는 OSP입니다. PTH에 일반적으로 사용되는 재료는 유리 섬유 + 에폭시 수지 + 구리 호일이며 두께는 1.6mm 이상입니다. 핀은 다양한 구조를 가지고 있으며, 제조가 용이하고 비용이 저렴한 조건에서 낮은 압입력을 요구하면서도 높은 유지력을 제공하는 핀을 제조하는 궁극적인 목표가 있습니다.

PressFIT 기술은 높은 신뢰성, 탁월한 전기적 및 열적 성능, 그리고 간편한 설치 등 전력 전자 시스템에 다양한 이점을 제공합니다. PressFIT 핀은 프로토타입 제작, 수정 및 모듈 교체를 간소화하며, 재사용이 가능하여 납땜, 렌치 및 특수 공구의 필요성을 없애줍니다. 또한, PCB에 도금된 관통 홀을 사용하여 PressFIT 핀을 설계에 쉽게 통합할 수 있으며, 기계적으로 압축된 핀은 안정적인 연결을 보장합니다.