Analyse van eindmaterialen en lasprocessen
De groei van de verpakkingstechnologie voor vermogenshalfgeleiders wordt tot op zekere hoogte aangewakkerd door doorbraken in materiaalkunde en productietechnieken. De industrie is een pionier op het gebied van een volledig koperen verwerkingsmethode om de duurzaamheid van de vermogenscyclus en de operationele stabiliteit op lange termijn te verbeteren en de discrepantie in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen verschillende materialen in modules te verkleinen. Deze methodologie bestaat fundamenteel uit drie belangrijke elementen: ultrasoon lassen van de koperen voedingsaansluitingen van de module, het verbinden met koperdraad en het metalliseren van koper op de chip.
Pen-ultrasoonlassen is ontwikkeld als een nieuwe verbindingsmethode, omdat in specifieke toepassingsscenario's hogere eisen worden gesteld aan de betrouwbaarheid van penverbindingen. Pen-ultrasoonlassen biedt ongeëvenaarde voordelen bij het verbinden van metalen. Omdat ultrasoon metaallassen geen vloeimiddel of externe warmtebronnen vereist, zal de gelaste constructie geen restspanningen vertonen en niet vervormen door hitte.
Pin-ultrasoon lassen heeft geleidelijk aan aan populariteit gewonnen op de markt. Het heeft een nauwe, metallische covalente binding tussen identieke materialen bereikt.
Traditioneel zachtsolderen kan leiden tot slechte lasresultaten door factoren zoals schommelingen in de luchtdruk in de apparatuur, een abnormale temperatuur in de reflowoven en verdamping van soldeerpasta. Bovendien kan de verbindingssterkte afnemen door de groei van intermetallische verbindingen (IMC) tijdens het gebruik.
Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding is het principe van ultrasoon lassen (ultrasoon lassen) weergegeven. Het ultrasone draadverbindingssysteem bestaat hoofdzakelijk uit een laskop, een amplitudemodulator, een transducer en een ultrasone voeding. Dit kan uiteindelijk het netfrequentiesignaal van de ultrasone voeding omzetten in hoogfrequente ultrasone mechanische trillingen van 20-60 kHz. De wig oefent druk en ultrasone energie uit op het oppervlak van de pinnaald tijdens het ultrasone lasproces. De oxidefilm tussen de pinnaald en de DBC wordt verbroken door hoogfrequente trillingswrijving onder hun gecombineerde werking. Dit proces zorgt voor een schone interface. Druk en ultrasone energie blijven aanwezig nadat het schone koperoppervlak contact maakt. Dit proces vergroot geleidelijk het lascontactoppervlak. Dit zorgt ervoor dat atomen tussen de metaaloppervlakken covalente bindingen vormen. Zo ontstaat uiteindelijk een betrouwbare verbinding.
Voordelen van ultrasoon pennenlassen
- Hoge lasnauwkeurigheid en laag energieverbruik.
- Hoge eenheden per uur (UPH) en korte lastijd.
- Bewaak de kwaliteit van het lasproces in real-time (vervorming, spanning, stroom, enz.).
- Er wordt geen soldeer of vloeimiddel gebruikt tijdens het lassen, dus het is niet schadelijk voor de gezondheid.
- Directe oppervlakte-op-oppervlakteverbinding tijdens het lassen, waardoor er geen toevoegmaterialen nodig zijn.
- Uitstekende fysieke eigenschappen, geen thermische belasting van het product.
- Geen risico op productoxidatie tijdens het proces, geen verwarming nodig
Geautomatiseerde verpakking helpt bij het automatiseren van de inkapseling dankzij de automatische pin-feedfunctie. Tegelijkertijd vindt er vóór het lassen een nauwkeurige identificatie plaats, met een hogere precisie dan bij traditioneel soldeerpastalassen, en is het proces vergelijkbaar met ultrasoon lassen van voedingsaansluitingen. De ultrasone pin-lastechnologie die wordt toegepast bij de verpakking van voedingsmodules vervangt het traditionele soldeerpasta-soldeerproces door middel van ultrasoon lassen van signaalaansluitingen, waardoor de connectiviteit tussen pinnen en DBC wordt verbeterd.
Stabiele hechtingsoppervlaktedruk
Om het vermogen van de ultrasone pinlasoplossingmodule om externe willekeurige trillingen te weerstaan en de rationaliteit van het structurele ontwerp te bestuderen, wordt de trillingsfrequentie van de module onder willekeurige excitatiecondities verkregen door de versnelling aan te passen aan 15G in overeenstemming met de AQG – 324-norm.
Lasproces van soldeerplaten met hoge temperaturen
De degradatie van soldeerlagen kan worden versneld door de kruipeigenschappen van soldeerlegeringen onder invloed van temperatuurverschillen, veroorzaakt door de CTE-verschillen (thermische uitzettingscoëfficiënt) tussen verschillende materialen.
Terminal ultrasoon lassen
Door het toepassen van het ultrasone lasproces op de voedingsaansluitingen wordt de betrouwbaarheid van de module verbeterd en wordt de parasitaire inductantie effectief verminderd.
Signaalaansluitingen gemaakt van koperbeklede aluminiummaterialen
De verbindingssterkte en de betrouwbaarheid van de module op lange termijn worden verbeterd door het gebruik van koperen aluminium materialen voor signaalaansluitingen. De verbindingssterkte tussen de aluminiumdraad en het aluminium oppervlak is namelijk hoger en de signaalaansluiting maakt nog steeds gebruik van de dikke aluminiumdraadverbindingstechnologie.
Symmetrisch ontwerp
De consistentie van de twee brugarmen is gewaarborgd en de stroomverdeling wordt effectief bereikt door de symmetrische lay-out van de parallelle circuits. Vervorming van het bovenoppervlak tijdens het gietproces wordt voorkomen door het vlakke bovenoppervlak in het symmetrische ontwerp van de voedingsklemmen, wat de installatie en het gebruik door de gebruiker vergemakkelijkt.
Wat is PressFIT-technologie?
De volledige verbindingsmethode heet PressFIT-technologie. De pinnen worden vastgezet met PressFIT-technologie zonder dat er soldeerwerk of andere verbindingsmethoden nodig zijn. Wanneer ze in de juiste afmetingen en geplateerde PCB-doorvoergaten worden geplaatst, worden de pinnen met een boogvormig lichaam samengedrukt, waardoor een elektrische verbinding tot stand komt en de mechanische betrouwbaarheid behouden blijft.
Voordeel 1: Eenvoud
In de nieuwe Wolfspeed WolfPACK-voedingsmodule wordt de module op zijn plaats gedrukt nadat de pinnen zijn uitgelijnd met de gaten op de printplaat. Na plaatsing maakt de module een elektrische verbinding en wordt deze mechanisch vastgezet. Er zijn geen bevestigingsmiddelen, speciale apparatuur of meerdere handelingen nodig, omdat het ontwerp van de PressFIT-connectoren een eenvoudige en efficiënte installatie ondersteunt.
Voordeel 2: hogere vermogensoverdracht
Een hogere stroomoverdracht wordt ondersteund door een veilige mechanische verbinding tussen de geplateerde doorvoergaten en pennen, vergeleken met andere verbindingsmethoden. De uitstekende thermische eigenschappen van PressFIT, waaronder warmteafvoer, worden verder toegelicht. Zowel de verbeterde thermische prestaties als de verhoogde stroomcapaciteit zijn gunstig voor toepassingen met vermogensmodules. Daarom zijn verschillende convertertopologieën, zoals actieve gelijkrichters, buck- en boostcircuits, zeer geschikt voor de Wolfspeed WolfPACK-vermogensmodule.
Voordeel 3: Laag uitvalpercentage
Toepassingen met hoge betrouwbaarheidseisen, zoals industriële motoraandrijvingen, netgekoppelde omvormers en omzetting van hernieuwbare energie, zijn zeer geschikt voor de Wolfspeed WolfPACK-module, omdat PressFIT hiervoor de optimale oplossing is. PressFIT-connectoren hebben een van de laagste uitvalpercentages in vergelijking met andere verbindingsmethoden: doorgaans 0.005 FIT (waarbij 1 FIT gelijkstaat aan één uitval per 10⁹ uur), in schril contrast met schroefklemaansluitingen en soldeerverbindingen, die een uitvalpercentage tot wel 0.5 FIT hebben.
Voordeel 4: Prototyping
Snelle installatie en eenvoudige implementatie in prototyping worden mogelijk gemaakt door modules met PressFIT-pinnen eenvoudig in een PCB te plaatsen. Dankzij de verwijderbare verbindingen kunnen de modules worden hergebruikt in andere projecten, ontwerpen of configuraties. Hoewel de installatie van dit apparaat eenvoudig is, zijn de verbindingen die met PressFIT-pinnen tot stand worden gebracht, geschikt voor gebruik in eindproducten vanwege hun hoge betrouwbaarheid.
Voordeel 5: PCB-fabricage
De noodzaak voor speciale connectoren met mogelijk lange doorlooptijden vervalt in modules, omdat PressFIT-pinnen geen speciale componenten nodig hebben en direct compatibel zijn met printplaten – in tegenstelling tot sommige andere verbindingen. Een belangrijk voordeel van PressFIT-pinnen ligt dan ook in hun compatibiliteit met geplateerde doorlopende gaten.
De installatietijd wordt verkort, omdat PressFIT-pinnen alleen vereisen dat de module correct op de printplaat wordt gericht en op zijn plaats wordt gedrukt. De totale systeemkosten worden verlaagd door de compatibiliteit met geplateerde doorlopende gaten in printplaten, aangezien er geen extra componenten of assemblagestappen nodig zijn naast de gaten die tijdens de productie van de printplaat zijn gemaakt. De betrouwbaarheid van PressFIT-pinnen wordt verhoogd, omdat modules alleen succesvol kunnen worden geplaatst als ze correct zijn georiënteerd, wat niet alleen de installatietijd en -kosten verkort.
Press-Fit-technologie
Een verbinding die gevormd wordt door de combinatie van elastisch vervormbare pennen of stijve pennen met gemetalliseerde gaten op de PCB, wordt Press-Fit-persverbindingstechnologie genoemd. Elektrische verbinding wordt bereikt door mechanische verbinding door nauwe contactpunten te creëren tussen de pennen en de gemetalliseerde gaten. Vervorming van de pennendoorsnede of de gemetalliseerde gaten vindt plaats tijdens het persverbindingsproces, omdat de doorsnede van de pennen groter moet zijn dan de diameter van de gemetalliseerde gaten op de PCB om een nauwe passing te vormen.
Mechanische elektrische geleiding en onderhoud zonder soldeertechnologie worden mogelijk gemaakt door Press-fit, een soldeerloze pinverbindingstechnologie waarmee montageklemmen kunnen worden aangesloten op doorlopende gaten in gegalvaniseerde printplaten (PCB's). Het ontwerp en de tests voldoen aan diverse testvereisten voor auto-elektronica (gebaseerd op internationale normen zoals IEC, EIA en SAE), waaronder trillings-, mechanische prestatie- en thermische schoktests (tot 125 °C).
Geen geleidende stoffen zoals vloeimiddelresten of tinkorrels die de betrouwbare verbindingen kunnen beïnvloeden;
Oplossing van veelvoorkomende soldeerproblemen zoals koud solderen, kortsluiting en slechte tinpenetratie;
Er zijn geen schroeven nodig om de connector na het persen op de printplaat te bevestigen;
Bij het gebruik van lange-pinconnectoren voor perspassing kunnen de pinnen die uit de achterkant van de printplaat steken, dienen als backside-pinnen om dubbelzijdige verbindingen te realiseren;
Deterministische contactimpedantie en goede hoge frequentieprestaties;
Hoge perspassingsefficiëntie en lage kosten;
Herbruikbaar voor montage (tot drie keer);
Geen reiniging nodig na het persen, wat kosten bespaart en tegelijkertijd veilig is voor het milieu;
Geschiedenis van de Press-Fit Press Connection
- 1970: Starre persfitting
- 1974: C-press en Eye of the Needle flexibele persfitting
- 1983: Tcom perspassing sectie flexibele perspassing
- Jaren 1980: Toepassing in de communicatie-industrie
- Jaren 1990: Toepassing in zowel de communicatie- als de automobielindustrie
- Jaren 2000: Uitgebreide toepassing in de communicatie-, automobiel-, locomotief- en militaire industrie.
De volgende soorten structuren worden door verschillende fabrikanten gebruikt voor de perspassingszone:
De volgende normen kunnen worden gebruikt voor algemene ontwerpvereisten voor printplaten. Voor verschillende merken worden verschillende technische specificaties, zoals de indrukkracht en de retentiekracht, bepaald door het structurele ontwerp, de afmetingen en de materialen van de pinpennen:
- Bij een kopergatdikte van meer dan 25 μm en een pelsterkte van minimaal 120 N moet de gemetalliseerde gatbekleding gelijkmatig en vrij van bramen zijn.
- De afstand tussen componenten en connectoren moet groter zijn dan 5 mm.
- De maximale breedte bedraagt 400 mm.
- De algemene vereiste voor nauwkeurigheid van de gatdiameter is ±0.05 mm.
Indrukkracht en retentiekracht
- De effectieve aandrukkracht per pen mag bij voorkeur niet meer dan 150 N bedragen.
- De minimale vereisten voor de houdkracht van connectorpennen zijn vastgelegd in de Duitse industriële norm DIN 41611.
| Contactlengte of diameter | Minimale retentiekracht |
| ≤1.3mm | 30N |
| > 1.3mm | 40N |
Materialen voor Pers-Fit
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
CuCrZr-legeringen: C18150/C18160, C18400
Voordelen: gemiddelde sterkte, spanningsrelaxatieprestaties tot 175 °C/1000 uur, hoge elektrische geleidbaarheid
Nadelen: Vormbaarheid en plaatprestaties
CuNiSi-legeringen: C7025, C19005/C19010
Voordelen: matige elektrische geleidbaarheid, hoge sterkte, spanningsrelaxatieprestaties tot 150°C/1000u,
Nadelen: Hogere elasticiteitsmodulus (richtingsafhankelijk van de belasting)
CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Brons: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Voordelen: lage elasticiteitsmodulus, fijne korrelstructuur, hoge sterkte,
Nadelen: Slechte spanningsrelaxatieprestaties bij hoge temperaturen (>100°C), lage elektrische geleidbaarheid,
Materialen voor perspassingtoepassingen die voldoen aan de behoeften van verbindingen met lage temperatuurstijging, hoge stroomsterkte en miniaturisatie
CuNiSi-legeringen zijn een ideale keuze voor geminiaturiseerde en signaalintensieve verbindingen, omdat het verbeteren van de in- en uittrekkrachten in Press-Fit-verbindingen door middel van speciale processen de contactstabiliteit kan verbeteren. Ze lossen het probleem van betrouwbaar contact in geknepen aansluitingen op en voldoen aan de materiaaleisen voor aansluitingen in elektronische regeleenheden voor auto's door de contactstabiliteit effectief te verbeteren door verbeterde in- en uittrekkrachten van Press-Fit-verbindingen via speciale verwerkingstechnieken. Bovendien is een lage latentie bij de elektrische geleidbaarheid van het materiaal, variërend van 35-60% IACS, gegarandeerd. Hun treksterkte bedraagt meer dan 850% IACS*, wat betrouwbare verbindingen garandeert. CuNiSi-legeringen leveren uitstekende prestaties door procesdoorbraken te bereiken via koudvervorming en warmtebehandeling met oplossingsveroudering.
De dikte van het gegalvaniseerde doorlopende koper (PTH Cu-dikte) mag niet minder zijn dan 1 mil (gemiddeld of enkelvoudig punt), wat de te volgen regel is. Het is niet toegestaan om alleen de diameter van het post-plating gat te eisen; in plaats daarvan moeten de boormaat en de post-plating maat duidelijk worden doorgegeven aan de PCB-fabrikant met verwijzing naar de aanbevolen componentwaarden. Meestal is de dikte van de koperplating ongeveer 30-55 μm, en de dikte van immersie tin is over het algemeen groter dan 1 μm. De gatdiameter van PTH is over het algemeen strikt vereist, en wordt specifiek bepaald op basis van het pinontwerp. De structuur van PTH is relatief eenvoudig. Over het algemeen is het aantal PCB-lagen meer dan 4. De plating bestaat meestal uit immersie tin of OSP. De meest gebruikte materialen voor PTH zijn glasvezel + epoxyhars + koperfolie, met een dikte van meer dan 1.6 mm. Pins hebben diverse structuren, met als uiteindelijk doel het produceren van pins die een lage inperskracht vereisen, maar toch een hoge retentiekracht bieden onder omstandigheden van eenvoudige productie en lage kosten.
Hoge betrouwbaarheid, superieure elektrische en thermische prestaties en eenvoudige installatie behoren tot de vele voordelen die PressFIT-technologie biedt aan vermogenselektronicasystemen. PressFIT-pinnen vereenvoudigen prototyping, modificaties en modulevervanging en elimineren dankzij hun herbruikbaarheid de noodzaak van solderen, sleutels en speciaal gereedschap. Bovendien vergemakkelijkt het gebruik van geplateerde doorlopende gaten in printplaten de integratie van PressFIT-pinnen in ontwerpen, terwijl mechanisch gecomprimeerde pinnen zorgen voor veilige verbindingen.
Verder lezen
Hoe analyseer je het eindmateriaal en het lasproces?
Hoeveel soorten elektrische aansluitingen en connectoren zijn er? (Handleiding voor 14 soorten)
Verbindingsmethoden en analyse van aansluitingen en connectoren (5 noodzakelijke stappen)
Hoeveel soorten connector- en terminalisolatiematerialen zijn er (3 hoofdcategorieën)
Welke certificeringen hebben terminals en connectoren nodig? (6 veelvoorkomende typen)
Connector versus stekker en stopcontact: wat is het verschil?
