Analiza materiałów końcowych i procesów spawalniczych
Rozwój technologii pakowania półprzewodników mocy jest w pewnym stopniu napędzany przełomami w inżynierii materiałowej i technikach produkcji. Branża ta zapoczątkowała całkowicie miedziane podejście do przetwarzania, aby zwiększyć wytrzymałość na cykle zasilania i długoterminową stabilność operacyjną oraz złagodzić niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej różnych materiałów w modułach. Ta metodologia zasadniczo składa się z trzech kluczowych elementów: spawania ultradźwiękowego miedzianych zacisków zasilających modułów, łączenia przewodów miedzianych i metalizacji chipów miedzią.
Spawanie ultradźwiękowe pinów zostało opracowane jako nowa metoda łączenia, ponieważ w określonych scenariuszach zastosowań stawiane są wyższe wymagania niezawodności połączeń pinów. Spawanie ultradźwiękowe pinów oferuje niezrównane zalety w łączeniu tych samych metali. Ponieważ spawanie ultradźwiękowe metali nie wymaga topnika ani zewnętrznych źródeł ciepła, spawana struktura nie będzie miała naprężeń szczątkowych i nie odkształci się z powodu ciepła.
Spawanie ultradźwiękowe pinowe stopniowo zyskało popularność na rynku. Uzyskało bliskie wiązanie kowalencyjne metaliczne między identycznymi materiałami.
Tradycyjne lutowanie miękkie może prowadzić do słabego spawania pinów z powodu takich czynników, jak wahania ciśnienia powietrza w urządzeniu, nieprawidłowa temperatura pieca reflow, parowanie topnika pasty lutowniczej. Ponadto wytrzymałość wiązania może również ulec zmniejszeniu z powodu wzrostu związków międzymetalicznych (IMC) podczas użytkowania.
Jak pokazano na poniższym rysunku, jest to zasada spawania ultradźwiękowego (Ultrasonic Welding). System łączenia drutem ultradźwiękowym składa się głównie z głowicy spawalniczej, modulatora amplitudy, przetwornika i zasilacza ultradźwiękowego. Może on ostatecznie przekształcić sygnał częstotliwości mocy zasilacza ultradźwiękowego w ultradźwiękowe drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości 20-60 kHz. Klin wywiera nacisk i energię ultradźwiękową na powierzchnię igły Pin podczas procesu spawania ultradźwiękowego. Warstwa tlenku między igłą Pin a DBC jest rozrywana przez tarcie wibracyjne o wysokiej częstotliwości pod wpływem ich łączonego działania. Proces ten odsłania czysty interfejs. Ciśnienie i energia ultradźwiękowa są nadal stosowane po tym, jak czysta powierzchnia miedzi nawiąże kontakt. Proces ten stopniowo zwiększa powierzchnię styku spawania. Powoduje to, że atomy między powierzchniami metalu tworzą wiązania kowalencyjne. Dlatego ostatecznie powstaje niezawodne połączenie.
Zalety spawania szpilkowego ultradźwiękowego
- Wysoka precyzja spawania i niskie zużycie energii.
- Duża liczba spawów na godzinę (UPH) i krótki czas spawania.
- Monitoruj jakość procesu spawania w czasie rzeczywistym (odkształcenia, napięcie, prąd itp.).
- Podczas spawania nie stosuje się lutu ani topnika, nie stwarza to zagrożenia dla zdrowia.
- Bezpośrednie łączenie powierzchni podczas spawania, eliminujące potrzebę stosowania materiałów wypełniających.
- Doskonałe właściwości fizyczne, brak naprężeń termicznych na produkcie.
- Brak ryzyka utleniania produktu w trakcie procesu operacyjnego, nie jest wymagane podgrzewanie
Automatyczne pakowanie pomaga osiągnąć automatyzację enkapsulacji poprzez funkcję automatycznego podawania pinów. Tymczasem precyzyjna identyfikacja, z większą precyzją niż tradycyjne spawanie pastą lutowniczą, jest przeprowadzana przed spawaniem, a proces jest podobny do spawania ultradźwiękowego zacisków zasilania. Technologia spawania ultradźwiękowego pinów stosowana w pakowaniu modułów zasilania zastępuje tradycyjny proces lutowania pastą lutowniczą poprzez spawanie ultradźwiękowe zacisków sygnałowych, zwiększając w ten sposób łączność między pinami i DBC.
Stabilny nacisk powierzchni wiążącej
Aby zbadać zdolność modułu zgrzewania szpilkowego ultradźwiękowego do przeciwstawiania się zewnętrznym przypadkowym drganiom i racjonalność jego konstrukcji, częstotliwość drgań modułu w warunkach przypadkowego wzbudzenia uzyskano poprzez zaostrzenie przyspieszenia do 15G zgodnie z normą AQG – 324.
Proces spawania blachy lutowniczej w wysokiej temperaturze
Degradację warstw lutowniczych można przyspieszyć na skutek pełzania lutów stopowych pod wpływem temperatury, co wynika z różnic współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) między różnymi materiałami.
Zgrzewanie ultradźwiękowe końcowe
Niezawodność modułu została zwiększona, a indukcyjność pasożytnicza skutecznie zredukowana dzięki zastosowaniu procesu spawania ultradźwiękowego do zacisków zasilania.
Zaciski sygnałowe wykonane z materiałów aluminiowych pokrytych miedzią
Wytrzymałość połączenia i długoterminowa niezawodność modułu zostały ulepszone dzięki zastosowaniu materiałów aluminiowych pokrytych miedzią w zaciskach sygnałowych, ponieważ wytrzymałość połączenia między przewodem aluminiowym a powierzchnią aluminiową jest wyższa, a połączenie zacisku sygnałowego nadal wykorzystuje technologię łączenia grubych przewodów aluminiowych.
Symetryczny projekt
Spójność dwóch ramion mostka jest zapewniona, a współdzielenie prądu jest skutecznie osiągane dzięki symetrycznemu układowi obwodów równoległych. Wypaczenia górnej powierzchni podczas procesu formowania są unikane dzięki płaskiej górnej powierzchni w symetrycznej konstrukcji zacisków zasilania, co ułatwia instalację i użytkowanie przez użytkownika.
Czym jest technologia PressFIT?
Całkowita metoda połączenia nazywana jest technologią PressFIT. Piny są mocowane w technologii PressFIT bez polegania na lutowaniu lub innych metodach łączenia. Po włożeniu do odpowiednio zwymiarowanych i pokrytych płytkami PCB przelotowych, piny o łukowatym kształcie są ściskane, tworząc połączenie elektryczne i utrzymując niezawodność mechaniczną.
Zaleta 1: Prostota
W nowym module zasilania Wolfspeed WolfPACK moduł jest wciskany na miejsce po wyrównaniu pinów z otworami na płytce drukowanej. Po włożeniu moduł uzyskuje połączenie elektryczne i jest zabezpieczony mechanicznie. Nie jest wymagane żadne mocowanie, specjalny sprzęt ani wiele operacji, ponieważ konstrukcja złączy PressFIT obsługuje prostą i wydajną instalację.
Zaleta 2: Większa moc przesyłu
Większa transmisja prądu jest obsługiwana przez ustanowienie bezpiecznego połączenia mechanicznego między otworami przelotowymi i pinami w porównaniu z niektórymi innymi metodami łączenia. Przedstawiono bardziej wyjątkowe właściwości termiczne PressFIT, w tym rozpraszanie ciepła. Zarówno ulepszona wydajność cieplna, jak i zwiększona pojemność prądowa są korzystne dla zastosowań modułów mocy. Dlatego różne topologie konwerterów, takie jak aktywne prostowniki, obwody obniżające i podwyższające, są dobrze dostosowane do modułu mocy Wolfspeed WolfPACK.
Zaleta 3: Niska awaryjność
Zastosowania o wysokich wymaganiach niezawodności, takie jak przemysłowe napędy silników, konwertery podłączone do sieci, konwersja energii odnawialnej, są dobrze dostosowane do modułu Wolfspeed WolfPACK, ponieważ PressFIT jest optymalnym rozwiązaniem w takich scenariuszach. Złącza PressFIT charakteryzują się jednym z najniższych wskaźników awaryjności w porównaniu z innymi metodami łączenia: zazwyczaj 0.005 FIT (gdzie 1 FIT równa się jednej awarii na 10⁹ godzin), w ostrym kontraście do połączeń zaciskowych śrubowych i lutowania, które mają wskaźniki awaryjności sięgające nawet 0.5 FIT.
Zaleta 4: Prototypowanie
Szybka instalacja i łatwe wdrażanie w prototypowaniu są możliwe dzięki prostemu wstawianiu modułów za pomocą pinów PressFIT do płytki PCB. Moduły mogą być ponownie używane w innych projektach, projektach lub konfiguracjach dzięki wyjmowanym połączeniom. Chociaż instalacja tego urządzenia jest łatwa, połączenia utworzone przez piny PressFIT nadają się do wykorzystania w produktach końcowych, ponieważ są wysoce niezawodne.
Zaleta 5: Produkcja PCB
Potrzeba dedykowanych złączy z potencjalnie długimi czasami realizacji jest wyeliminowana w modułach, ponieważ piny PressFIT nie wymagają specjalistycznych komponentów i są bezpośrednio kompatybilne z płytkami PCB — w przeciwieństwie do niektórych połączeń. Istotną zaletą pinów PressFIT jest zatem ich kompatybilność z platerowanymi otworami przelotowymi.
Czas instalacji jest skrócony, ponieważ piny PressFIT wymagają jedynie, aby moduł był prawidłowo zorientowany względem płytki PCB i wciśnięty na miejsce. Całkowite koszty systemu są zmniejszone dzięki kompatybilności z otworami przelotowymi w płytkach PCB, ponieważ nie są wymagane żadne dodatkowe komponenty ani kroki montażowe poza otworami utworzonymi podczas produkcji płytki PCB. Niezawodność jest zwiększona dzięki pinom PressFIT, ponieważ moduły mogą być pomyślnie włożone tylko wtedy, gdy są prawidłowo zorientowane, poza redukcją czasu i kosztów instalacji.
Technologia Press-Fit
Połączenie utworzone przez połączenie elastycznie odkształcalnych pinów lub sztywnych pinów z metalizowanymi otworami PCB nazywa się technologią połączeń zaciskowych Press-Fit. Połączenie elektryczne uzyskuje się poprzez wiązanie mechaniczne poprzez tworzenie ścisłych punktów styku między pinami i metalizowanymi otworami. Odkształcenie przekroju poprzecznego pinu lub metalizowanych otworów następuje podczas procesu prasowania, ponieważ rozmiar przekroju poprzecznego pinów musi być większy niż średnica metalizowanych otworów PCB, aby utworzyć ścisłe dopasowanie.
Mechaniczne przewodzenie elektryczne i konserwacja bez użycia technologii lutowania są możliwe dzięki Press-fit, technologii połączeń pinowych bez lutowania, która umożliwia łączenie zacisków montażowych z otworami przelotowymi płytek drukowanych (PCB) powlekanymi galwanicznie. Różne wymagania testowe dla elektroniki samochodowej (oparte na międzynarodowych normach, takich jak IEC, EIA i SAE), w tym testy wibracji, wydajności mechanicznej i szoku termicznego (do 125°C), mogą być spełnione dzięki jej projektowi i testom.
Brak substancji przewodzących, takich jak pozostałości topnika lub kulki cyny, które mogą mieć wpływ na niezawodność połączeń;
Eliminacja typowych problemów związanych z lutowaniem, takich jak lutowanie na zimno, zwarcia i słaba penetracja cyny;
Po wciśnięciu złącze nie wymaga użycia śrub, aby przymocować je do płytki drukowanej;
W przypadku stosowania złączy z długimi pinami do montażu wciskanego, piny wystające z tyłu płytki PCB mogą służyć jako piny tylne, co pozwala na uzyskanie połączeń dwustronnych;
Deterministyczna impedancja styku i dobre parametry w zakresie wysokich częstotliwości;
Wysoka wydajność prasowania wtłaczanego i niskie koszty;
Możliwość ponownego użycia w celu złożenia (do trzech razy);
Po wciśnięciu nie jest wymagane czyszczenie, co pozwala ograniczyć koszty i jest bezpieczne dla środowiska;
Historia połączeń zaciskowych
- 1970: Sztywne wciskanie
- 1974: C-press i elastyczne zaciskanie metodą Eye of the Needle
- 1983: Tcom sekcja prasowania wtłaczanego elastyczna technika prasowania wtłaczanego
- Lata 1980. XX wieku: Zastosowanie w przemyśle komunikacyjnym
- Lata 1990. XX wieku: Zastosowanie w przemyśle komunikacyjnym i motoryzacyjnym
- Lata 2000.: Szerokie zastosowanie w przemyśle komunikacyjnym, motoryzacyjnym, lokomotywowym i wojskowym.
Różni producenci stosują w strefie prasowania następujące rodzaje konstrukcji:
Poniższe normy mogą być stosowane w odniesieniu do ogólnych wymagań projektowych płytek drukowanych. Dla różnych marek różne specyfikacje techniczne, takie jak siła wciskania i siła retencji, są określane przez konstrukcję, wymiary i materiały pinów Pin:
- Jeżeli grubość miedzi w otworach przekracza 25 μm, a wytrzymałość na odrywanie jest nie mniejsza niż 120 N, metalizowana powłoka otworów musi być jednolita i bez zadziorów.
- Odstępy między komponentami i złączami muszą być większe niż 5 mm.
- Maksymalna szerokość wynosi 400 mm.
- Ogólne wymagania dotyczące dokładności średnicy otworu wynoszą ±0.05 mm.
Siła wciskania i siła retencji
- Efektywna siła docisku każdego sworznia nie powinna przekraczać 150 N.
- Minimalne wymagania dotyczące siły retencji styków złącza określa niemiecka norma przemysłowa DIN 41611.
| Długość lub średnica styku | Minimalna siła retencji |
| ≤1.3mm | 30N |
| ＞ 1.3mm | 40N |
Materiały do Dopasowanie na wcisk
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Stopy CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Zalety: Umiarkowana wytrzymałość, relaksacja naprężeń do 175°C/1000h, Wysoka przewodność elektryczna
Wady: Formowalność i wydajność powlekania
Stopy CuNiSi: C7025, C19005/C19010
Zalety: Umiarkowana przewodność elektryczna, wysoka wytrzymałość, relaksacja naprężeń do 150°C/1000h,
Wady: wyższy moduł Younga (zależny od kierunku obciążenia)
CuCrZr：C18150/C18160, C18400
Brąz: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Zalety: Niski moduł Younga, drobnoziarnista struktura, wysoki poziom wytrzymałości,
Wady: Słaba relaksacja naprężeń w wysokich temperaturach (>100°C), niska przewodność elektryczna,
Materiały do zastosowań wciskanych, spełniające wymagania połączeń „niski wzrost temperatury, wysoki prąd, miniaturyzacja”
Stopy CuNiSi są idealnym wyborem dla zminiaturyzowanych i intensywnie sygnałowych połączeń, ponieważ poprawa sił wkładania i wyciągania w połączeniach Press-Fit dzięki specjalnym procesom może zwiększyć stabilność styku. Rozwiązują problem niezawodnego styku w zaciskanych zaciskach i spełniają wymagania materiałowe dla zacisków w elektronicznych jednostkach sterujących samochodów, skutecznie zwiększając stabilność styku dzięki poprawionym siłom wkładania i wyciągania połączeń Press-Fit dzięki specjalnym technikom przetwarzania. Ponadto, dzięki przewodności elektrycznej materiału w zakresie od 35 do 60% IACS, zapewniona jest transmisja sygnału o niskim opóźnieniu. Ich wytrzymałość na rozciąganie przekracza 850% IACS*, co gwarantuje niezawodne połączenia. Stopy CuNiSi zapewniają doskonałą wszechstronną wydajność dzięki osiągnięciu przełomów w procesach poprzez obróbkę na zimno i wzmacnianie cieplne starzenia w roztworze.
Grubość miedzianego otworu galwanicznego (grubość PTH Cu) nie powinna być mniejsza niż 1 mil (średnia lub pojedynczy punkt), co jest regułą, której należy przestrzegać. Nie wolno wymagać tylko średnicy otworu po galwanizacji; zamiast tego rozmiar wiercenia i rozmiar po galwanizacji muszą być jasno podane producentowi PCB w odniesieniu do zalecanych wartości komponentów. Zwykle grubość miedziowania wynosi około 30-55 μm, a grubość cyny zanurzeniowej jest zwykle większa niż 1 μm. Średnica otworu PTH jest zwykle ściśle wymagana, co jest konkretnie określane zgodnie z projektem pinu. Struktura PTH jest stosunkowo prosta. Zwykle liczba warstw PCB jest większa niż 4. Galwanizacja jest zwykle cyną zanurzeniową lub OSP. Powszechnie stosowanymi materiałami do PTH są włókno szklane + żywica epoksydowa + folia miedziana o grubości większej niż 1.6 mm. Kołki mają zróżnicowaną konstrukcję, a ich ostatecznym celem jest wytworzenie kołków wymagających małej siły wciskania, a jednocześnie zapewniających dużą siłę retencji przy jednoczesnej łatwości produkcji i niskich kosztach.
Wysoka niezawodność, doskonałe parametry elektryczne i termiczne oraz prosta instalacja to jedne z wielu korzyści, jakie technologia PressFIT zapewnia systemom elektroniki mocy. Upraszczając prototypowanie, modyfikacje i wymianę modułów, piny PressFIT eliminują potrzebę lutowania, kluczy i specjalnych narzędzi dzięki możliwości ponownego użycia. Ponadto zastosowanie platerowanych otworów przelotowych w płytkach PCB ułatwia integrację pinów PressFIT z projektami, podczas gdy mechanicznie ściśnięte piny zapewniają bezpieczne połączenia.
Więcej
Jak analizować materiał końcowy i proces spawania?
Ile jest typów zacisków i złączy elektrycznych? (Przewodnik po 14 typach)
Metody połączeń i analiza zacisków i złączy (5 niezbędnych kroków)
Ile jest rodzajów materiałów izolacyjnych złączy i zacisków (3 główne kategorie)
Jakie czynniki wpływają na koszt zacisków i złączy elektrycznych? (10 kluczowych czynników)
Jakich certyfikatów potrzebują terminale i złącza? (6 popularnych typów)
Złącze VS Złącze wtykowe VS Blok zaciskowy - czym się różnią?
