Análise de Materiais Terminais e Processos de Soldagem
O crescimento da tecnologia de encapsulamento de semicondutores de potência é, em certa medida, impulsionado por avanços na engenharia de materiais e nas técnicas de produção. A indústria foi pioneira em uma abordagem de processamento totalmente em cobre, a fim de aumentar a resistência ao ciclo de energia e a estabilidade operacional a longo prazo, além de aliviar a incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica entre os diversos materiais nos módulos. Essa metodologia consiste fundamentalmente em três elementos principais: soldagem ultrassônica dos terminais de alimentação de cobre do módulo, interconexão por ligação de fios de cobre e metalização de cobre do chip.
A soldagem ultrassônica de pinos foi desenvolvida como um novo método de conexão, pois, em cenários de aplicação específicos, são exigidos requisitos mais elevados de confiabilidade das conexões de pinos. A soldagem ultrassônica de pinos oferece vantagens incomparáveis na conexão dos mesmos metais. Como a soldagem ultrassônica de metais não requer fluxo ou fontes externas de calor, a estrutura soldada não apresentará tensão residual e não se deformará devido ao calor.
A soldagem ultrassônica de pinos vem gradualmente ganhando espaço no mercado, alcançando ligações covalentes metálicas próximas entre materiais idênticos.
A soldagem suave tradicional pode levar a uma soldagem de pinos de baixa qualidade devido a fatores como flutuações na pressão do ar do equipamento, temperatura anormal do forno de refluxo e evaporação do fluxo da pasta de solda. Além disso, a resistência da ligação também pode diminuir devido ao crescimento de compostos intermetálicos (IMC) durante o uso.
Como mostrado na figura abaixo é o princípio da soldagem ultrassônica (soldagem ultrassônica). O sistema de ligação de fios ultrassônicos é composto principalmente de uma cabeça de soldagem, um modulador de amplitude, um transdutor e uma fonte de alimentação ultrassônica. Isso pode, em última análise, transformar o sinal de frequência de energia da fonte de alimentação ultrassônica em vibrações mecânicas ultrassônicas de alta frequência de 20-60 KHz. A cunha aplica pressão e energia ultrassônica à superfície da agulha do pino durante o processo de soldagem ultrassônica. O filme de óxido entre a agulha do pino e o DBC é quebrado pelo atrito de vibração de alta frequência sob sua ação combinada. Este processo expõe uma interface limpa. A pressão e a energia ultrassônica continuam a ser aplicadas após o metal da superfície de cobre limpo fazer contato. Este processo aumenta gradualmente a área de contato da soldagem. Isso faz com que os átomos entre as superfícies metálicas formem ligações covalentes. Portanto, uma conexão confiável é finalmente criada.
Vantagens da soldagem ultrassônica de pinos
- Alta precisão de soldagem e baixo consumo de energia.
- Altas unidades por hora (UPH) e curto tempo de soldagem.
- Monitore a qualidade do processo de soldagem em tempo real (deformação, tensão, corrente, etc.).
- Não há uso de solda ou fluxo durante a soldagem, não há danos à saúde.
- União direta superfície a superfície durante a soldagem para eliminar a necessidade de materiais de enchimento.
- Excelentes propriedades físicas, sem estresse térmico no produto.
- Não há risco de oxidação do produto durante o processo de operação, não é necessário aquecimento
O encapsulamento automatizado auxilia na automação do encapsulamento por meio da função de alimentação automática dos pinos. A identificação precisa, com maior precisão do que a soldagem tradicional com pasta de solda, é realizada antes da soldagem, e o processo é semelhante à soldagem ultrassônica de terminais de potência. A tecnologia de soldagem ultrassônica de pinos aplicada ao encapsulamento de módulos de potência substitui o processo tradicional de brasagem com pasta de solda por meio da soldagem ultrassônica dos terminais de sinal, aprimorando assim a conectividade entre os pinos e o DBC.
Superfície de ligação estável
Para estudar a capacidade do módulo de solução de soldagem de pinos ultrassônicos de resistir a vibrações aleatórias externas e a racionalidade de seu projeto estrutural, a frequência de vibração do módulo sob condições de excitação aleatória é obtida apertando a aceleração para 15G de acordo com o padrão AQG – 324.
Processo de soldagem de chapas de solda de alta temperatura
A degradação das camadas de solda pode ser acelerada pelas características de fluência das soldas de liga sob efeitos de temperatura devido às diferenças de CTE (coeficiente de expansão térmica) entre diferentes materiais.
Soldagem Ultrassônica Terminal
A confiabilidade do módulo é melhorada e a indutância parasita é efetivamente reduzida pela aplicação do processo de soldagem ultrassônica aos terminais de energia.
Terminais de sinal feitos de materiais de alumínio revestidos de cobre
A força de ligação e a confiabilidade a longo prazo do módulo são melhoradas pelo uso de materiais de alumínio revestidos de cobre para terminais de sinal, pois a força de ligação entre o fio de alumínio e a superfície de alumínio é maior e a conexão do terminal de sinal ainda adota a tecnologia de ligação de fio de alumínio espesso.
Design simétrico
A consistência dos dois braços da ponte é garantida e o compartilhamento de corrente é efetivamente alcançado pelo layout simétrico dos circuitos paralelos. A deformação da superfície superior durante o processo de moldagem é evitada pela superfície superior plana no design simétrico dos terminais de alimentação, o que facilita a instalação e o uso pelo usuário.
O que é a tecnologia PressFIT?
O método de conexão completo é chamado de tecnologia PressFIT. Os pinos são fixados com a tecnologia PressFIT sem a necessidade de solda ou qualquer outro método de conexão. Quando inseridos em furos passantes de PCB de tamanho e revestimento apropriados, os pinos com corpo em forma de arco são comprimidos, estabelecendo uma conexão elétrica e mantendo a confiabilidade mecânica.
Vantagem 1: Simplicidade
No novo módulo de potência Wolfspeed WolfPACK, o módulo é encaixado no lugar após o alinhamento dos pinos com os furos na placa de circuito impresso. Uma vez inserido, o módulo estabelece a conexão elétrica e é fixado mecanicamente. Não são necessárias fixações, equipamentos especiais ou múltiplas operações, pois o design dos conectores PressFIT permite uma instalação simples e eficiente.
Vantagem 2: Maior transmissão de potência
Uma maior transmissão de corrente é garantida pelo estabelecimento de uma conexão mecânica segura entre os furos passantes e os pinos revestidos, em comparação com outros métodos de conexão. Características térmicas mais excepcionais do PressFIT, incluindo dissipação de calor, são apresentadas. Tanto o desempenho térmico aprimorado quanto a maior capacidade de corrente são benéficos para aplicações em módulos de potência. Portanto, diversas topologias de conversores, como retificadores ativos, circuitos buck e boost, são adequadas para o módulo de potência Wolfspeed WolfPACK.
Vantagem 3: Baixa taxa de falhas
Aplicações com altos requisitos de confiabilidade, como acionamentos de motores industriais, conversores conectados à rede e conversão de energia renovável, são ideais para o módulo Wolfspeed WolfPACK, pois o PressFIT é a solução ideal para esses cenários. Os conectores PressFIT apresentam uma das menores taxas de falha em comparação com outros métodos de conexão: tipicamente 0.005 FIT (onde 1 FIT equivale a uma falha a cada 10⁹ horas), em forte contraste com conexões de terminais de parafuso e soldagem, que apresentam taxas de falha de até 0.5 FIT.
Vantagem 4: Prototipagem
A instalação rápida e a fácil implantação na prototipagem são possibilitadas pela simples inserção de módulos usando pinos PressFIT em uma placa de circuito impresso (PCB). Os módulos podem ser reutilizados em outros projetos, designs ou configurações devido às conexões removíveis. Embora a instalação deste dispositivo seja fácil, as conexões estabelecidas pelos pinos PressFIT são adequadas para uso em produtos finais, pois são altamente confiáveis.
Vantagem 5: Fabricação de PCB
A necessidade de conectores dedicados com prazos de entrega potencialmente longos é eliminada nos módulos, pois os pinos PressFIT não requerem componentes especializados e são diretamente compatíveis com PCBs — ao contrário de algumas conexões. Uma vantagem significativa dos pinos PressFIT reside, portanto, em sua compatibilidade com furos passantes revestidos.
O tempo de instalação é reduzido, pois os pinos PressFIT exigem apenas que o módulo seja corretamente orientado em direção à PCB e encaixado no lugar. Os custos gerais do sistema são reduzidos pela compatibilidade com furos passantes revestidos em PCBs, já que não são necessários componentes ou etapas de montagem adicionais além dos furos criados durante a fabricação da PCB. A confiabilidade é aprimorada pelos pinos PressFIT, pois os módulos só podem ser inseridos com sucesso quando corretamente orientados, além da redução no tempo e nos custos de instalação.
Tecnologia Press-Fit
Uma conexão formada pela combinação de pinos elasticamente deformáveis ou pinos rígidos com furos metalizados na placa de circuito impresso é chamada de tecnologia de conexão por pressão Press-Fit. A interconexão elétrica é obtida por meio de colagem mecânica, criando pontos de contato firmes entre os pinos e os furos metalizados. A deformação da seção transversal do pino ou dos furos metalizados ocorre durante o processo de encaixe por pressão, pois o tamanho da seção transversal dos pinos deve ser maior que o diâmetro dos furos metalizados na placa de circuito impresso para formar um encaixe firme.
A condução elétrica mecânica e a manutenção sem o uso de tecnologia de solda são possibilitadas pelo Press-fit, uma tecnologia de conexão de pinos sem solda que permite a conexão de terminais de montagem com furos passantes galvanizados em placas de circuito impresso (PCB). Diversos requisitos de teste para eletrônica automotiva (com base em normas internacionais como IEC, EIA e SAE), incluindo testes de vibração, desempenho mecânico e choque térmico (até 125 °C), podem ser atendidos por seu design e testes.
Nenhuma substância condutora, como resíduos de fluxo ou esferas de estanho, que possam afetar conexões confiáveis;
Eliminação de problemas comuns de soldagem, como soldagem a frio, curto-circuitos e baixa penetração de estanho;
Não há necessidade de parafusos para fixar o conector ao PCB após o encaixe por pressão;
Ao usar conectores de pino longo para encaixe por pressão, os pinos que se estendem da parte traseira do PCB podem servir como pinos traseiros para obter conexões de dois lados;
Impedância de contato determinística e bom desempenho de alta frequência;
Alta eficiência de encaixe por pressão e baixo custo;
Reutilizável para montagem (até três vezes);
Não é necessária limpeza após a instalação sob pressão, o que reduz custos e é ecologicamente correto;
História da conexão Press-Fit Press
- 1970: Encaixe de pressão rígido
- 1974: C-press e encaixe de pressão flexível Eye of the Needle
- 1983: Seção de encaixe por pressão Tcom, encaixe por pressão flexível
- Década de 1980: Aplicação na indústria de comunicações
- Década de 1990: Aplicação nas indústrias de comunicações e automotiva
- Década de 2000: Ampla aplicação nas indústrias de comunicações, automotiva, locomotiva e militar.
Os seguintes tipos de estruturas são usados para a zona de encaixe por pressão por diferentes fabricantes:
As seguintes normas podem ser consultadas para requisitos gerais de projeto de placas de circuito impresso. Para diferentes marcas, especificações técnicas variadas, como força de pressão e força de retenção, são determinadas pelo projeto estrutural, dimensões e materiais dos pinos:
- Com uma espessura de cobre do furo superior a 25μm e uma resistência à descascamento não inferior a 120N, o revestimento do furo metalizado deve ser uniforme e livre de rebarbas.
- O espaçamento entre componentes e conectores deve ser maior que 5 mm.
- A largura máxima deve ser de 400 mm.
- O requisito geral para precisão do diâmetro do furo é de ±0.05 mm.
Força de Pressão e Força de Retenção
- A força de pressão efetiva para cada pino não deve exceder, de preferência, 150 N.
- Os requisitos mínimos de força de retenção para pinos de conectores são especificados pela norma industrial alemã DIN 41611.
| Comprimento ou diâmetro do contato | Força de retenção mínima |
| ≤1.3mm | 30N |
| ＞ 1.3mm | 40N |
Materiais para Ajuste de pressão
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Ligas de CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Vantagens: Resistência moderada, desempenho de relaxamento de tensões até 175°C/1000h, Alta condutividade elétrica
Desvantagens: Conformabilidade e desempenho de galvanoplastia
Ligas de CuNiSi: C7025, C19005/C19010
Vantagens: Condutividade elétrica moderada, alta resistência, desempenho de relaxamento de tensões de até 150°C/1000h,
Desvantagens: Maior módulo de Young (direção dependente da carga)
CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Bronze: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Vantagens: Baixo módulo de Young, estrutura de grão fino, alto nível de resistência,
Desvantagens: Baixo desempenho de relaxamento de tensões em altas temperaturas (>100°C), baixa condutividade elétrica,
Materiais para aplicações de encaixe por pressão que atendem às necessidades de conexões de “baixa elevação de temperatura, alta corrente e miniaturização”
As ligas CuNiSi são a escolha ideal para conexões miniaturizadas e com alto consumo de sinal, pois a melhoria das forças de inserção e extração em conexões Press-Fit por meio de processos especiais pode aumentar a estabilidade do contato. Elas resolvem o problema de contato confiável em terminais crimpados e atendem aos requisitos de material para terminais em unidades de controle eletrônico automotivo, melhorando efetivamente a estabilidade do contato por meio de forças de inserção e extração aprimoradas em conexões Press-Fit por meio de técnicas especiais de processamento. Além disso, com a condutividade elétrica do material variando de 35% a 60% IACS, a transmissão de sinal de baixa latência é garantida. Sua resistência à tração excede 850% IACS*, garantindo conexões confiáveis. As ligas CuNiSi oferecem excelente desempenho abrangente, alcançando avanços no processo por meio de trabalho a frio e tratamento térmico de endurecimento por envelhecimento em solução.
A espessura do cobre através do furo galvanizado (espessura do cobre PTH) não deve ser inferior a 1 mil (média ou ponto único), que é a regra a ser seguida. Não é permitido exigir apenas o diâmetro do furo pós-revestimento; em vez disso, o tamanho da perfuração e o tamanho pós-revestimento devem ser claramente informados ao fabricante do PCB com referência aos valores recomendados do componente. Normalmente, a espessura do revestimento de cobre é de cerca de 30-55 μm, e a espessura do estanho de imersão é geralmente maior que 1 μm. O diâmetro do furo do PTH é geralmente estritamente necessário, que é especificamente determinado de acordo com o projeto do pino. A estrutura do PTH é relativamente simples. Geralmente, o número de camadas de PCB é superior a 4. O revestimento é geralmente de estanho de imersão ou OSP. Os materiais comumente usados para PTH são fibra de vidro + resina epóxi + folha de cobre, com uma espessura maior que 1.6 mm. Os pinos têm estruturas diversas, com o objetivo final de fabricar pinos que exijam baixa força de pressão, mas que ofereçam alta força de retenção em condições de facilidade de fabricação e baixo custo.
Alta confiabilidade, desempenho elétrico e térmico superior e instalação simplificada estão entre os múltiplos benefícios que a tecnologia PressFIT oferece aos sistemas eletrônicos de potência. Simplificando a prototipagem, as modificações e a substituição de módulos, os pinos PressFIT eliminam a necessidade de solda, chaves e ferramentas especiais graças à sua reutilização. Além disso, o uso de furos passantes revestidos em PCBs facilita a integração dos pinos PressFIT em projetos, enquanto os pinos comprimidos mecanicamente garantem conexões seguras.
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