Анализ материалов выводов и процессов сварки
Рост технологии корпусирования силовых полупроводников в некоторой степени обусловлен прорывами в области материаловедения и производственных технологий. Отрасль стала пионером в области полностью медной обработки, чтобы повысить их выносливость при циклическом включении и долгосрочную эксплуатационную стабильность, а также уменьшить несоответствие коэффициентов теплового расширения между различными материалами в модулях. Эта методология в основном состоит из трех ключевых элементов: ультразвуковая сварка медных клемм питания модуля, соединение медных проводов и металлизация медных чипов.
Ультразвуковая сварка штыревых соединений была разработана как новый метод соединения, так как в определенных сценариях применения предъявляются более высокие требования к надежности штыревых соединений. Ультразвуковая сварка штыревых соединений обеспечивает непревзойденные преимущества при соединении одинаковых металлов. Поскольку ультразвуковая сварка металлов не требует флюса или внешних источников тепла, сварная конструкция не будет иметь остаточного напряжения и не будет деформироваться из-за тепла.
Ультразвуковая сварка штифтов постепенно завоевала популярность на рынке. Она достигла тесной металлической ковалентной связи между идентичными материалами.
Традиционная мягкая пайка может привести к плохой сварке выводов из-за таких факторов, как колебания давления воздуха в оборудовании, аномальная температура печи оплавления, испарение флюса паяльной пасты. Кроме того, прочность соединения может также снизиться из-за роста интерметаллических соединений (ИМС) во время использования.
Как показано на рисунке ниже, принцип ультразвуковой сварки (ультразвуковая сварка). Система ультразвуковой сварки проводов в основном состоит из сварочной головки, амплитудного модулятора, преобразователя и ультразвукового источника питания. Это может в конечном итоге преобразовать сигнал промышленной частоты ультразвукового источника питания в высокочастотные ультразвуковые механические колебания 20-60 кГц. Клин прикладывает давление и ультразвуковую энергию к поверхности иглы Pin во время процесса ультразвуковой сварки. Оксидная пленка между иглой Pin и DBC разрушается высокочастотным вибрационным трением под их совместным действием. Этот процесс обнажает чистый интерфейс. Давление и ультразвуковая энергия продолжают применяться после того, как чистый медный поверхностный металл вступает в контакт. Этот процесс постепенно увеличивает площадь сварочного контакта. Это дополнительно заставляет атомы между металлическими поверхностями образовывать ковалентные связи. Таким образом, в конечном итоге создается надежное соединение.
Преимущества ультразвуковой сварки штифтов
- Высокая точность сварки и низкое энергопотребление.
- Высокое количество единиц в час (UPH) и короткое время сварки.
- Контролируйте качество процесса сварки в режиме реального времени (деформация, напряжение, ток и т. д.).
- При сварке не используется припой или флюс, нет вреда для здоровья.
- Прямое соединение поверхностей во время сварки исключает необходимость использования присадочных материалов.
- Отличные физические свойства, отсутствие термической нагрузки на продукт.
- Отсутствует риск окисления продукта в процессе эксплуатации, не требуется подогрев.
Автоматизированная упаковка помогает достичь автоматизации инкапсуляции с помощью функции автоматической подачи штифтов. Между тем, точная идентификация, с более высокой точностью, чем традиционная сварка паяльной пастой, проводится перед сваркой, и процесс похож на ультразвуковую сварку силовых клемм. Технология ультразвуковой сварки штифтов, применяемая в упаковке силовых модулей, заменяет традиционный процесс пайки паяльной пастой посредством ультразвуковой сварки сигнальных клемм, тем самым улучшая связь между штифтами и DBC.
Стабильная адгезионная поверхность. Нагрузка.
Для исследования способности модуля решения ультразвуковой приварки штифтов противостоять внешним случайным вибрациям и рациональности его конструктивного исполнения получена частота колебаний модуля в условиях случайного возбуждения путем ужесточения ускорения до 15G в соответствии со стандартом AQG – 324.
Процесс сварки листов высокотемпературным припоем
Деградация припойных слоев может ускоряться из-за ползучести сплавов припоев под воздействием температуры из-за различий в КТР (коэффициенте теплового расширения) между различными материалами.
Ультразвуковая сварка терминала
Надежность модуля повышается, а паразитная индуктивность эффективно снижается за счет применения процесса ультразвуковой сварки на силовых клеммах.
Сигнальные клеммы из алюминиевых материалов с медным покрытием
Прочность соединения и долговременная надежность модуля улучшены за счет использования для сигнальных клемм материалов из алюминия с медным покрытием, поскольку прочность соединения между алюминиевым проводом и алюминиевой поверхностью выше, а соединение сигнальных клемм по-прежнему использует технологию соединения толстого алюминиевого провода.
Симметричный дизайн
Согласованность двух плеч моста обеспечивается, а распределение тока эффективно достигается за счет симметричной компоновки параллельных цепей. Деформация верхней поверхности во время процесса формования исключается за счет плоской верхней поверхности в симметричной конструкции клемм питания, что облегчает установку и использование пользователем.
Что такое технология PressFIT?
Полный метод соединения называется технологией PressFIT. Штыри закрепляются в технологии PressFIT без использования пайки или других методов соединения. При вставке в соответствующие по размеру и покрытию сквозные отверстия печатной платы штыри с дугообразным корпусом сжимаются, устанавливая электрическое соединение и сохраняя механическую надежность.
Преимущество 1: Простота
В новом модуле питания Wolfspeed WolfPACK модуль вставляется на место после выравнивания штифтов с отверстиями на печатной плате. После вставки модуль достигает электрического соединения и механически закрепляется. Не требуется никаких креплений, специального оборудования или многократных операций, поскольку конструкция разъемов PressFIT обеспечивает простую и эффективную установку.
Преимущество 2: более высокая передача мощности
Более высокая передача тока поддерживается путем создания надежного механического соединения между металлизированными сквозными отверстиями и штырями по сравнению с некоторыми другими методами соединения. Представлены более выдающиеся тепловые характеристики PressFIT, включая рассеивание тепла. Как улучшенные тепловые характеристики, так и увеличенная токовая емкость выгодны для приложений силовых модулей. Поэтому различные топологии преобразователей, такие как активные выпрямители, понижающие и повышающие схемы, хорошо подходят для силового модуля Wolfspeed WolfPACK.
Преимущество 3: Низкий уровень отказов
Приложения с высокими требованиями к надежности, такие как промышленные приводы двигателей, преобразователи, подключенные к сети, преобразование энергии возобновляемых источников, хорошо подходят для модуля Wolfspeed WolfPACK, поскольку PressFIT является оптимальным решением для этих сценариев. Разъемы PressFIT имеют один из самых низких показателей отказов по сравнению с другими методами соединения: обычно 0.005 FIT (где 1 FIT равен одному отказу за 10⁹ часов), в резком контрасте с винтовыми клеммными соединениями и пайкой, у которых показатели отказов достигают 0.5 FIT.
Преимущество 4: Прототипирование
Быстрая установка и простое развертывание в прототипировании обеспечиваются простой вставкой модулей с помощью контактов PressFIT в печатную плату. Модули могут быть повторно использованы в других проектах, конструкциях или конфигурациях благодаря съемным соединениям. Хотя это устройство легко установить, соединения, созданные контактами PressFIT, подходят для использования в конечных продуктах, поскольку они очень надежны.
Преимущество 5: Производство печатных плат
Необходимость в специальных разъемах с потенциально длительным временем выполнения устраняется в модулях, поскольку штырьки PressFIT не требуют специализированных компонентов и напрямую совместимы с печатными платами — в отличие от некоторых соединений. Таким образом, существенное преимущество штырьков PressFIT заключается в их совместимости с металлизированными сквозными отверстиями.
Время установки сокращается, поскольку для контактов PressFIT требуется только правильная ориентация модуля по отношению к печатной плате и его установка на место. Общие системные затраты снижаются за счет совместимости с металлизированными сквозными отверстиями в печатных платах, поскольку не требуется никаких дополнительных компонентов или этапов сборки, кроме отверстий, созданных во время изготовления печатной платы. Надежность повышается за счет контактов PressFIT, поскольку модули могут быть успешно вставлены только при правильной ориентации, помимо сокращения времени и затрат на установку.
Технология прессовой посадки
Соединение, образованное комбинацией упруго деформируемых штифтов или жестких штифтов с металлизированными отверстиями печатной платы, называется технологией прессового соединения Press-Fit. Электрическое соединение достигается посредством механического соединения путем создания плотных точек контакта между штифтами и металлизированными отверстиями. Деформация поперечного сечения штифта или металлизированных отверстий происходит в процессе прессовой посадки, поскольку размер поперечного сечения штифтов должен быть больше диаметра металлизированных отверстий печатной платы для образования плотной посадки.
Механическая электропроводность и техническое обслуживание без использования технологии пайки возможны благодаря Press-fit, технологии беспаечного штыревого соединения, которая позволяет клеммам сборки соединяться с гальваническими сквозными отверстиями печатной платы (PCB). Различные требования к испытаниям для автомобильной электроники (основанные на международных стандартах, таких как IEC, EIA и SAE), включая испытания на вибрацию, механические характеристики и тепловой удар (до 125 °C), могут быть выполнены благодаря его конструкции и испытаниям.
Отсутствие токопроводящих веществ, таких как остатки флюса или оловянные шарики, которые могут повлиять на надежность соединений;
Устранение распространенных проблем пайки, таких как холодная пайка, короткие замыкания и плохое проникновение олова;
Нет необходимости в использовании винтов для фиксации разъема на печатной плате после запрессовки;
При использовании разъемов с длинными штырьками для запрессовки штырьки, выходящие из задней части печатной платы, могут служить задними штырьками для достижения двухсторонних соединений;
Детерминированное контактное сопротивление и хорошие высокочастотные характеристики;
Высокая эффективность запрессовки и низкая стоимость;
Возможность многократного использования при сборке (до трех раз);
После запрессовки не требуется очистка, что снижает затраты и обеспечивает экологическую безопасность;
История пресс-соединения Press-Fit
- 1970: Жесткая запрессовка
- 1974: C-press и гибкая пресс-фитинговая система Eye of the Needle
- 1983: Tcom press-fit section гибкая пресс-фитинговая установка
- 1980-е: Применение в отрасли связи
- 1990-е годы: применение в коммуникационной и автомобильной промышленности.
- 2000-е годы: широкое применение в сфере связи, автомобилестроения, локомотивостроения и военной промышленности.
Для зоны запрессовки различными производителями применяются следующие типы конструкций:
Следующие стандарты могут быть использованы для общих требований к конструкции печатных плат. Для разных марок различные технические характеристики, такие как сила запрессовки и сила удержания, определяются структурной конструкцией, размерами и материалами штырьковых выводов:
- При толщине меди отверстий более 25 мкм и прочности на отрыв не менее 120 Н металлизированное покрытие отверстий должно быть равномерным и без заусенцев.
- Расстояние между компонентами и разъемами должно быть более 5 мм.
- Максимальная ширина должна составлять 400 мм.
- Общее требование к точности диаметра отверстия составляет ±0.05 мм.
Сила нажатия и сила удержания
- Эффективное усилие запрессовки каждого штифта предпочтительно не должно превышать 150 Н.
- Минимальные требования к силе удержания штифтов разъема определены немецким промышленным стандартом DIN 41611.
| Длина или диаметр контакта | Минимальная сила удержания |
| ≤1.3mm | 30N |
| > 1.3mm | 40N |
Материалы для Пресс-Посадка
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Сплавы CuCrZr: C18150/C18160, C18400
Преимущества: Умеренная прочность, релаксация напряжений до 175°C/1000 ч, Высокая электропроводность.
Недостатки: Формовочные свойства и эксплуатационные характеристики покрытия.
Сплавы CuNiSi: C7025, C19005/C19010
Преимущества: умеренная электропроводность, высокая прочность, способность к релаксации напряжений до 150°C/1000 ч,
Недостатки: более высокий модуль Юнга (зависит от направления нагрузки)
CuCrZr：C18150/C18160, C18400
Бронза: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Преимущества: низкий модуль Юнга, мелкозернистая структура, высокий уровень прочности,
Недостатки: плохая релаксация напряжений при высоких температурах (>100°C), низкая электропроводность,
Материалы для прессовой посадки, отвечающие требованиям соединений с «низким повышением температуры, высоким током и миниатюризацией»
Сплавы CuNiSi являются идеальным выбором для миниатюрных и сигнальных соединений, поскольку улучшение усилий вставки и извлечения в соединениях Press-Fit с помощью специальных процессов может повысить стабильность контакта. Они решают проблему надежного контакта в обжимных клеммах и отвечают требованиям к материалам для клемм в автомобильных электронных блоках управления, эффективно повышая стабильность контакта за счет улучшения усилий вставки и извлечения в соединениях Press-Fit с помощью специальных методов обработки. Кроме того, благодаря электропроводности материала в диапазоне от 35 до 60% IACS обеспечивается передача сигнала с малой задержкой. Их прочность на разрыв превышает 850% IACS*, что гарантирует надежные соединения. Сплавы CuNiSi обеспечивают превосходную комплексную производительность, достигая технологических прорывов посредством холодной обработки и термообработки с упрочнением старением раствора.
Толщина меди гальванического сквозного отверстия (толщина меди PTH) не должна быть менее 1 мил (средняя или единичная), что является правилом, которому необходимо следовать. Не допускается требовать только диаметр отверстия после металлизации; вместо этого размер сверления и размер после металлизации должны быть четко сообщены производителю печатной платы со ссылкой на рекомендуемые значения компонента. Обычно толщина медного покрытия составляет около 30-55 мкм, а толщина иммерсионного олова, как правило, превышает 1 мкм. Диаметр отверстия PTH, как правило, строго требуется, что специально определяется в соответствии с конструкцией выводов. Структура PTH относительно проста. Как правило, количество слоев печатной платы составляет более 4. Покрытие, как правило, иммерсионное олово или OSP. Обычно используемые материалы для PTH - это стекловолокно + эпоксидная смола + медная фольга толщиной более 1.6 мм. Штифты имеют различную конструкцию, при этом конечной целью является изготовление штифтов, требующих небольшого усилия запрессовки, но обеспечивающих высокую силу удержания при простоте изготовления и низкой стоимости.
Высокая надежность, превосходные электрические и тепловые характеристики, а также простая установка — вот некоторые из многочисленных преимуществ, которые технология PressFIT обеспечивает системам силовой электроники. Упрощая прототипирование, модификации и замену модулей, штыри PressFIT устраняют необходимость в пайке, гаечных ключах и специальных инструментах благодаря возможности повторного использования. Кроме того, использование металлизированных сквозных отверстий в печатных платах облегчает интеграцию штырей PressFIT в конструкции, в то время как механически сжатые штыри обеспечивают надежные соединения.
Продолжить чтение
Как проанализировать материал выводов и процесс сварки?
Сколько типов электрических клемм и разъемов существует? (Руководство по 14 типам)
Методы подключения и анализ клемм и разъемов (5 необходимых шагов)
Сколько типов изоляционных материалов для разъемов и клемм существует (3 основные категории)?
Какие факторы определяют стоимость электрических клемм и разъемов? (10 ключевых факторов)
Какие сертификаты нужны для клемм и разъемов? (6 распространенных типов)
Разъем, штепсельный разъем и клеммная колодка. Чем они отличаются?
