Terminal Malzemeleri ve Kaynak İşlemlerinin Analizi
Güç yarı iletken paketleme teknolojisinin büyümesi, bir ölçüde, malzeme mühendisliği ve üretim tekniklerindeki atılımlarla desteklenmektedir. Endüstri, güç döngüsü dayanıklılığını ve uzun vadeli operasyonel kararlılığını artırmak ve modüllerdeki çeşitli malzemeler arasındaki termal genleşme katsayısı uyumsuzluğunu gidermek için tamamen bakır işleme yaklaşımına öncülük etmiştir. Bu metodoloji temel olarak üç temel unsurdan oluşur: modül bakır güç terminallerinin ultrasonik kaynaklanması, bakır tel bağlama bağlantısı ve çip bakır metalizasyonu.
Pim ultrasonik kaynak, belirli uygulama senaryolarında pim bağlantılarının güvenilirliğine daha yüksek gereksinimler getirildiği için yeni bir bağlantı yöntemi olarak geliştirilmiştir. Pim ultrasonik kaynak, aynı metalleri bağlamada eşsiz avantajlar sunar. Ultrasonik metal kaynaklama akı veya harici ısı kaynakları gerektirmediğinden, kaynaklı yapı artık gerilime sahip olmayacak ve ısı nedeniyle deforme olmayacaktır.
Pin ultrasonik kaynaklama piyasada giderek daha fazla rağbet görmeye başlamıştır. Özdeş malzemeler arasında yakın metalik kovalent bağlanma sağlamıştır.
Geleneksel yumuşak lehimleme, ekipman hava basıncı dalgalanmaları, anormal reflow fırın sıcaklığı, lehim pastası akısı buharlaşması gibi faktörler nedeniyle zayıf pim kaynağına yol açabilir. Ek olarak, kullanım sırasında intermetalik bileşiklerin (IMC) büyümesi nedeniyle bağ mukavemeti de azalabilir.
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, ultrasonik kaynak (Ultrasonik Kaynak) prensibidir. Ultrasonik tel bağlama sistemi esas olarak bir kaynak kafası, bir genlik modülatörü, bir dönüştürücü ve bir ultrasonik güç kaynağından oluşur. Bu, nihayetinde ultrasonik güç kaynağının güç frekans sinyalini 20-60 KHz'lik yüksek frekanslı ultrasonik mekanik titreşimlere dönüştürebilir. Kama, ultrasonik kaynak işlemi sırasında Pin iğnesinin yüzeyine basınç ve ultrasonik enerji uygular. Pin iğnesi ile DBC arasındaki oksit filmi, birleşik eylemleri altında yüksek frekanslı titreşim sürtünmesiyle kırılır. Bu işlem temiz bir arayüz ortaya çıkarır. Temiz bakır yüzey metali temas ettikten sonra basınç ve ultrasonik enerji uygulanmaya devam eder. Bu işlem kaynak temas alanını kademeli olarak artırır. Bu, metal yüzeyler arasındaki atomların kovalent bağlar oluşturmasına neden olur. Bu nedenle, nihayetinde güvenilir bir bağlantı oluşturulur.
Ultrasonik Pim Kaynağının Avantajları
- Yüksek kaynak hassasiyeti ve düşük enerji tüketimi.
- Yüksek Saat Başına Birim (UPH) ve kısa kaynak süresi.
- Kaynak işleminin kalitesini gerçek zamanlı olarak izleyin (deformasyon, voltaj, akım vb.).
- Kaynak esnasında lehim veya fluks kullanılmaz, sağlığa hiçbir zararı yoktur.
- Kaynak sırasında doğrudan yüzeyden yüzeye bağlanma sağlanarak dolgu malzemesine ihtiyaç duyulmaz.
- Mükemmel fiziksel özellikler, üründe termal stres yok.
- İşlem süreci boyunca ürün oksidasyonu riski yoktur, ısıtma gerekmez
Otomatik paketleme, pim otomatik besleme işleviyle kapsülleme otomasyonunu elde etmeye yardımcı olur. Bu arada, geleneksel lehim macunu kaynağından daha yüksek hassasiyetle hassas tanımlama, kaynaklamadan önce gerçekleştirilir ve süreç güç terminali ultrasonik kaynağına benzerdir. Güç modülü paketlemesinde uygulanan ultrasonik Pim kaynak teknolojisi, sinyal terminallerinin ultrasonik kaynaklanması yoluyla geleneksel lehim macunu lehimleme sürecinin yerini alır ve böylece Pimler ile DBC arasındaki bağlantıyı artırır.
Kararlı Bağlama Yüzey İtme Gücü
Ultrasonik pim kaynak çözümü modülünün dışarıdan gelen rastgele titreşimlere karşı koyma kabiliyetini ve yapısal tasarımının rasyonalitesini incelemek için, modülün rastgele uyarım koşulları altındaki titreşim frekansı, AQG-15 standardına uygun olarak ivmenin 324G'ye kadar daraltılmasıyla elde edilir.
Yüksek Sıcaklık Lehim Levha Kaynak İşlemi
Alaşımlı lehimlerin sıcaklık etkileri altındaki sürünme özellikleri, farklı malzemeler arasındaki CTE (termal genleşme katsayısı) farklılıklarından dolayı lehim katmanlarının bozulmasını hızlandırabilir.
Terminal Ultrasonik Kaynak
Güç terminallerine ultrasonik kaynak işlemi uygulanarak modülün güvenilirliği artırılır ve parazitik endüktans etkili bir şekilde azaltılır.
Bakır Kaplı Alüminyum Malzemelerden Üretilen Sinyal Terminalleri
Sinyal terminallerinde bakır kaplı alüminyum malzemeler kullanılarak, alüminyum tel ile alüminyum yüzey arasındaki bağlanma mukavemeti daha yüksek olduğundan ve sinyal terminali bağlantısında hala kalın alüminyum tel bağlama teknolojisi kullanıldığından, modülün bağlanma mukavemeti ve uzun vadeli güvenilirliği artırılmıştır.
Simetrik Tasarım
İki köprü kolunun tutarlılığı sağlanır ve paralel devrelerin simetrik yerleşimi ile akım paylaşımı etkili bir şekilde sağlanır. Güç terminallerinin simetrik tasarımında düz üst yüzey sayesinde kalıplama işlemi sırasında üst yüzeyin eğrilmesi önlenir, bu da kullanıcı kurulumunu ve kullanımını kolaylaştırır.
PressFIT Teknolojisi Nedir?
Tam bağlantı yöntemine PressFIT teknolojisi denir. Pinler, lehimleme veya başka herhangi bir bağlantı yöntemine dayanmadan PressFIT teknolojisiyle sabitlenir. Uygun boyutta ve kaplanmış PCB geçiş deliklerine yerleştirildiğinde, yay şeklinde bir gövdeye sahip pinler sıkıştırılır, elektriksel bir bağlantı kurulur ve mekanik güvenilirlik korunur.
Avantaj 1: Basitlik
Yeni Wolfspeed WolfPACK güç modülünde, pimler PCB üzerindeki deliklerle hizalandıktan sonra modül yerine itilir. Modül takıldıktan sonra elektrik bağlantısı sağlanır ve mekanik olarak sabitlenir. PressFIT konnektörlerinin tasarımı basit ve etkili kurulumu desteklediğinden, sabitleme, özel ekipman veya birden fazla işlem gerekmez.
Avantaj 2: Daha Yüksek Güç Aktarımı
Diğer bazı bağlantı yöntemlerine kıyasla, kaplanmış delikler ve pimler arasında güvenli bir mekanik bağlantı kurularak daha yüksek akım iletimi desteklenir. PressFIT'in ısı dağılımı da dahil olmak üzere daha olağanüstü termal özellikleri sunulur. Hem gelişmiş termal performans hem de artan akım kapasitesi güç modülü uygulamaları için faydalıdır. Bu nedenle, aktif doğrultucular, buck ve boost devreleri gibi çeşitli dönüştürücü topolojileri Wolfspeed WolfPACK güç modülü için oldukça uygundur.
Avantaj 3: Düşük Arıza Oranı
Endüstriyel motor sürücüleri, şebekeye bağlı dönüştürücüler, yenilenebilir enerji güç dönüşümü gibi yüksek güvenilirlik gereksinimleri olan uygulamalar, PressFIT'in bu senaryolar için en uygun çözüm olması nedeniyle Wolfspeed WolfPACK modülü için oldukça uygundur. PressFIT konnektörleri, diğer bağlantı yöntemlerine kıyasla en düşük arıza oranlarından birine sahiptir: tipik olarak 0.005 FIT (1 FIT, 10⁹ saatte bir arızaya eşittir), 0.5 FIT kadar yüksek arıza oranlarına sahip vidalı terminal bağlantıları ve lehimleme ile keskin bir tezat oluşturur.
Avantaj 4: Prototipleme
Hızlı kurulum ve prototiplemede kolay dağıtım, PressFIT pinlerini kullanarak modülleri bir PCB'ye basitçe yerleştirerek sağlanır. Modüller, çıkarılabilir bağlantılar sayesinde diğer projelerde, tasarımlarda veya yapılandırmalarda yeniden kullanılabilir. Bu cihazı kurmak kolay olsa da, PressFIT pinleri tarafından kurulan bağlantılar son derece güvenilir oldukları için nihai ürünlerde kullanıma uygundur.
Avantaj 5: PCB Üretimi
Modüllerde potansiyel olarak uzun teslim sürelerine sahip özel konektörlere olan ihtiyaç ortadan kalkar, çünkü PressFIT pinleri özel bileşenler gerektirmez ve bazı bağlantıların aksine PCB'lerle doğrudan uyumludur. PressFIT pinlerinin önemli bir avantajı da bu nedenle kaplanmış deliklerle uyumluluklarında yatar.
Kurulum süresi azalır çünkü PressFIT pinleri yalnızca modülün PCB'ye doğru doğru şekilde yönlendirilmesini ve yerine itilmesini gerektirir. PCB'lerdeki kaplamalı deliklerle uyumluluk sayesinde genel sistem maliyetleri azalır çünkü PCB üretimi sırasında oluşturulan deliklerin ötesinde ek bileşenler veya montaj adımları gerekmez. PressFIT pinleri, modüllerin yalnızca doğru şekilde yönlendirildiğinde başarılı bir şekilde yerleştirilebilmesi nedeniyle güvenilirliği artırır, kurulum süresi ve maliyetlerindeki azalmanın ötesinde.
Press-Fit Teknolojisi
Elastik olarak deforme olabilen pimlerin veya sert pimlerin PCB metalize deliklerle birleştirilmesiyle oluşturulan bir bağlantıya Press-Fit pres bağlantı teknolojisi denir. Elektriksel bağlantı, pimler ve metalize delikler arasında sıkı temas noktaları oluşturularak mekanik bağlama yoluyla elde edilir. Sıkı bir uyum oluşturmak için pimlerin kesit boyutunun PCB metalize deliklerinin çapından daha büyük olması gerektiğinden, pres-fit işlemi sırasında pim kesitinin veya metalize deliklerin deformasyonu meydana gelir.
Lehimleme teknolojisi kullanılmadan mekanik elektrik iletimi ve bakımı, montaj terminallerinin baskılı devre kartı (PCB) elektrokaplamalı deliklere bağlanmasına olanak tanıyan lehimsiz bir pim bağlantı teknolojisi olan Press-fit ile sağlanır. Titreşim, mekanik performans ve termal şok (125°C'ye kadar) testleri dahil olmak üzere otomotiv elektroniği için çeşitli test gereksinimleri (IEC, EIA ve SAE gibi uluslararası standartlara dayalı) tasarımı ve testleri ile karşılanabilir.
Güvenilir bağlantıları etkileyebilecek akı kalıntıları veya kalay boncukları gibi iletken maddeler kullanılmamalıdır;
Soğuk lehimleme, kısa devre ve zayıf kalay penetrasyonu gibi yaygın lehimleme sorunlarının ortadan kaldırılması;
Presle takıldıktan sonra konektörü PCB'ye sabitlemek için vidaya gerek yoktur;
Pres-takma için uzun pimli konnektörler kullanıldığında, PCB'nin arkasından uzanan pimler, çift taraflı bağlantılar elde etmek için arka pim görevi görebilir;
Deterministik temas empedansı ve iyi yüksek frekans performansı;
Yüksek pres-geçirme verimliliği ve düşük maliyet;
Montaj için tekrar kullanılabilir (üç defaya kadar);
Pres-montaj sonrası temizlik gerektirmediği için maliyetleri düşürürken aynı zamanda çevre dostudur;
Press-Fit Pres Bağlantısının Tarihçesi
- 1970: Sert pres bağlantısı
- 1974: C-pres ve İğne Gözü esnek pres-uyumlu
- 1983: Tcom pres-fit bölümü esnek pres-fit
- 1980'ler: İletişim sektöründe uygulama
- 1990'lar: Hem iletişim hem de otomotiv endüstrisinde uygulama
- 2000'ler: Haberleşme, otomotiv, lokomotif ve askeri endüstrilerde yaygın uygulama.
Pres-fitting bölgesi için farklı üreticiler tarafından aşağıdaki yapı tipleri kullanılmaktadır:
Baskılı devre kartlarının genel tasarım gereksinimleri için aşağıdaki standartlara başvurulabilir. Farklı markalar için, presleme kuvveti ve tutma kuvveti gibi değişen teknik özellikler, Pin pinlerinin yapısal tasarımı, boyutları ve malzemeleri tarafından belirlenir:
- Delik bakır kalınlığı 25 μm'yi aşan ve soyulma mukavemeti en az 120 N olan metalize delik kaplama, düzgün ve çapaksız olmalıdır.
- Bileşenler ve konektörler arasındaki boşluk 5 mm'den büyük olmalıdır.
- Maksimum genişlik 400 mm olacaktır.
- Delik çapı doğruluğu için genel gereklilik ±0.05 mm'dir.
Basınç Kuvveti ve Tutma Kuvveti
- Her bir pim için etkin bastırma kuvveti tercihen 150 N'u geçmemelidir.
- Konnektör pimleri için minimum tutma kuvveti gereksinimleri Alman endüstri standardı DIN 41611 tarafından belirlenmiştir.
| Temas Uzunluğu veya Çapı | Minimum Tutma Kuvveti |
| ≤1.3mm | 30N |
| > 1.3mm | 40N |
Malzemeler için Basın-Fit
CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
CuCrZr Alaşımları: C18150/C18160, C18400
Avantajları: Orta düzeyde dayanıklılık, 175°C/1000 saate kadar stres gevşetme performansı, Yüksek elektriksel iletkenlik
Dezavantajları: Şekillendirilebilirlik ve kaplama performansı
CuNiSi Alaşımları: C7025, C19005/C19010
Avantajları: Orta düzeyde elektriksel iletkenlik, yüksek mukavemet, 150°C/1000 saate kadar gerilim gevşeme performansı,
Dezavantajları: Daha yüksek Young modülü (yüklemeye bağlı yön)
CuCrZr：C18150/C18160, C18400
Bronz: CuSn4/C511, CuSn6/C519, CuSn8/C521
Avantajları: Düşük Young modülü, ince taneli yapı, yüksek mukavemet seviyesi,
Dezavantajları: Yüksek sıcaklıklarda (>100°C) zayıf gerilim gevşeme performansı, düşük elektriksel iletkenlik,
“Düşük Sıcaklık Artışı, Yüksek Akım, Minyatürleştirme” Bağlantılarının İhtiyaçlarını Karşılayan Pres-Fit Uygulamaları İçin Malzemeler
CuNiSi alaşımları, özel prosesler aracılığıyla Press-Fit bağlantılarındaki yerleştirme ve çıkarma kuvvetlerini iyileştirmek temas kararlılığını artırabileceğinden minyatürleştirilmiş ve sinyal yoğun bağlantılar için ideal bir seçimdir. Kıvrımlı terminallerdeki güvenilir temas sorununu çözerler ve özel işleme teknikleri aracılığıyla Press-Fit bağlantılarının yerleştirme ve çıkarma kuvvetlerini iyileştirerek temas kararlılığını etkili bir şekilde artırarak otomotiv elektronik kontrol ünitelerindeki terminaller için malzeme gereksinimlerini karşılarlar. Ayrıca, malzemenin elektriksel iletkenliği %35-60 IACS arasında değiştiğinden, düşük gecikmeli sinyal iletimi sağlanır. Çekme mukavemetleri %850 IACS'yi* aşarak güvenilir bağlantılar garanti eder. CuNiSi alaşımları, soğuk işleme ve çözelti yaşlandırma güçlendirme ısıl işlemiyle proses atılımları elde ederek mükemmel kapsamlı performans sunar.
Elektrokaplama delikli bakır kalınlığı (PTH Cu kalınlığı), uyulması gereken kural olan 1 mil'den (ortalama veya tek nokta) az olmamalıdır. Sadece kaplama sonrası delik çapının gerekli olmasına izin verilmez; bunun yerine, delme boyutu ve kaplama sonrası boyutu, bileşenin önerilen değerlerine atıfta bulunularak PCB üreticisine açıkça bildirilmelidir. Genellikle, bakır kaplamanın kalınlığı yaklaşık 30-55 μm'dir ve daldırma kalay kalınlığı genellikle 1 μm'den büyüktür. PTH'nin delik çapı genellikle kesinlikle gereklidir ve bu, pim tasarımına göre özel olarak belirlenir. PTH'nin yapısı nispeten basittir. Genellikle, PCB katmanlarının sayısı 4'ten fazladır. Kaplama genellikle daldırma kalay veya OSP'dir. PTH için yaygın olarak kullanılan malzemeler, kalınlığı 1.6 mm'den büyük olan fiberglas + epoksi reçine + bakır folyodur. Pimler çeşitli yapılara sahip olup, nihai amaç, kolay üretim ve düşük maliyet koşulları altında, düşük basma kuvveti gerektiren, ancak yüksek tutma kuvveti sunan pimlerin üretilmesidir.
Yüksek güvenilirlik, üstün elektriksel ve termal performans ve basit kurulum, PressFIT teknolojisinin güç elektroniği sistemlerine sağladığı çok sayıda faydadan birkaçıdır. Prototiplemeyi, değişiklikleri ve modül değiştirmeyi basitleştiren PressFIT pimleri, yeniden kullanılabilirlikleri sayesinde lehimleme, anahtarlar ve özel aletlere olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Ayrıca, PCB'lerde kaplamalı geçiş deliklerinin kullanımı, PressFIT pimlerinin tasarımlara entegre edilmesini kolaylaştırırken, mekanik olarak sıkıştırılmış pimler güvenli bağlantılar sağlar.
Devamını Oku
Terminal Malzemesi ve Kaynak Prosesi Analizi Nasıl Yapılır?
Kaç Çeşit Elektrik Terminali ve Konnektör Vardır? (14 Çeşit İçin Kılavuz)
Bağlantı Yöntemleri ve Terminaller ve Konnektörlerin Analizi (Gerekli 5 Adım)
Kaç çeşit konnektör ve terminal yalıtım malzemesi vardır (3 ana kategori)
Elektrik terminalleri ve konnektörlerinin maliyetini hangi faktörler belirler? (10 Temel Faktör)
Terminaller ve Konnektörler Hangi Sertifikalara İhtiyaç Duyar? (6 Yaygın Tür)
Konnektör, Fiş ve Priz Konnektör, Terminal Bloğu, Aralarındaki farklar nelerdir?
