Einpressen als Alternative

Leistungselektronik Einpressen als Alternative

28.09.2006Redakteur: Gerd Kucera

Anbieter zum Thema

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

ept GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Infineon Technologies AG

Press-Fit heißt eine qualifizierte Verbindungstechnik für den Montageprozess von Leistungshalbleitern und ist eine zuverlässige Alternative zur herkömmlichen Löttechnik. Qualifizierungsergebnisse zeigen geringe elektrische und thermische Kontaktübergangswiderstände. Die Leistungsfähigkeit wurde nachgewiesen und steht jetzt für den Gebrauch in Anwendungen mit hohen Strömen im Medium-Power-Bereich bereit.

Gemäß den Anforderungen nach RoHS, die Mitte 2006 umgesetzt werden sollen, müssen die meisten bleihaltigen Lote durch bleifreie Lote ersetzt werden. Die Verarbeitung fordert entsprechende Lote mit höheren Schmelzpunkten sowie die Aufbringung einer bleifreien Zinnmetallisierung auf der Leiterkarte. Der Montageprozess für die Halbleitermodule ist in der Fertigung entsprechend anzupassen. Um den Anforderungen nach hoher Stromtragfähigkeit bei gleichzeitiger Einhaltung der geforderten Zuverlässigkeit und Forderung nach einfacher Montage und Demontage gerecht zu werden, hat die eupec GmbH für ihre Press-Fit-Technologie einen speziellen Gabelkontakt entwickelt.

Zunächst steht die Montagetechnik für Halbleitermodule im Leistungsbereich Medium Power zur Verfügung. Der Gabel-Kontakt (Pin) ist mit reinem Zinn beschichtet. Die große Anzahl von benötigten Pins in einem Leistungshalbleitermodul macht es erforderlich, die Einpresskräfte, Auspresskräfte und Haltekräfte zu untersuchen und zu ermitteln. Die Gabel-kontaktgeometrie erfüllt die Anforderungen der zuvor genannten Kräfte. Entsprechende Untersuchungen an Finite-Elemente-Modellen sowie reale Tests sind im Rahmen der Voruntersuchungen und während der Qualifizierung durchgeführt worden. Bild 2 zeigt die plastische Verformung des Pins, dargestellt mittels Finite-Elemente-Simulationsmodell.

Während des Einpressprozesses zeigt sich eine plastische Verformung im unteren wie auch oberen Bereich des Gabelkontaktes. Nach Abschluss des Einpressprozesses ist der Kontakt zwischen Pin und Metallisierung (Leiterkarte) hergestellt. Durch die plastische Verformung beim Einfügeprozess wird eine große Kontaktfläche geschaffen. Eine mikroskopische Aufnahme der Kontaktflächen zeigt Bild 3. Haltekräfte von 54 N sind durch Messungen bestätigt worden. Mit den gewonnenen Kenntnissen über Haltekräfte lässt sich mit folgender Formel der Übergangswiderstand berechnen.

Der errechnete geringe Übergangswiderstand wurde durch experimentelle Untersuchungen während der Qualifizierung des Press-Fit-Kontaktes bestätigt. Die Messergebnisse ergaben einen Übergangswiderstand zwischen 0,02 und 0,04 Milliohm. Um die Toleranzanforderung der Leiterkartenhersteller erfüllen zu können, wurden für den minimalen Fertiglochdurchmesser 2,14 mm und für den maximalen Fertiglochdurchmesser 2,29 mm bestimmt und qualifiziert. Die Einpresskräfte wie auch die Auspresskräfte wurden ermittelt. Bei dem auf den Gabelkontakt aufgebrachten Material handelt es sich um Galvanisch-Zinn und in dem Leiterkartenloch Chemisch-Zinn.

Bild 4 zeigt die während der Qualifizierung gemessenen Einpresskräfte. Bei Verwendung einer Leiterkarte mit dem Lochdurchmesser von 2,14 mm traten maximale Kräfte von rd. 102 N, bei Verwendung einer Leiterkarte mit 2,29 mm Lochdurchmesser minimale Kräfte von zirka 72 N auf. Das erste Plateau in der Kurve zeigt den Zusammenschluss der beiden Pin-Hälften. Im weiteren Verlauf ist ersichtlich, dass die Kräfte zunehmend ansteigen, bedingt durch die plastische Verformung des Gabelkontaktes und das weitere Eindringen des Pins in die Leiterkarte. Nach einer Verweilzeit von 72 Stunden (nach dem Einpressvorgang) steigen die Haltekräfte auf Grund der Kaltverschweißung an. Entsprechend durchgeführte Auspressversuche zeigen, dass Kräfte zwischen 45 und 60 N auftreten, unabhängig vom Leiterkartenlochdurchmesser.

In Bild 5 sind die gemessenen Auspresskräfte dargestellt.Als Resultat aus den Untersuchungen können im Reparaturfall Module in den Leiterkarten ausgetauscht werden. Mithilfe eines geeigneten Auspresswerkzeuges lässt sich das Modul aus der Leiterkarte entfernen. Der Austausch des Halbleitermoduls in der gleichen Leiterkarte ist bis zu dreimal möglich. Die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Halbleitermodule sind an Modulen mit entsprechenden internen Kurzschlussverbindungen ermittelt worden. Unterschiedliche Leiterkartenlayouts (2- und 4-lagig) wurden erstellt, um das Verhalten bei hohem Strom zu testen. Die Kupferbahnen auf der Leiterkarte hatten eine Stärke von 105 µm.

Nachdem die Bodenplatte ein konstantes Temperaturniveau hatte, wurde der Strom im Pin variiert und die Temperatur auf der Leiterkarte mithilfe einer Wärmebildkamera aufgenommen. Bild 6 zeigt die Temperaturverteilung für einen Strom von 80 A bei einer Bodenplattentemperatur von 90 °C nach 25 s Stromeinwirkung. Wie in der Thermoaufnahme zu sehen ist sind keine relevanten Temperaturschwankungen zwischen Leiterkarte und der Kontaktierung des Press-Fit-Pin zu erkennen (jeweils nur ein Pin kontaktiert).

Die Einpresstechnik hat alle Tests mit Bravur bestanden

Im Rahmen der Prüfung nach IEC 60 352-5 (3) wurden verschiedene klimatische Tests wie Thermal-Schock-Test, Trockene-Hitze-Test, Gas-Tests u.a. durchgeführt. Der elektrische Widerstand der Kontakte wurde vor und nach den Tests ermittelt. Eine Auswertung der Qualifizierungstests zeigte, dass keine Erhöhung des Widerstandwertes auftrat. Die Press-Fit-Technologie realisiert einen gasdichten Kontakt zwischen Leiterkarte und Gabelkontakt. Es findet keine Degradation durch Korrosion oder Materialermüdung statt.

Auch fanden Vibrationstest bei Beschleunigungs-/Schwingungsfrequenz-Kombinationen statt (5 g bei 200 Hz). Optische wie auch elektrische Untersuchungen zeigten keine relevanten Veränderungen der Verbindung zwischen Leiterkarte und Press-Fit-Kontakt. Die gemessenen Werte der Haltekraft von 54 N pro Pin in der Leiterkarte sind ausreichend, um den Anforderungen Stand zu halten. Keine Verbindungs-stelle hat sich bei den Vibrationstests verändert.

Robert Severin arbeitet im Technischen Marketing bei der eupec GmbH, Warstein

(ID:158624)