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无铅应用中功率模块的低电流电气弹簧压接的可靠性

发布时间:2005-08-10 16:02   类型:应用案例   人浏览
引言

功率模块采用先进的电气压接技术设计可以简化装配工艺。这种技术可以用在功率端子、栅极、发射极和传感器的连接。多年来,SKiiP® 和 MiniSKiiP®产品族中一直采用低温锡铅印制电路板。然而,由政策法规和市场需求牵引起来的无铅运动迫使人们开发与新一代无铅驱动器相匹配的连接技术。

无铅压接系统的发展

目前PCB生产的现状是采用薄的锡铅焊料层涂覆在铜皮及焊盘表面给元件焊接提供一个合适的界面。一般采用热风整平(HAL)技术来得到光亮、平整、均匀的焊料涂层。在电气压接应用中,采用HAL工艺的PCB适合将带有特殊锡合金镀层的弹簧引线作为压接对象。
随着PCB生产即将向无铅化转变,现有技术必须要革新。今天,正在研究尽可能将化学沉淀锡层或者锡银焊料合金作为候选的无铅PCB技术。但是二者中任何一种技术的应用经验相对较少。现有唯一成熟的无铅技术是有着广泛经验基础的化学镍金系统。由于可焊性的缘故,接触面金层厚度最大不过200nm,为避免金膜被弹簧磨损的可能,故必须恰当地设计出带有平滑形状的配合面。
对于化学镍金镀层的印制板,相匹配的压接弹簧材料的选择受到连接稳定性要求的限制。用铜基材可保证稳定的弹力性能且具有良好的导电性。出于接触可靠性考虑,弹簧引线表面必须镀覆。当应用中压接面法向力满足一定条件(硬金镀层能承受的法向力<5N,银镀层则<20N)时,硬金和银镀层材料比较可靠。SEMIKRON根据不同产品系列的压接力要求,选择了最佳的弹簧引线镀层——MiniSKiiP®II 中使用了银镀层,而SKiiP3®则用了硬金。
电气界面的连接稳定性在其使用期内一直受关注,特别是压接点。通常在大电流负载和大电压降情况下,弹簧压接的耐久性好。但是在低功率、低电压情况下,如传感器一类的连接,它们对接触表面的一些小的变化都很敏感。压接界面在空气中抗硫化性能与铜基合金表面上贵重的镀层材料有关。对于硬金而言,其下面要有一层镍扩散阻挡层来保护铜基材,而银镀层表面则需要钝化来抵抗硫化物的形成。为了满足可靠性要求,应该在小电流负载或空载情况下进行适当的加速试验。所以,下面给出了MiniSKiiP®II 和 SKiiP3®与浸渍镍/金的PCB相配合的可靠性试验结果。

测试系统和条件

    为了测试压接稳定性,测试参数的选择要合适。压接可靠性的检验可以通过测量接触电阻来实现,以图1给出的MiniSKiiP®结构为例,这里模块做了一些调整——用导线束将功率基片上的连接衬垫短接,这样就可以很灵敏地检测接触电阻的变化。

    温度循环试验-参数
    温度循环试验是一项很重要的寿命试验,因为它能反映出近似于实际环境的应用情况。在这种试验中,压接系统会受热胀冷缩产生的微小动作的影响,正如在实际应用中,气候变化会产生老化效应。
在试验进行过程中,接触点两端不要加电压,因为当有稳定的电流流过接触点时会产生稳定效应,导致试验的严酷性降低。接触电阻的测量按图1 所示的四点式结构来进行,在接触点中通10m A恒定电流或两端加不超过5V的电压。试验前,应先在室温下测量,试验开始后分别在温度循环(-40℃/+125℃)50次、100次、150次和200次时再测量。用这些参数测量的接触电阻比较接近实际应用环境。

图1:模型结构示意图(无外壳)
Fig. 1: Schematic set-up of samples (without housing). 
    初始电阻包含4个接触电阻以及PCB上电流途径、DBC和弹簧的欧姆电阻。当每对弹簧引线接触电阻的变化量(DRc),即四个接触点的电阻变化总和达到400 mW,就定义为弹簧寿命终止。这种规定的限值保证了辅助控制板功能的可靠性和稳定性。

流动混合气体腐蚀试验-参数
流动混合气体腐蚀试验是依据IEC 60068-2-60 Ke方法3按下表中参数来进行的,用于检验有害环境中镀银弹簧引线和PCB之间材料配合的可靠性。通过在其中加10mA试验电流或两端加不超过20mV的电压测量试验前后接触电阻来评估接触点。


    为保证镀硬金的弹簧引线的可靠性,腐蚀试验是依据IEC 60068-2-60 Ke方法4来进行的。对于不同的电镀系统,混气体的成分选择都是用来模拟最苛刻的环境条件。
根据ISA-S71.04 –1985对电气和电子装置在腐蚀性环境中的可靠性分级,这两类设备的试验都应符合最高腐蚀性严酷等级。试验结果的评估是通过试验前后接触电阻的比较来进行的。

弹簧引线设计

弹簧引线形状的设计应保证在预期寿命内具有可靠的机械弹力。(图2和3)。而接触点的几何形状必需要根据接触点材料和受力情况来选择。

图2:MiniSKiiP® II和接触点设计
Fig. 2: MiniSKiiP® II and contact desig

图3:SKiiP3® 和接触点设计
Fig. 3: SKiiP3® and contact design.
同P CB压接配对,弹簧引线上一层超薄的化学金层对磨损非常敏感,因此它要求接触面非常光滑,以免磨损后直接接触到了下面的镍。通过设计光滑的、圆柱型弹簧引线接触点,可以满足要求。
镀银弹簧引线-MiniSKiiP® II 系列

Ag镀层的温度循环特性
为了安全起见,要限制测试电流,将电压设定为5V。根据图2所示的试验模型,接触电阻由四个接触点电阻组成。试验测得被测设备的接触电阻变化量的平均值和标准偏差如图4所示。所有弹簧引线表面都经过新的金属钝化处理。

温度循环结果
图4给出了整个循环过程中的接触电阻特性。在100次温度循环后的试验时间内,DRc的差别在60 mW以内,可以近似认为DRc不变。接触电阻变化慢且远远低于温度循环200次变化量为400 mW的限值。

图4:温度循环试验中钝化过的银镀层弹簧引线与化学镍金镀层PCB配合的接触电阻特性
Fig. 4: Contact resistance characteristics of passivated silver plated spring pins on PCB with chemical nickel gold plating during temperature cycling.
温度循环试验后,光学观察显示PCB的化学镍金层整体有平滑的烙印,但化学镀金层完好无损。弹簧引线镀银层同样也没有受磨损。

银镀层抗硫化稳定性
纯净的银表面与硫有较高的化合力。镀银层或接触弹簧发生硫化会影响电气连接功能。为防止硫化银的形成,表面钝化为一种较适当的措施。在银的表面设计一层可以实现电气连接的保护层,该保护层并不影响接触性能。最近市场上出现了一种新型金属钝化工艺,保护性能非常好。
试验后目检发现,与没有做过腐蚀试验的新弹簧引线相比有轻微痕迹,见图5。但这些痕迹对电气接触特性没有太大影响,它只是在接触面烙印的外表面。混合气体腐蚀试验前后接触电阻的测量结果显示,两个串联弹簧的总DRc 最大为+5.16mW,对电气特性而言,这个变化量可忽略。

图5:腐蚀试验后大部分有痕迹的弹簧和没做过试验弹簧引线对比。
Fig. 5: Most tarnished spring after corrosion test and not tested spring pin for reference.

镀硬金的弹簧引线-SkiiP3®系列

硬金镀层温度循环结果
图6为整个循环过程中的接触电阻特性。可以看出,大约150个温度循环周期之后,DRc达到饱和,稳定在10mW左右。在随后的试验时间内,接触电阻也只有轻微波动,远远低于温度循环200次变化量为400 mW的限值。

图6:温度循环试验中硬金镀层弹簧引线与化学镍金镀层PCB配合的接触电阻特性
Fig. 6: Contact resistance characteristics of hard gold plated spring pins on PCB with chemical nickel gold plating during temperature cycling.
试验后拆开模块,可以看见接触面有平滑的机械变形,但弹簧引线和PCB镀层完好。
硬金镀层抗硫化稳定性
由于铜对金和硫都有较高的结合力。为了阻止金扩散进入铜基材,在镀硬金之前,应在铜表面镀一层无细孔的镍扩散阻挡层作为硬金层的底衬。另外,这层镍也能保护铜基材,起抵抗硫化的作用。否则,在有害的大气环境中,压接效果会变坏。
通过目检PCB和弹簧引线没有发现损伤的痕迹(见如图7)。两个串联弹簧的总DRc 最大为+7 mW,与限值相比几乎可忽略不计。
因此,在严酷的试验环境下硬金与化学镍金材料的配合呈现出了优良的可靠性。

图7:经过腐蚀试验后的弹簧引线接触点和PCB压接焊盘
Fig. 7: Spring pin contact and PCB contact pad after corrosion test.
在无铅应用中,MiniSKiiP®II 和 SKiiP3®模块的弹簧引线与化学镍金PCB的配合显示出优秀的长期可靠性,特别适合功率电子应用。

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