Надежность PressFIT-соединений

Усиленное прижимное соединение

При соединении двух контактных поверхностей друг с другом образуется только несколько зон, имеющих реальную электрическую связь («металл–металл»), что справедливо и для полированных поверхностей. Минимальный радиус такой области контакта обычно составляет 10 мкм. При использовании технологии усиленного соединения, такой как press-fit, возникает необходимая пластическая деформация контактных точек внутри зоны соединения. Это обусловлено высоким давлением, образующимся вследствие того, что высокая прижимная сила концентрируется на микроскопической площади контакта.

Рис. 1. Микрография поперечного сечения плотно прилегающих поверхностей в усиленном прижимном соединении (т. н. «легкая прессовая посадка»)

В результате две сопрягаемые поверхности очень тесно прилегают друг к другу (рис. 1). Таким образом, увеличивается эффективная зона контакта и, что самое главное, образуются газонепроницаемые зоны, очень устойчивые к воздействию агрессивных сред. Схематический чертеж показан на рис. 2, принцип работы соединения основан на хорошо известном эффекте холодной сварки, используемой для формирования постоянных электрических связей, требования по надежности для которых зачастую намного выше [2].

Рис. 2. Принцип PressFit-соединения [2]

Общие положения

На любой контактной поверхности присутствуют следы коррозии, органические отходы (например, жиры), различные загрязнения и оксидные слои. Большинство проблем создается именно оксидными слоями, и для борьбы с ними используются покрытия из благородных металлов. Толщина коррозионных слоев на их поверхности составляет около 2 нм. На всех «базовых» металлах могут образовываться коррозионные слои толщиной от 5 до более чем 100 нм. Существует два механизма создания хорошего контакта и поддержания его характеристик: «спекание» и разрушение загрязнений в процессе формирования контакта. Эффект спекания состоит в создании электрического пробоя при напряжении выше 20 мВ (в зависимости от толщины слоя), при этом основная часть следов коррозии сгорает. Недостатком метода является то, что при напряжении ниже 20 мВ (для измеряемых сигналов) эффекта спекания не возникает, а сопротивление контакта возрастает. Разрушение загрязнений в процессе формирования контакта происходит при использовании прессовой посадки. При этом не требуется обработка поверхности благородными металлами.

Фреттинг-коррозия

Рис. 3. Соотношение частоты фрикций и сопротивления

В процессе эксплуатации любого устройства происходят механические перемещения составных частей, вызванные вибрациями или воздействием температурных циклов. Если контактная поверхность соединителя покрыта благородным металлом, проблем не возникает. Однако при наличии фрикций срок службы покрытия сокращается, так что данная проблема все равно присутствует, только отодвигается на более поздний срок. При использовании технологии press-fit, отличающейся высоким усилием прижима, амплитуда микроперемещений заметно уменьшается, как правило, она не превышает 10 мкм. Результатом является отсутствие заметных вариаций контактного сопротивления в течение срока службы, следовательно, надежность PressFIT-соединений не является ограничивающим фактором при определении ресурсных показателей системы.

Если амплитуда фрикций больше 10 мкм, то контактное сопротивление в большинстве случаев быстро увеличится до нескольких ом (рис. 3) [2]. Периодические смещения, превышающие 10 мкм и возникающие в случае, если внешнее воздействие мощнее, чем контактное усилие, приводят к деградации свойств соединения по описанному выше сценарию. Таким образом, контактная система PressFIT допускает только ограниченное число перемещений с высокой амплитудой.

Положительный эффект заключается в том, что высокое контактное усилие способно формировать новые, газонепроницаемые контактные зоны в пределах нескольких перемещений. Это означает также, что PressFIT-соединение способно компенсировать некоторые смещения, возникающие при монтаже из-за наличия допусков.

PressFIT-соединение в модулях Econo и Easy PressFIT

Большое контактное усилие позволяет удалить коррозионные слои и гарантировать достаточно высокую силу «удержания», сформировать гибкое соединение, исключающее повреждение переходных отверстий PCB с учетом производственных допусков, а также обеспечить высокую нагрузочную способность. На основе технологии press-fit были разработаны два новых модуля с гибкой геометрией прижимных выводов в конструктивах Econo и Easy, обеспечивающих токовую нагрузку 50 и 25 А на контакт (рис. 4 и 5) [1, 3]. При разработке выводов Econo и Easy PressFIT использованы описанные выше принципы усиленных прижимных соединений, контакты изготовлены из медного сплава с покрытием из чистого олова.

Рис. 4. EconoPIM PressFIT

Рис. 5. EasyPIM PressFIT

Стандартные тесты на надежность с адаптированными условиями испытаний

PressFIT-соединения

Соединения PressFIT квалифицируются по стандарту IEC 60352-5 (рис. 6) [4]. Все тесты проводятся с применением стандартных печатных плат (с минимальным и максимальным диаметром отверстий). Наиболее сложным видом испытаний в данном случае является климатика. Для проверки пригодности PressFIT-контактов для применения в силовых модулях температура в отдельных компонентах климатических тестов увеличена [4].

Рис. 6. Квалификация контактов в соответствии со стандартом IEC 60532-5, доработанным для испытаний силовых модулей

Также была увеличена температура при проведении тестов на тепловой шок (TST), термоциклирование и сухой нагрев (рис. 6). Она даже превышала максимальную рабочую температуру стандартных печатных плат (+105 °C). Все квалификационные процедуры были пройдены без каких-либо отказов и без заметной деградации контактных свойств. Как показано на рис. 7, переходное сопротивление выводов PressFIT уменьшилось после серии климатических испытаний (минимальный диаметр отверстия 1,04 мм). Этот хорошо известный и описанный выше эффект вызван процессом рекристаллизации и последующим улучшением качества соприкосновения контактных партнеров.

Рис. 7. Контактное сопротивление после последовательности климатических тестов

Силовые модули

Для тестирования силовых модулей используются хорошо проверенные методики, принятые в соответствии со стандартом IEC 60749 [6] (они приведены далее, на рис. 9). Кроме того, проводятся некоторые дополнительные тесты, исследующие влияние окружающей среды и соответствующие IEC 60068-2, часть 43 и 52 (рис. 9) [7, 8]. Все стандартные тесты на надежность модулей проводились без подключения к печатной плате, однако теперь разработаны усовершенствованные методики испытаний, предусматривающие использование PCB.

Рис. 8. Схема «онлайнового» измерения контактного сопротивления

При проведении теста H3TRB (высокая влажность, высокая температура, обратное напряжение), тепловой шок (Thermal Shock Test, ТSТ) и испытаниях на вибрацию проводится дополнительное «онлайновое» измерение сопротивления. Напряжение устанавливается на уровне ~1,3 мВ (1,2–1,4 мВ, в зависимости от температуры и соответствующей электрической проводимости), ток 1 А. Как описано выше, такие низкие значения важны для устранения эффекта спекания, влияние которого может размывать малые изменения контактного сопротивления. Сопротивление 1,3 мОм относится ко всей испытательной установке, оно состоит из двух контактных сопротивлений и импеданса малого контура (рис. 8).

Рис. 9. Квалификация модулей по IEC 60749 и 60068

Для проведения испытаний на термоциклирование («минуты») температура выбиралась не только с учетом максимальной температуры кристалла, но и с учетом максимальной температуры PCB (~+105 °С).

При проведении теста на воздействие агрессивных газов концентрация Н₂S (10 ppm) была увеличена до 50 промилле, температура в камере до +40 °С (стандарт +25 °C), влажность — до 93% (вместо 80%). Указанные значения не обеспечиваются типовым испытательным оборудованием. Зеленые поля на рис. 6 и 9 обозначают границы, определенные в оригинальных версиях стандартов [6–8]. Все испытуемые модули прошли испытания без каких-либо следов деградации контактов (рис. 10). Процесс «онлайнового» измерения сопротивления не выявил прерывания или заметного изменения контактных свойств.

Рис. 10. Вид контактов до и после воздействия соляного тумана

На рис. 11 показаны результаты «онлайнового» измерения сопротивления терминалов в ходе TST. Никаких отклонений не было выявлено за время проведения проверки при температуре –40…+125 °С. Вибрационные испытания проходили при тех же условиях, как и «стандартные» тесты (рис. 9), но с ускорением 20g. Для проведения стандартных или специальных тестов всегда трудно найти необходимое оборудование, поскольку конструкция и масса реальных устройств никогда не бывает одинаковой. Поэтому было решено проводить испытания с применением небольшой печатной платы без дополнительных установленных масс и без фиксации на модуле.

Рис. 11. «Онлайновое» измерение контактного сопротивления (мОм) в ходе TST

Такая же методика использовалась в ходе «стандартного» вибрационного теста. «Онлайновое» измерение сопротивления при этом невозможно, поскольку чувствительность оборудования к механическим воздействиям очень высока. Испытания показали, что даже сильная вибрация с ускорением 20g не повреждает и не ухудшает свойства PressFIT-соединения (рис. 12).

Рис. 12. Сопротивление до и после вибрационной нагрузки 20 g

Надежность и повторное использование

Как правило, всегда предпочтительнее иметь конструкцию, которая обеспечивает простоту обслуживания и ремонта. Как показано в предыдущих публикациях, модули с PressFIT-контактами можно демонтировать, а печатная плата может быть использована с новым модулем еще два раза [1, 3].

Однако что можно сказать о надежности PressFIT-соединения при повторном использовании? Этот вопрос исследовался с помощью дополнительной серии TST. Измерения проводились после 50, 100 и 150 циклов для изучения сопоставимости результатов, полученных на идентичной, но доработанной установке (рис. 13).

Рис. 13. Сравнение сопротивлений после TST: от 50 до 150 циклов без переделки

Для проведения теста на повторное использование первый модуль был запрессован на печатную плату. После предварительного измерения сопротивления выполнялось 50 циклов TST (–40…+125 °C) и повторное измерение сопротивления. Далее модуль был демонтирован и произведена установка нового компонента. После этого опять выполнялось предварительное измерение, TST и последующее измерение сопротивления. Данная процедура повторилась еще раз, таким образом,  каждый из трех модулей был подвергнут воздействию 50 циклов TST с одной и той же печатной платой. На PCB установлено несколько коннекторов для измерения сопротивления контактов, они имеют разную длину соединения. Это приводит к большому разбросу одиночных значений сопротивления, поскольку доминирующим здесь является импеданс между контактом и точкой измерения (рис. 14).

Рис. 14. Три модуля в трех последовательных TST с одной PCB

Заключение

Результаты проведенных тестов подтверждают отсутствие измеримой деградации контактных характеристик. Контактное сопротивление оставалось очень стабильным во время и после проведения испытаний. Это означает, что силовой ключ не только способен коммутировать большой ток в течение срока службы, но и расширенные интегрированные функции, работающие при низком напряжении и токе (например, измерение тока), будут абсолютно стабильно обеспечиваться до окончания ресурса системы. Благодаря этому технология press-fit  хорошо подходит для применения в силовых полупроводниковых модулях, особенно с учетом растущих требований по надежности.