變頻器IGBT引腳自動化錫焊工藝優化

楊亞強 屈攀 趙亮

摘要：焊接IGBT引腳特點是錫焊焊盤大，IGBT模塊散熱快，在焊接時存在熱量快速流失，引腳區域溫度不均勻，易形成虛焊，冷焊等缺陷; IGBT引腳接地點焊盤大，錫焊時間長，在批量生產中要求盡可能縮短錫焊時間;因此對IGBT錫焊工藝影響參數進行分析，優化調整錫焊工藝參數;減少焊接缺陷，提高焊點良率，透錫率，滿足質量要求;并縮短每個焊點的時間，滿足生產節拍要求。

關鍵詞：IGBT? 錫焊? 錫焊工藝? 自動化

引言

IGBT? 是發展較快的一種電力電子原件，其具有輸入阻抗高，開關速度快，承受電流大，通態電壓低，阻斷電壓高，熱穩定性好等優點;廣泛用于航空航天電源，計算機電源，電動汽車，高速鐵路，電力設備等各個領域。變頻器靠內部的IGBT的開斷來調整輸出電源電壓和頻率，根據電機的需要來提供所需要的電源電壓，進而達到節能，減速的目的。焊接IGBT引腳是變頻器裝配過程中的關鍵工藝，其焊接質量直接影響變頻器的可靠性及使用壽命。

1、變頻器IGBT引腳錫焊工藝過程分析

IGBT引腳錫焊焊點質量要求

首先，IGBT引腳的焊接質量要求符合IPC標準;成型后焊點須滿足;a.色澤光亮無灰暗。b.零件引腳突出焊錫面且焊錫完全覆蓋焊點及零件腳周圍;無尖銳突起，無凹洞，裂紋，無殘留外來雜物;c.角度，錫焊表面連續，平滑，呈凹陷狀，被焊物與焊物在連接處角度小于90度，且角度越小越好。

IGBT引腳焊點常見缺陷有漏焊，冷焊，焊錫裂，錫洞，錫多粘連，錫尖等，以下從錫焊工藝過程分析影響錫焊焊點質量的影響參數;

IGBT引腳錫焊工藝參數分析

如圖為典型的合金無鉛錫焊溫度曲線圖，把曲線分為3個區域;分別定義為A加熱區，B焊接區，C冷卻區;

加熱區A：焊盤區域從常溫開始受熱，時間t11到t12的區域，這個區域烙鐵頭開始與焊盤接觸，將熱量迅速傳遞給焊盤，焊盤的溫度很快升至錫膏熔點;烙鐵隨著接觸焊盤后熱量傳遞，溫度有所下降，但是錫焊設備的瞬時回溫讓烙鐵頭的溫度能夠迅速的得到補償，烙鐵頭的溫度如圖中上方曲線;加熱時間T1=t12-t11，不同大小的焊盤加熱時間不同。

焊接區B：時間t12到t13這個區域，焊接引腳及焊盤溫度達到錫膏熔點，送錫機構連續送錫，焊錫接觸烙鐵后融化，融化的焊錫具有濕潤性，毛細管作用焊料進入焊件間隙，流到整個焊盤上面;焊盤與引腳由于表面張力粘接在一起;優質的焊點一般在焊料熔點之上15～40度左右。

焊接區時間T2=t13-t12錫膏中各種成分發揮作用，松香或樹脂軟化并在焊料周圍形成一層保護膜與氧氣隔絕。表面活性劑被激活用于降低焊料和被焊面之間的表面張力，增強液態焊料的濕潤力。活性劑繼續與氧化物反應，不斷清除高溫產生的氧化物與被碳化物，并提供部分流動性，直到反應完全結束。部分添加劑在高溫下分解并揮發，不留下殘留物，高沸點溶劑隨著時間不斷揮發，并在結束時完全揮發。穩定劑均勻分布于金屬和焊點表面，保護焊點不被氧化;焊料錫絲從固態轉換為液態，并隨著焊劑濕潤擴展。少量不同的金屬發生化學反應生產金屬間化合物，如錫銀銅合金會有Ag3Sn，Cu6Sn5 生成。

冷卻區C：焊點溫度從液相線開始向下降低的區段稱為冷卻區，液態焊料降溫到液相線以下就形成固態焊點。焊點冷卻速率影響焊點的可靠性，實踐表明，快速降溫有利于得到穩定可靠的焊點。

根據以上錫焊各個階段的影響因素分析，對IGBT引腳焊接的工藝參數進行調整試驗。

2、IGBT引腳錫焊試驗設備介紹

四軸龍門式機器人平臺;

A.行程：X-axis行程300mm， Y-axis行程350mm，Z-axis行程 100mm，第4軸為Z 軸旋轉;

最大速度：X/Y-axis 800mm/s， Z-axis 500mm/s;重復精度：X/Y/Z-axis ±0.02mm。

B.焊錫絲供絲系統---錫絲精度可控，具有破錫功能：適用焊錫絲直徑：Φ 0.5-1.2mm/送絲速度：1-30mm/s? 送絲長度：0.1-100mm。

C.編程器：觸摸式大屏幕液晶顯示，工控電腦編程，無線遙控手柄，方便簡潔。

D.安全保護罩：符合EHS 要求，預留煙霧凈化器抽風接口，可連接中央抽風管道或者吸煙儀;安全門配置斷路開關，開門設備及停止運行。

E. 觸控屏顯示焊接路徑，溫度曲線并并與MES通信。

3、變頻器IGBT引腳錫焊工藝試驗

IGBT引腳錫焊工藝試驗目的：在批量生產中要求每個引腳焊接節拍短，這就要求優化錫焊工藝縮短每個焊點的時間;其次，焊接IGBT引腳特點是，錫焊焊盤大3～4mm，IGBT模塊引腳錫焊散熱快，焊接過程中熱量流失快，引腳區域溫度不均勻，易形成虛焊，冷焊等缺陷。因此對IGBT錫焊工藝影響參數進行分析優化，尋找最佳工藝參數。減少焊接缺陷，提高焊點良率，透錫率，滿足合格率要求;并縮短每個焊點的時間，滿足生產節拍要求。影響錫焊焊腳質量的因素主要有焊接溫度，焊錫成分，助焊劑的含量，預熱時間，加熱時間，送錫量等。

預選一種變頻器IGBT產品，如圖所示，對其中的1～13號引腳以及20～31引腳進行錫焊試驗，焊盤大小3mm，對應引腳均為接地點;

焊錫裝備采購德國威樂品牌，型號CR-310;可選功率有150w及200w，首先選用150w的錫焊機進行試驗;烙鐵頭按照焊盤大小選4mm直徑;具備快速回溫功能;預先設置一定焊接工藝參數，如表1所示;

預選焊料采用日本千柱焊錫SnAgCu305，助焊劑含量2.2%，直徑0.8mm錫絲;生產廠商;億誠達無鉛錫絲;

①第一次試驗工藝參數如表1所示，

②第二次試驗，增加溫控器溫度到410°C，焊絲直徑為1mm，其余工藝參數不變;

③第三次試驗，溫控器功率增加到200w，這樣可以更快速回溫，補償錫焊階段的熱量損失;將送錫速度提高一點，其余工藝參數不變;

④第四次試驗，在第三次的參數基礎上，焊絲助焊劑為3.5%，其余工藝參數不變;

⑤第五次試驗，在第四次的參數基礎上，在焊接前單獨對IGBT及引腳區域焊盤進行恒溫預熱50s;預熱到90°C，其余工藝參數不變;

4、試驗分析;

①試驗一出現較多的虛焊，分析原因，熱量補償不夠;過低的溫度會使得焊點出現虛焊，溫度不夠時，松香等物質揮發不完全，易形成焊點夾雜質;

②試驗二，將溫控器溫度設置在410度，焊點無虛焊缺陷;良率為90%，不能達到生產要求;平均每個引腳焊接時間減少0.5s，說明提高溫度有效的縮短了焊接加熱時間;

③試驗三，在試驗二的基礎上增大溫控器的功率，采用200w溫控器，目的是在焊接過程中烙鐵頭的溫度能夠及時回溫，熱量補償速度增加會保證焊錫的流動性，有利提高良率和透析率，縮短錫焊加熱時間;獲得良率95%，透錫率80%，每個引腳的平均焊接時間為7s;無出現明顯焊接缺陷;

④試驗四，使用增加助焊劑含量的焊料，能有效改善融化焊錫的濕潤性，獲得良率98%，透錫率80%，平均每個引腳的焊接時間為7s。良率及透析率均達到預期要求，引腳突出焊錫面且焊錫完全覆蓋焊點及零件腳周圍，焊點形狀光亮，無焊接缺陷;

⑤試驗五，目的是進一步縮短焊接時間，焊前恒溫預熱引腳區域;試驗獲得良率99%，透錫率85%，每個引腳的平均焊接時間為6s;焊腳光亮，有良好的外觀形狀，腳突出焊錫面且焊錫完全覆蓋焊點及零件腳周圍，無焊接缺陷;數滿足預期要求部分焊點實物圖4如下;

5、結語

焊接IGBT引腳特點是錫焊焊盤大，IGBT模塊散熱快，焊接過程中熱量流失快;即使焊接前對引腳區域預熱，在焊接時仍然存在熱量快速流失，引腳區域溫度不均勻，易形成虛焊，冷焊等缺陷;IGBT引腳有接地點及普通點，接地點焊盤大3～4mm，每個焊盤的錫焊時間長，普通點焊盤尺寸小2mm，每個焊盤的錫焊時間稍短;對變頻器IGBT引腳焊接的工藝參數進行調整，在不同的溫度進行焊接，改變預熱時間的長短，控制送錫量，送錫次數等工藝參數用于獲得理想的焊點良率及透析率，及良好的焊點質量，縮短焊接時間，提高產品的質量可靠性。

參考文獻;

《PCB錫焊機器人技術綜述》 孫中琪.電氣自動化

《電烙鐵錫焊技術》 李廣建.科技咨詢

《錫焊機器人加熱技術研究》 張煥良.哈爾濱工業大學

《無鉛焊錫膏的研究進展及應用現狀》 葉明娟.熱加工工藝

《等離子弧切割機中IGBT半橋逆變電容的研究》陳麗華. 焊接設備與材料