基于超聲波焊接的IGBT 功率模塊PIN 針焊接工藝研究

段忠福 阮南亞 余龍靖

（上海驕成超聲波技術股份有限公司，上海 201109）

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率模塊是一種用于高功率開關的電力電子器件。PIN 針作為IGBT 與印制電路板（PCB）之間的重要連接部件，其連接強度對IGBT的性能和使用壽命產生了直接影響[1]。

近年來，關于PIN 封裝IGBT 功率模塊的設計和優化進行了大量研究。主要研究領域包括IGBT 及其封裝的新材料和制造技術的開發[2]，以及模塊冷卻、驅動和控制系統的設計和優化[3]。另外，還包括開發新的測試和模擬技術，以提高器件的可靠性[4]。

傳統的PIN 針焊接工藝主要是釬焊或者焊片工藝，在人工夾具定位后進行真空回流焊接，回流焊對已經擺好元件的襯板進行加熱，進而融化元件與線路板中的焊料，完成元件與功率模塊襯板覆銅層的焊接。

傳統焊接工藝的缺點：第一，焊接強度低。例如HPD封裝模塊，在應用中存在PIN 針斷裂失效的風險[5]；第二，焊接可靠性差。焊片工藝是在PIN 針和功率模塊襯板覆銅層之間添加了錫，通過回流高溫融合再結晶實現焊接。在過高的電應力和熱應力的共同沖擊下，由于PIN 針和DBC 襯板覆銅具有不同的熱膨脹系數（銅為20ppm/℃左右，焊錫為30ppm/℃左右[6]），使溫升后產生不同的熱形變，易導致PIN 針松動和脫落，可靠性低；第三，不易實現自動化。焊片工藝需要人工擺放PIN 針到冶具上，再進行回流焊，需要人工參與，容易出現不可控的因素。而超聲焊接可以實現自動化焊接，避免了人工參與，一致性好，可靠性高；第四，襯板空間利用率低，浪費空間。釬焊工藝焊接完畢后，錫膏一般會包圍在針座周邊，占有一定面積，浪費了襯板的空間，空間利用率非常低。

從解決設備的關鍵工藝入手，針對傳統采用的釬焊工藝面臨的焊接強度低、穩定差以及不易實現自動化等問題，提出超聲波焊接PIN 針的解決方案。超聲波焊接是一種高效的焊接方式，能夠在不使用任何焊接材料的情況下實現焊接。通過產生高能超聲波使工件表面產生振動，從而在工件表面形成熱效應，使工件表面材料發生熔化，最終達到焊接的目的。超聲波焊接工藝具有焊接強度高、穩定性好、便于實現自動化以及環保等優勢，解決了傳統焊接工藝存在的問題。

使用超聲波焊接工藝代替傳統的釬焊工藝，并對超聲波焊接工藝進行實驗研究，為提高PIN 針焊接強度提供了有效途徑。通過對超聲波焊接工藝的進一步研究，有望為工業界提供更加優良的焊接方案，促進模塊封裝企業技術的提升，提高模塊封裝質量，為企業帶來實際的經濟效益。

1 超聲波PIN 針焊接系統

人類能聽到的聲波頻率為20 ～20000Hz，頻率≥20000Hz的聲波稱為超聲波。超聲波焊接是指對被焊工件施加壓力和高頻機械振動，利用工件間相對摩擦運動產生的升溫和塑性變形實現工件連接的一種焊接方法[7]。超聲波焊接技術不需要通電流，僅僅是通過超聲發生器將電能轉化為高頻超聲波，經超聲換能器和聲學系統后將機械振動能傳遞至焊頭，在焊頭加壓和高頻機械振動共同作用下，導致工件界面間發生摩擦生熱和塑性變形等行為，破碎氧化膜，達到金屬原子結合實現連接的目的。目前，功率半導體封裝行業使用的是頻率≥20000Hz 的超聲波系統。

本文提出的系統是由上海驕成自主開發生產的超聲波功率模塊焊接系統，如圖1 所示。該系統主要由超聲波系統、多軸運動控制系統和視覺系統等組成，是一臺集聲學、視覺、軟件、機械、運動控制等多技術融合的設備。

該功率模塊超聲波焊接系統各組成部件的主要功能：（1）超聲波發生器。把AC220V 50Hz 的電流轉變為高頻高壓的電信號；（2）超聲波換能器。把超聲波發生器輸出的電信號轉變為同頻的機械振動；（3）超聲波調幅器。把換能器輸入的機械振動的振幅放大或縮??；（4）超聲波焊頭。與超聲波調幅器一起諧振，作用于PIN 針，在高頻振動下把PIN 針焊接到襯板上；（5）運動控制系統。多軸運動控制系統精確地把PIN 針拾取并運送到待焊接位置；（6）視覺定位系統。準確地識別PIN 針位置，識別焊接位置，并把針準確定位。

2 超聲波焊接系統與傳統釬焊工藝的對比

超聲波焊接不同于傳統的釬焊工藝[8]，超聲波焊接最大的特點是通過超聲波能量實現PIN 針和覆銅層直接焊接，而不需要焊料，因此具有內阻小、溫升小、強度高和穩定性好的特點。另外，從焊接強度方面來看，傳統釬焊工藝焊接強度低，在應用中存在PIN 針斷裂失效的風險，通過測試發現，釬焊工藝一般來講，推力在10kgf 左右，而超聲焊接工藝強度在20kgf 以上，可以最大程度地提高PIN 針焊接的連接強度；從焊接質量可靠性角度來看，超聲焊相對于傳統釬焊更可靠，可以更有效地耐疲勞、耐振動；從焊接效率角度來看，超聲焊接可以實現自動化焊接，避免了人工參與，具有一致性好、可靠性高的優點。傳統釬焊工藝和超聲波焊接工藝的對比如表1 所示。

表1 傳統釬焊工藝和超聲波焊接工藝的對比

3 超聲波PIN 針焊接工藝參數研究

為確定超聲波焊接的工藝參數，對其進行了實驗研究。實驗采用上海驕成自主研發的IGBT PIN 針超聲波自動焊接機對某IGBT 的覆銅陶瓷基板（DBC 襯板）與PIN 針進行焊接。該設備具備自動取針、自動識別和定位、超聲波自動焊接等功能，焊接速度極快，每秒可焊接1 個PIN 針。

影響超聲波PIN 針焊接的工藝參數有很多，本文僅對超聲焊接壓力進行了初步研究。在其他焊接參數不變的條件下，只改變焊接壓力，對不同壓力焊接后的PIN 針進行推力測試。推力測試首先將焊接完成的樣品放在載物臺上，對其進行固定，再使用推力機對PIN 針施加推力，直至PIN 針脫離DBC 襯板表面，記錄PIN 針脫離襯板時的推力。經過多次實驗后，對實驗數據進行分析。

在其他焊接參數都不變的條件下，分別在120N、160N、180N、190N 的焊接壓力下進行測試，每次焊接20 組，分別對焊接后的工件進行推力測試，對推力測試結果進行采集記錄，4 種焊接壓力下對應的推力值結果如圖2 所示。

圖2 推力實驗結果

通過測試發現，在其他焊接條件不變的情況下，當焊接壓力在120 ～180N 時，焊接強度隨著焊接壓力增加而增加；但焊接壓力超過180N 后，焊接強度反而隨著焊接壓力增加而下降。因此，在實際應用中，需要針對特定設備設置特定焊接壓力，以達到最好焊接效果。

4 結語

PIN 針作為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）與印制電路板（PCB）之間的重要連接部件，其連接強度對IGBT的性能和使用壽命產生了直接影響。針對傳統釬焊工藝等存在的問題，提出使用超聲波焊接工藝代替傳統的釬焊工藝，并對其進行了實驗研究，為提高PIN 針焊接強度提供了有效途徑。超聲波焊接PIN 針的方案，有效解決了傳統釬焊工藝帶來的問題，有助于提高產品質量。與傳統工藝相比，超聲波焊接具有焊接強度高、焊接自動化程度高、焊接可靠性高等優勢。實驗研究研究發現，使用超聲波焊接PIN 針，焊接強度相對傳統釬焊工藝焊接強度提高2 ～5 倍。超聲波焊接強度先是隨著焊接壓力的升高而升高，到達最佳焊接壓力后焊接強度反而會隨著焊接壓力增大而降低，實驗設備最佳焊接壓力約為180 N。因此，PIN 針的超聲波焊接工藝，對釬焊工藝進行了工藝升級，可以有效提高PIN 針的焊接質量以及焊接可靠性，提高了企業的經濟效益，是未來PIN 針焊接工藝的重要方向之一。通過對超聲波焊接工藝的進一步研究，有望為工業界提供更加優良的焊接方案。