基于超声波焊接的IGBT 功率模块PIN 针焊接工艺研究

段忠福 阮南亚 余龙靖

（上海骄成超声波技术股份有限公司，上海 201109）

0 引言

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块是一种用于高功率开关的电力电子器件。PIN 针作为IGBT 与印制电路板（PCB）之间的重要连接部件，其连接强度对IGBT的性能和使用寿命产生了直接影响[1]。

近年来，关于PIN 封装IGBT 功率模块的设计和优化进行了大量研究。主要研究领域包括IGBT 及其封装的新材料和制造技术的开发[2]，以及模块冷却、驱动和控制系统的设计和优化[3]。另外，还包括开发新的测试和模拟技术，以提高器件的可靠性[4]。

传统的PIN 针焊接工艺主要是钎焊或者焊片工艺，在人工夹具定位后进行真空回流焊接，回流焊对已经摆好元件的衬板进行加热，进而融化元件与线路板中的焊料，完成元件与功率模块衬板覆铜层的焊接。

传统焊接工艺的缺点：第一，焊接强度低。例如HPD封装模块，在应用中存在PIN 针断裂失效的风险[5]；第二，焊接可靠性差。焊片工艺是在PIN 针和功率模块衬板覆铜层之间添加了锡，通过回流高温融合再结晶实现焊接。在过高的电应力和热应力的共同冲击下，由于PIN 针和DBC 衬板覆铜具有不同的热膨胀系数（铜为20ppm/℃左右，焊锡为30ppm/℃左右[6]），使温升后产生不同的热形变，易导致PIN 针松动和脱落，可靠性低；第三，不易实现自动化。焊片工艺需要人工摆放PIN 针到冶具上，再进行回流焊，需要人工参与，容易出现不可控的因素。而超声焊接可以实现自动化焊接，避免了人工参与，一致性好，可靠性高；第四，衬板空间利用率低，浪费空间。钎焊工艺焊接完毕后，锡膏一般会包围在针座周边，占有一定面积，浪费了衬板的空间，空间利用率非常低。

从解决设备的关键工艺入手，针对传统采用的钎焊工艺面临的焊接强度低、稳定差以及不易实现自动化等问题，提出超声波焊接PIN 针的解决方案。超声波焊接是一种高效的焊接方式，能够在不使用任何焊接材料的情况下实现焊接。通过产生高能超声波使工件表面产生振动，从而在工件表面形成热效应，使工件表面材料发生熔化，最终达到焊接的目的。超声波焊接工艺具有焊接强度高、稳定性好、便于实现自动化以及环保等优势，解决了传统焊接工艺存在的问题。

使用超声波焊接工艺代替传统的钎焊工艺，并对超声波焊接工艺进行实验研究，为提高PIN 针焊接强度提供了有效途径。通过对超声波焊接工艺的进一步研究，有望为工业界提供更加优良的焊接方案，促进模块封装企业技术的提升，提高模块封装质量，为企业带来实际的经济效益。

1 超声波PIN 针焊接系统

人类能听到的声波频率为20 ～20000Hz，频率≥20000Hz的声波称为超声波。超声波焊接是指对被焊工件施加压力和高频机械振动，利用工件间相对摩擦运动产生的升温和塑性变形实现工件连接的一种焊接方法[7]。超声波焊接技术不需要通电流，仅仅是通过超声发生器将电能转化为高频超声波，经超声换能器和声学系统后将机械振动能传递至焊头，在焊头加压和高频机械振动共同作用下，导致工件界面间发生摩擦生热和塑性变形等行为，破碎氧化膜，达到金属原子结合实现连接的目的。目前，功率半导体封装行业使用的是频率≥20000Hz 的超声波系统。

本文提出的系统是由上海骄成自主开发生产的超声波功率模块焊接系统，如图1 所示。该系统主要由超声波系统、多轴运动控制系统和视觉系统等组成，是一台集声学、视觉、软件、机械、运动控制等多技术融合的设备。

该功率模块超声波焊接系统各组成部件的主要功能：（1）超声波发生器。把AC220V 50Hz 的电流转变为高频高压的电信号；（2）超声波换能器。把超声波发生器输出的电信号转变为同频的机械振动；（3）超声波调幅器。把换能器输入的机械振动的振幅放大或缩小；（4）超声波焊头。与超声波调幅器一起谐振，作用于PIN 针，在高频振动下把PIN 针焊接到衬板上；（5）运动控制系统。多轴运动控制系统精确地把PIN 针拾取并运送到待焊接位置；（6）视觉定位系统。准确地识别PIN 针位置，识别焊接位置，并把针准确定位。

2 超声波焊接系统与传统钎焊工艺的对比

超声波焊接不同于传统的钎焊工艺[8]，超声波焊接最大的特点是通过超声波能量实现PIN 针和覆铜层直接焊接，而不需要焊料，因此具有内阻小、温升小、强度高和稳定性好的特点。另外，从焊接强度方面来看，传统钎焊工艺焊接强度低，在应用中存在PIN 针断裂失效的风险，通过测试发现，钎焊工艺一般来讲，推力在10kgf 左右，而超声焊接工艺强度在20kgf 以上，可以最大程度地提高PIN 针焊接的连接强度；从焊接质量可靠性角度来看，超声焊相对于传统钎焊更可靠，可以更有效地耐疲劳、耐振动；从焊接效率角度来看，超声焊接可以实现自动化焊接，避免了人工参与，具有一致性好、可靠性高的优点。传统钎焊工艺和超声波焊接工艺的对比如表1 所示。

表1 传统钎焊工艺和超声波焊接工艺的对比

3 超声波PIN 针焊接工艺参数研究

为确定超声波焊接的工艺参数，对其进行了实验研究。实验采用上海骄成自主研发的IGBT PIN 针超声波自动焊接机对某IGBT 的覆铜陶瓷基板（DBC 衬板）与PIN 针进行焊接。该设备具备自动取针、自动识别和定位、超声波自动焊接等功能，焊接速度极快，每秒可焊接1 个PIN 针。

影响超声波PIN 针焊接的工艺参数有很多，本文仅对超声焊接压力进行了初步研究。在其他焊接参数不变的条件下，只改变焊接压力，对不同压力焊接后的PIN 针进行推力测试。推力测试首先将焊接完成的样品放在载物台上，对其进行固定，再使用推力机对PIN 针施加推力，直至PIN 针脱离DBC 衬板表面，记录PIN 针脱离衬板时的推力。经过多次实验后，对实验数据进行分析。

在其他焊接参数都不变的条件下，分别在120N、160N、180N、190N 的焊接压力下进行测试，每次焊接20 组，分别对焊接后的工件进行推力测试，对推力测试结果进行采集记录，4 种焊接压力下对应的推力值结果如图2 所示。

图2 推力实验结果

通过测试发现，在其他焊接条件不变的情况下，当焊接压力在120 ～180N 时，焊接强度随着焊接压力增加而增加；但焊接压力超过180N 后，焊接强度反而随着焊接压力增加而下降。因此，在实际应用中，需要针对特定设备设置特定焊接压力，以达到最好焊接效果。

4 结语

PIN 针作为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）与印制电路板（PCB）之间的重要连接部件，其连接强度对IGBT的性能和使用寿命产生了直接影响。针对传统钎焊工艺等存在的问题，提出使用超声波焊接工艺代替传统的钎焊工艺，并对其进行了实验研究，为提高PIN 针焊接强度提供了有效途径。超声波焊接PIN 针的方案，有效解决了传统钎焊工艺带来的问题，有助于提高产品质量。与传统工艺相比，超声波焊接具有焊接强度高、焊接自动化程度高、焊接可靠性高等优势。实验研究研究发现，使用超声波焊接PIN 针，焊接强度相对传统钎焊工艺焊接强度提高2 ～5 倍。超声波焊接强度先是随着焊接压力的升高而升高，到达最佳焊接压力后焊接强度反而会随着焊接压力增大而降低，实验设备最佳焊接压力约为180 N。因此，PIN 针的超声波焊接工艺，对钎焊工艺进行了工艺升级，可以有效提高PIN 针的焊接质量以及焊接可靠性，提高了企业的经济效益，是未来PIN 针焊接工艺的重要方向之一。通过对超声波焊接工艺的进一步研究，有望为工业界提供更加优良的焊接方案。