基于超聲波焊接的IGBT_功率模塊PIN_針焊接工藝研究

2024年3月27日發(作者：鉆石夜總會)

China Science & Technology Overview

工藝設計改造及檢測檢修

基于超聲波焊接的IGBT功率模塊PIN針焊接工藝研究

（上海驕成超聲波技術股份有限公司，上海 201109）

具有較高的精度和較好的焊接強度。基于此，對焊接工藝參數進行實驗，研究PIN針超聲焊接的焊接強度隨焊接壓力的變化規律。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。

關鍵詞：超聲波焊接；PIN針超聲焊接；焊接工藝參數

中圖分類號：TN322.8 文獻標識碼：B 文章編號：1671-2064(2023)19-0069-03

摘?要：在功率模塊中，PIN針的連接強度對IGBT的性能和使用壽命產生了直接影響。使用超聲波焊接工藝代替傳統的釬焊工藝，

段忠福?阮南亞?余龍靖

0 引言

高功率開關的電力電子器件。PIN針作為IGBT與印制電

的性能和使用壽命產生了直接影響

[1]

。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率模塊是一種用于

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。

波焊接工藝進行實驗研究，為提高PIN針焊接強度提供了

提升，提高模塊封裝質量，為企業帶來實際的經濟效益。

使用超聲波焊接工藝代替傳統的釬焊工藝，并對超聲

路板（PCB）之間的重要連接部件，其連接強度對IGBT

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]

。

近年來，關于PIN封裝IGBT功率模塊的設計和優化

在人工夾具定位后進行真空回流焊接，回流焊對已經擺好

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

傳統的PIN針焊接工藝主要是釬焊或者焊片工藝，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

人類能聽到的聲波頻率為20～20000Hz，頻率≥20000Hz

有效途徑。通過對超聲波焊接工藝的進一步研究，有望為

元件的襯板進行加熱，進而融化元件與線路板中的焊料，

1 超聲波PIN針焊接系統

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

PIN針和DBC襯板覆銅具有不同的熱膨脹系數（銅為

現焊接。在過高的電應力和熱應力的共同沖擊下，由于

20ppm/℃左右，焊錫為30ppm/℃左右

[6]

），使溫升后產

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

浪費空間。釬焊工藝焊接完畢后，錫膏一般會包圍在針座

常低。

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

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

塑性變形實現工件連接的一種焊接方法

[7]

。超聲波焊接技

至焊頭，在焊頭加壓和高頻機械振動共同作用下，導致工

裝行業使用的是頻率≥20000Hz的超聲波系統。

生不同的熱形變，易導致PIN針松動和脫落，可靠性低；達到金屬原子結合實現連接的目的。目前，功率半導體封

第三，不易實現自動化。焊片工藝需要人工擺放PIN針

功率模塊焊接系統，如圖1所示。該系統主要由超聲波

學、視覺、軟件、機械、運動控制等多技術融合的設備。

本文提出的系統是由上海驕成自主開發生產的超聲波

件界面間發生摩擦生熱和塑性變形等行為，破碎氧化膜，

參與，一致性好，可靠性高；第四，襯板空間利用率低，系統、多軸運動控制系統和視覺系統等組成，是一臺集聲

周邊，占有一定面積，浪費了襯板的空間，空間利用率非

藝面臨的焊接強度低、穩定差以及不易實現自動化等問

收稿日期：2023-03-15

從解決設備的關鍵工藝入手，針對傳統采用的釬焊工

（1）超聲波發生器。把AC220V 50Hz的電流轉變為高頻

該功率模塊超聲波焊接系統各組成部件的主要功能：

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

作者簡介：段忠福（1982—），男，山東德州人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：超聲波原理及其應用技術。

2023年10月上 第19期 總第415期

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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

超聲焊相對于傳統釬焊更可靠，可以更有效地耐疲勞、耐

傳統釬焊工藝和超聲波焊接工藝的對比如表1所示。

3 超聲波PIN針焊接工藝參數研究

振動；從焊接效率角度來看，超聲焊接可以實現自動化焊

高PIN針焊接的連接強度；從焊接質量可靠性角度來看，

接，避免了人工參與，具有一致性好、可靠性高的優點。

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

1個PIN針。

圖1 功率模塊超聲波焊接系統

位、超聲波自動焊接等功能，焊接速度極快，每秒可焊接

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

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。

160N、180N、190N的焊接壓力下進行測試，每次焊接

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。

通過測試發現，在其他焊接條件不變的情況下，當焊

影響超聲波PIN針焊接的工藝參數有很多，本文僅

換能器輸入的機械振動的振幅放大或縮小；（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

軸運動控制系統精確地把PIN針拾取并運送到待焊接位

焊接位置，并把針準確定位。

振動下把PIN針焊接到襯板上；（5）運動控制系統。多

置；（6）視覺定位系統。準確地識別PIN針位置，識別

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

臺上，對其進行固定，再使用推力機對PIN針施加推力，

在其他焊接參數都不變的條件下，分別在120N、

20組，分別對焊接后的工件進行推力測試，對推力測試

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

但焊接壓力超過180N后，焊接強度反而隨著焊接

工藝焊接強度低，在應用中存在PIN針斷裂失效的風險，

增加；

焊接工藝

焊接工藝

焊接強度

焊接質量

焊接效率

電阻

短路風險

連接界面

柔韌性

釬焊

接壓力在120～180N時，焊接強度隨著焊接壓力增加而

表1 傳統釬焊工藝和超聲波焊接工藝的對比

超聲波焊接

釬焊，需要焊材錫

低

不可靠，振動疲勞，不穩定

人工上針定位，耗費人力

超聲焊接工藝，不需要錫，銅與銅直接連接

高

可靠，耐疲勞，耐振動

可以實現全自動上針和焊接，無需人工干預

有電阻，產生熱量，熱膨脹系數不一致，影響焊接強度焊接后接近基材，電阻趨近零，發熱少，熱膨脹系數一致，不影響強度

焊材錫有可能外溢，導致短路

三層

易斷

無

融為一體

不易斷

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工藝設計改造及檢測檢修

增大而降低，實驗設備最佳焊接壓力約為180 N。因此，

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。

參考文獻

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

圖2 推力實驗結果

PIN針的超聲波焊接工藝，對釬焊工藝進行了工藝升級，

[1] 段忠福,王敏,石新華,等.細長軸超聲波輔助振動車削試驗研究

[J].工具技術,2009,43(9):9-11.

車與配件,2019(24):72-74.

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[3] 鐘再敏,徐旭.車用IGBT模塊及其驅動電路雙脈沖實驗[J].電力

電子技術,2017,51(2):103-106.

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[4] 艾德克斯.電動車用大功率IGBT模塊測試方案[J].中國集成電

[5] 賴偉,陳民鈾,冉立,等.老化試驗條件下的IGBT失效機理分析

[J].中國電機工程學報,2015,35(20):5293-5300.

[J].機電工程技術,2020,49(11):265-267.

大學,2018.

[6] 程胭脂,林川川,李啟國,等.IGBT模塊PIN針失效風險改善研究

[7] 陳瑤.鋁銅超聲波焊接及接頭化合物演化的研究[D].天津:天津

[8] 王珣,陸強,吳金昌,等.回焊爐內氧氣體積分數對焊接可靠性的

影響[J].電子元件與材料,2009,28(12):68-71.

路板（PCB）之間的重要連接部件，其連接強度對IGBT

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

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

高、焊接可靠性高等優勢。實驗研究研究發現，使用超聲

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

波焊接PIN針，焊接強度相對傳統釬焊工藝焊接強度提

Rearch on IGBT Power Module PIN Pin Welding Process Bad on Ultrasonic Welding

Abstract:In the power module, the connection strength of PIN pin has a direct impact on the performance and rvice

(Shanghai Jiaocheng Ultrasonic Technology Co., Ltd., Shanghai 201109)

DUAN Zhongfu,RUAN Nanya,YU Longjing

life of IGBT. In this paper, the ultrasonic welding process is propod to replace the traditional brazing process, which has

high precision and good welding strength. In this paper, the welding process parameters were tested to study the variation

welding process, it is expected to provide a better welding scheme for the industry.

Key words:ultrasonic welding;PIN needle;PIN needle ultrasonic welding;welding process parameters

of the welding strength of PIN needle ultrasonic welding with welding pressure. Through further rearch on the ultrasonic

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