基于超声波焊接的IGBT_功率模块PIN_针焊接工艺研究

2024年3月27日发(作者：钻石夜总会)

China Science & Technology Overview

工艺设计改造及检测检修

基于超声波焊接的IGBT功率模块PIN针焊接工艺研究

（上海骄成超声波技术股份有限公司，上海 201109）

具有较高的精度和较好的焊接强度。基于此，对焊接工艺参数进行实验，研究PIN针超声焊接的焊接强度随焊接压力的变化规律。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。

关键词：超声波焊接；PIN针超声焊接；焊接工艺参数

中图分类号：TN322.8 文献标识码：B 文章编号：1671-2064(2023)19-0069-03

摘 要：在功率模块中，PIN针的连接强度对IGBT的性能和使用寿命产生了直接影响。使用超声波焊接工艺代替传统的钎焊工艺，

段忠福 阮南亚 余龙靖

0 引言

高功率开关的电力电子器件。PIN针作为IGBT与印制电

的性能和使用寿命产生了直接影响

[1]

。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块是一种用于

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。

波焊接工艺进行实验研究，为提高PIN针焊接强度提供了

提升，提高模块封装质量，为企业带来实际的经济效益。

使用超声波焊接工艺代替传统的钎焊工艺，并对超声

路板（PCB）之间的重要连接部件，其连接强度对IGBT

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]

。

近年来，关于PIN封装IGBT功率模块的设计和优化

在人工夹具定位后进行真空回流焊接，回流焊对已经摆好

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

传统的PIN针焊接工艺主要是钎焊或者焊片工艺，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

人类能听到的声波频率为20～20000Hz，频率≥20000Hz

有效途径。通过对超声波焊接工艺的进一步研究，有望为

元件的衬板进行加热，进而融化元件与线路板中的焊料，

1 超声波PIN针焊接系统

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

PIN针和DBC衬板覆铜具有不同的热膨胀系数（铜为

现焊接。在过高的电应力和热应力的共同冲击下，由于

20ppm/℃左右，焊锡为30ppm/℃左右

[6]

），使温升后产

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

浪费空间。钎焊工艺焊接完毕后，锡膏一般会包围在针座

常低。

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

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

塑性变形实现工件连接的一种焊接方法

[7]

。超声波焊接技

至焊头，在焊头加压和高频机械振动共同作用下，导致工

装行业使用的是频率≥20000Hz的超声波系统。

生不同的热形变，易导致PIN针松动和脱落，可靠性低；达到金属原子结合实现连接的目的。目前，功率半导体封

第三，不易实现自动化。焊片工艺需要人工摆放PIN针

功率模块焊接系统，如图1所示。该系统主要由超声波

学、视觉、软件、机械、运动控制等多技术融合的设备。

本文提出的系统是由上海骄成自主开发生产的超声波

件界面间发生摩擦生热和塑性变形等行为，破碎氧化膜，

参与，一致性好，可靠性高；第四，衬板空间利用率低，系统、多轴运动控制系统和视觉系统等组成，是一台集声

周边，占有一定面积，浪费了衬板的空间，空间利用率非

艺面临的焊接强度低、稳定差以及不易实现自动化等问

收稿日期：2023-03-15

从解决设备的关键工艺入手，针对传统采用的钎焊工

（1）超声波发生器。把AC220V 50Hz的电流转变为高频

该功率模块超声波焊接系统各组成部件的主要功能：

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

作者简介：段忠福（1982—），男，山东德州人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：超声波原理及其应用技术。

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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

超声焊相对于传统钎焊更可靠，可以更有效地耐疲劳、耐

传统钎焊工艺和超声波焊接工艺的对比如表1所示。

3 超声波PIN针焊接工艺参数研究

振动；从焊接效率角度来看，超声焊接可以实现自动化焊

高PIN针焊接的连接强度；从焊接质量可靠性角度来看，

接，避免了人工参与，具有一致性好、可靠性高的优点。

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

1个PIN针。

图1 功率模块超声波焊接系统

位、超声波自动焊接等功能，焊接速度极快，每秒可焊接

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

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。

160N、180N、190N的焊接压力下进行测试，每次焊接

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。

通过测试发现，在其他焊接条件不变的情况下，当焊

影响超声波PIN针焊接的工艺参数有很多，本文仅

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

轴运动控制系统精确地把PIN针拾取并运送到待焊接位

焊接位置，并把针准确定位。

振动下把PIN针焊接到衬板上；（5）运动控制系统。多

置；（6）视觉定位系统。准确地识别PIN针位置，识别

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

台上，对其进行固定，再使用推力机对PIN针施加推力，

在其他焊接参数都不变的条件下，分别在120N、

20组，分别对焊接后的工件进行推力测试，对推力测试

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

但焊接压力超过180N后，焊接强度反而随着焊接

工艺焊接强度低，在应用中存在PIN针断裂失效的风险，

增加；

焊接工艺

焊接工艺

焊接强度

焊接质量

焊接效率

电阻

短路风险

连接界面

柔韧性

钎焊

接压力在120～180N时，焊接强度随着焊接压力增加而

表1 传统钎焊工艺和超声波焊接工艺的对比

超声波焊接

钎焊，需要焊材锡

低

不可靠，振动疲劳，不稳定

人工上针定位，耗费人力

超声焊接工艺，不需要锡，铜与铜直接连接

高

可靠，耐疲劳，耐振动

可以实现全自动上针和焊接，无需人工干预

有电阻，产生热量，热膨胀系数不一致，影响焊接强度焊接后接近基材，电阻趋近零，发热少，热膨胀系数一致，不影响强度

焊材锡有可能外溢，导致短路

三层

易断

无

融为一体

不易断

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增大而降低，实验设备最佳焊接压力约为180 N。因此，

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。

参考文献

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

图2 推力实验结果

PIN针的超声波焊接工艺，对钎焊工艺进行了工艺升级，

[1] 段忠福,王敏,石新华,等.细长轴超声波辅助振动车削试验研究

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影响[J].电子元件与材料,2009,28(12):68-71.

路板（PCB）之间的重要连接部件，其连接强度对IGBT

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

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

高、焊接可靠性高等优势。实验研究研究发现，使用超声

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

波焊接PIN针，焊接强度相对传统钎焊工艺焊接强度提

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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