楊亞強(qiáng) 屈攀 趙亮

摘要：焊接IGBT引腳特點(diǎn)是錫焊焊盤(pán)大，IGBT模塊散熱快，在焊接時(shí)存在熱量快速流失，引腳區(qū)域溫度不均勻，易形成虛焊，冷焊等缺陷; IGBT引腳接地點(diǎn)焊盤(pán)大，錫焊時(shí)間長(zhǎng)，在批量生產(chǎn)中要求盡可能縮短錫焊時(shí)間;因此對(duì)IGBT錫焊工藝影響參數(shù)進(jìn)行分析，優(yōu)化調(diào)整錫焊工藝參數(shù);減少焊接缺陷，提高焊點(diǎn)良率，透錫率，滿足質(zhì)量要求;并縮短每個(gè)焊點(diǎn)的時(shí)間，滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

關(guān)鍵詞：IGBT? 錫焊? 錫焊工藝? 自動(dòng)化

引言

IGBT? 是發(fā)展較快的一種電力電子原件，其具有輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)速度快，承受電流大，通態(tài)電壓低，阻斷電壓高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn);廣泛用于航空航天電源，計(jì)算機(jī)電源，電動(dòng)汽車，高速鐵路，電力設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。變頻器靠?jī)?nèi)部的IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的需要來(lái)提供所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能，減速的目的。焊接IGBT引腳是變頻器裝配過(guò)程中的關(guān)鍵工藝，其焊接質(zhì)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(guò)程分析

IGBT引腳錫焊焊點(diǎn)質(zhì)量要求

首先，IGBT引腳的焊接質(zhì)量要求符合IPC標(biāo)準(zhǔn);成型后焊點(diǎn)須滿足;a.色澤光亮無(wú)灰暗。b.零件引腳突出焊錫面且焊錫完全覆蓋焊點(diǎn)及零件腳周圍;無(wú)尖銳突起，無(wú)凹洞，裂紋，無(wú)殘留外來(lái)雜物;c.角度，錫焊表面連續(xù)，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(diǎn)常見(jiàn)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(guò)程分析影響錫焊焊點(diǎn)質(zhì)量的影響參數(shù);

IGBT引腳錫焊工藝參數(shù)分析

如圖為典型的合金無(wú)鉛錫焊溫度曲線圖，把曲線分為3個(gè)區(qū)域;分別定義為A加熱區(qū)，B焊接區(qū)，C冷卻區(qū);

加熱區(qū)A：焊盤(pán)區(qū)域從常溫開(kāi)始受熱，時(shí)間t11到t12的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域烙鐵頭開(kāi)始與焊盤(pán)接觸，將熱量迅速傳遞給焊盤(pán)，焊盤(pán)的溫度很快升至錫膏熔點(diǎn);烙鐵隨著接觸焊盤(pán)后熱量傳遞，溫度有所下降，但是錫焊設(shè)備的瞬時(shí)回溫讓烙鐵頭的溫度能夠迅速的得到補(bǔ)償，烙鐵頭的溫度如圖中上方曲線;加熱時(shí)間T1=t12-t11，不同大小的焊盤(pán)加熱時(shí)間不同。

焊接區(qū)B：時(shí)間t12到t13這個(gè)區(qū)域，焊接引腳及焊盤(pán)溫度達(dá)到錫膏熔點(diǎn)，送錫機(jī)構(gòu)連續(xù)送錫，焊錫接觸烙鐵后融化，融化的焊錫具有濕潤(rùn)性，毛細(xì)管作用焊料進(jìn)入焊件間隙，流到整個(gè)焊盤(pán)上面;焊盤(pán)與引腳由于表面張力粘接在一起;優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)一般在焊料熔點(diǎn)之上15～40度左右。

焊接區(qū)時(shí)間T2=t13-t12錫膏中各種成分發(fā)揮作用，松香或樹(shù)脂軟化并在焊料周圍形成一層保護(hù)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(qiáng)液態(tài)焊料的濕潤(rùn)力?；钚詣├^續(xù)與氧化物反應(yīng)，不斷清除高溫產(chǎn)生的氧化物與被碳化物，并提供部分流動(dòng)性，直到反應(yīng)完全結(jié)束。部分添加劑在高溫下分解并揮發(fā)，不留下殘留物，高沸點(diǎn)溶劑隨著時(shí)間不斷揮發(fā)，并在結(jié)束時(shí)完全揮發(fā)。穩(wěn)定劑均勻分布于金屬和焊點(diǎn)表面，保護(hù)焊點(diǎn)不被氧化;焊料錫絲從固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)，并隨著焊劑濕潤(rùn)擴(kuò)展。少量不同的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)金屬間化合物，如錫銀銅合金會(huì)有Ag3Sn，Cu6Sn5 生成。

冷卻區(qū)C：焊點(diǎn)溫度從液相線開(kāi)始向下降低的區(qū)段稱為冷卻區(qū)，液態(tài)焊料降溫到液相線以下就形成固態(tài)焊點(diǎn)。焊點(diǎn)冷卻速率影響焊點(diǎn)的可靠性，實(shí)踐表明，快速降溫有利于得到穩(wěn)定可靠的焊點(diǎn)。

根據(jù)以上錫焊各個(gè)階段的影響因素分析，對(duì)IGBT引腳焊接的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)。

2、IGBT引腳錫焊試驗(yàn)設(shè)備介紹

四軸龍門(mén)式機(jī)器人平臺(tái);

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(zhuǎn);

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

B.焊錫絲供絲系統(tǒng)---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(zhǎng)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(wú)線遙控手柄，方便簡(jiǎn)潔。

D.安全保護(hù)罩：符合EHS 要求，預(yù)留煙霧凈化器抽風(fēng)接口，可連接中央抽風(fēng)管道或者吸煙儀;安全門(mén)配置斷路開(kāi)關(guān)，開(kāi)門(mén)設(shè)備及停止運(yùn)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(yàn)

IGBT引腳錫焊工藝試驗(yàn)?zāi)康模涸谂可a(chǎn)中要求每個(gè)引腳焊接節(jié)拍短，這就要求優(yōu)化錫焊工藝縮短每個(gè)焊點(diǎn)的時(shí)間;其次，焊接IGBT引腳特點(diǎn)是，錫焊焊盤(pán)大3～4mm，IGBT模塊引腳錫焊散熱快，焊接過(guò)程中熱量流失快，引腳區(qū)域溫度不均勻，易形成虛焊，冷焊等缺陷。因此對(duì)IGBT錫焊工藝影響參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，尋找最佳工藝參數(shù)。減少焊接缺陷，提高焊點(diǎn)良率，透錫率，滿足合格率要求;并縮短每個(gè)焊點(diǎn)的時(shí)間，滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。影響錫焊焊腳質(zhì)量的因素主要有焊接溫度，焊錫成分，助焊劑的含量，預(yù)熱時(shí)間，加熱時(shí)間，送錫量等。

預(yù)選一種變頻器IGBT產(chǎn)品，如圖所示，對(duì)其中的1～13號(hào)引腳以及20～31引腳進(jìn)行錫焊試驗(yàn)，焊盤(pán)大小3mm，對(duì)應(yīng)引腳均為接地點(diǎn);

焊錫裝備采購(gòu)德國(guó)威樂(lè)品牌，型號(hào)CR-310;可選功率有150w及200w，首先選用150w的錫焊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn);烙鐵頭按照焊盤(pán)大小選4mm直徑;具備快速回溫功能;預(yù)先設(shè)置一定焊接工藝參數(shù)，如表1所示;

預(yù)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(chǎn)廠商;億誠(chéng)達(dá)無(wú)鉛錫絲;

①第一次試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示，

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

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

④第四次試驗(yàn)，在第三次的參數(shù)基礎(chǔ)上，焊絲助焊劑為3.5%，其余工藝參數(shù)不變;

⑤第五次試驗(yàn)，在第四次的參數(shù)基礎(chǔ)上，在焊接前單獨(dú)對(duì)IGBT及引腳區(qū)域焊盤(pán)進(jìn)行恒溫預(yù)熱50s;預(yù)熱到90°C，其余工藝參數(shù)不變;

4、試驗(yàn)分析;

①試驗(yàn)一出現(xiàn)較多的虛焊，分析原因，熱量補(bǔ)償不夠;過(guò)低的溫度會(huì)使得焊點(diǎn)出現(xiàn)虛焊，溫度不夠時(shí)，松香等物質(zhì)揮發(fā)不完全，易形成焊點(diǎn)夾雜質(zhì);

②試驗(yàn)二，將溫控器溫度設(shè)置在410度，焊點(diǎn)無(wú)虛焊缺陷;良率為90%，不能達(dá)到生產(chǎn)要求;平均每個(gè)引腳焊接時(shí)間減少0.5s，說(shuō)明提高溫度有效的縮短了焊接加熱時(shí)間;

③試驗(yàn)三，在試驗(yàn)二的基礎(chǔ)上增大溫控器的功率，采用200w溫控器，目的是在焊接過(guò)程中烙鐵頭的溫度能夠及時(shí)回溫，熱量補(bǔ)償速度增加會(huì)保證焊錫的流動(dòng)性，有利提高良率和透析率，縮短錫焊加熱時(shí)間;獲得良率95%，透錫率80%，每個(gè)引腳的平均焊接時(shí)間為7s;無(wú)出現(xiàn)明顯焊接缺陷;

④試驗(yàn)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(rùn)性，獲得良率98%，透錫率80%，平均每個(gè)引腳的焊接時(shí)間為7s。良率及透析率均達(dá)到預(yù)期要求，引腳突出焊錫面且焊錫完全覆蓋焊點(diǎn)及零件腳周圍，焊點(diǎn)形狀光亮，無(wú)焊接缺陷;

⑤試驗(yàn)五，目的是進(jìn)一步縮短焊接時(shí)間，焊前恒溫預(yù)熱引腳區(qū)域;試驗(yàn)獲得良率99%，透錫率85%，每個(gè)引腳的平均焊接時(shí)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(diǎn)及零件腳周圍，無(wú)焊接缺陷;數(shù)滿足預(yù)期要求部分焊點(diǎn)實(shí)物圖4如下;

5、結(jié)語(yǔ)

焊接IGBT引腳特點(diǎn)是錫焊焊盤(pán)大，IGBT模塊散熱快，焊接過(guò)程中熱量流失快;即使焊接前對(duì)引腳區(qū)域預(yù)熱，在焊接時(shí)仍然存在熱量快速流失，引腳區(qū)域溫度不均勻，易形成虛焊，冷焊等缺陷;IGBT引腳有接地點(diǎn)及普通點(diǎn)，接地點(diǎn)焊盤(pán)大3～4mm，每個(gè)焊盤(pán)的錫焊時(shí)間長(zhǎng)，普通點(diǎn)焊盤(pán)尺寸小2mm，每個(gè)焊盤(pán)的錫焊時(shí)間稍短;對(duì)變頻器IGBT引腳焊接的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在不同的溫度進(jìn)行焊接，改變預(yù)熱時(shí)間的長(zhǎng)短，控制送錫量，送錫次數(shù)等工藝參數(shù)用于獲得理想的焊點(diǎn)良率及透析率，及良好的焊點(diǎn)質(zhì)量，縮短焊接時(shí)間，提高產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。

參考文獻(xiàn);

《PCB錫焊機(jī)器人技術(shù)綜述》 孫中琪.電氣自動(dòng)化

《電烙鐵錫焊技術(shù)》 李廣建.科技咨詢

《錫焊機(jī)器人加熱技術(shù)研究》 張煥良.哈爾濱工業(yè)大學(xué)

《無(wú)鉛焊錫膏的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀》 葉明娟.熱加工工藝

《等離子弧切割機(jī)中IGBT半橋逆變電容的研究》陳麗華. 焊接設(shè)備與材料