变频器IGBT引脚自动化锡焊工艺优化

杨亚强 屈攀 赵亮

摘要：焊接IGBT引脚特点是锡焊焊盘大，IGBT模块散热快，在焊接时存在热量快速流失，引脚区域温度不均匀，易形成虚焊，冷焊等缺陷; IGBT引脚接地点焊盘大，锡焊时间长，在批量生产中要求尽可能缩短锡焊时间;因此对IGBT锡焊工艺影响参数进行分析，优化调整锡焊工艺参数;减少焊接缺陷，提高焊点良率，透锡率，满足质量要求;并缩短每个焊点的时间，满足生产节拍要求。

关键词：IGBT  锡焊  锡焊工艺  自动化

引言

IGBT  是发展较快的一种电力电子原件，其具有输入阻抗高，开关速度快，承受电流大，通态电压低，阻断电压高，热稳定性好等优点;广泛用于航空航天电源，计算机电源，电动汽车，高速铁路，电力设备等各个领域。变频器靠内部的IGBT的开断来调整输出电源电压和频率，根据电机的需要来提供所需要的电源电压，进而达到节能，减速的目的。焊接IGBT引脚是变频器装配过程中的关键工艺，其焊接质量直接影响变频器的可靠性及使用寿命。

1、变频器IGBT引脚锡焊工艺过程分析

IGBT引脚锡焊焊点质量要求

首先，IGBT引腳的焊接质量要求符合IPC标准;成型后焊点须满足;a.色泽光亮无灰暗。b.零件引脚突出焊锡面且焊锡完全覆盖焊点及零件脚周围;无尖锐突起，无凹洞，裂纹，无残留外来杂物;c.角度，锡焊表面连续，平滑，呈凹陷状，被焊物与焊物在连接处角度小于90度，且角度越小越好。

IGBT引脚焊点常见缺陷有漏焊，冷焊，焊锡裂，锡洞，锡多粘连，锡尖等，以下从锡焊工艺过程分析影响锡焊焊点质量的影响参数;

IGBT引脚锡焊工艺参数分析

如图为典型的合金无铅锡焊温度曲线图，把曲线分为3个区域;分别定义为A加热区，B焊接区，C冷却区;

加热区A：焊盘区域从常温开始受热，时间t11到t12的区域，这个区域烙铁头开始与焊盘接触，将热量迅速传递给焊盘，焊盘的温度很快升至锡膏熔点;烙铁随着接触焊盘后热量传递，温度有所下降，但是锡焊设备的瞬时回温让烙铁头的温度能够迅速的得到补偿，烙铁头的温度如图中上方曲线;加热时间T1=t12-t11，不同大小的焊盘加热时间不同。

焊接区B：时间t12到t13这个区域，焊接引脚及焊盘温度达到锡膏熔点，送锡机构连续送锡，焊锡接触烙铁后融化，融化的焊锡具有湿润性，毛细管作用焊料进入焊件间隙，流到整个焊盘上面;焊盘与引脚由于表面张力粘接在一起;优质的焊点一般在焊料熔点之上15～40度左右。

焊接区时间T2=t13-t12锡膏中各种成分发挥作用，松香或树脂软化并在焊料周围形成一层保护膜与氧气隔绝。表面活性剂被激活用于降低焊料和被焊面之间的表面张力，增强液态焊料的湿润力。活性剂继续与氧化物反应，不断清除高温产生的氧化物与被碳化物，并提供部分流动性，直到反应完全结束。部分添加剂在高温下分解并挥发，不留下残留物，高沸点溶剂随着时间不断挥发，并在结束时完全挥发。稳定剂均匀分布于金属和焊点表面，保护焊点不被氧化;焊料锡丝从固态转换为液态，并随着焊剂湿润扩展。少量不同的金属发生化学反应生产金属间化合物，如锡银铜合金会有Ag3Sn，Cu6Sn5 生成。

冷却区C：焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区，液态焊料降温到液相线以下就形成固态焊点。焊点冷却速率影响焊点的可靠性，实践表明，快速降温有利于得到稳定可靠的焊点。

根据以上锡焊各个阶段的影响因素分析，对IGBT引脚焊接的工艺参数进行调整试验。

2、IGBT引脚锡焊试验设备介绍

四轴龙门式机器人平台;

A.行程：X-axis行程300mm， Y-axis行程350mm，Z-axis行程 100mm，第4轴为Z 轴旋转;

最大速度：X/Y-axis 800mm/s， Z-axis 500mm/s;重复精度：X/Y/Z-axis ±0.02mm。

B.焊锡丝供丝系统---锡丝精度可控，具有破锡功能：适用焊锡丝直径：Φ 0.5-1.2mm/送丝速度：1-30mm/s  送丝长度：0.1-100mm。

C.编程器：触摸式大屏幕液晶显示，工控电脑编程，无线遥控手柄，方便简洁。

D.安全保护罩：符合EHS 要求，预留烟雾净化器抽风接口，可连接中央抽风管道或者吸烟仪;安全门配置断路开关，开门设备及停止运行。

E. 触控屏显示焊接路径，温度曲线并并与MES通信。

3、变频器IGBT引脚锡焊工艺试验

IGBT引脚锡焊工艺试验目的：在批量生产中要求每个引脚焊接节拍短，这就要求优化锡焊工艺缩短每个焊点的时间;其次，焊接IGBT引脚特点是，锡焊焊盘大3～4mm，IGBT模块引脚锡焊散热快，焊接过程中热量流失快，引脚区域温度不均匀，易形成虚焊，冷焊等缺陷。因此对IGBT锡焊工艺影响参数进行分析优化，寻找最佳工艺参数。减少焊接缺陷，提高焊点良率，透锡率，满足合格率要求;并缩短每个焊点的时间，满足生产节拍要求。影响锡焊焊脚质量的因素主要有焊接温度，焊锡成分，助焊剂的含量，预热时间，加热时间，送锡量等。

预选一种变频器IGBT产品，如图所示，对其中的1～13号引脚以及20～31引脚进行锡焊试验，焊盘大小3mm，对应引脚均为接地点;

焊锡装备采购德国威乐品牌，型号CR-310;可选功率有150w及200w，首先选用150w的锡焊机进行试验;烙铁头按照焊盘大小选4mm直径;具备快速回温功能;预先设置一定焊接工艺参数，如表1所示;

预选焊料采用日本千柱焊锡SnAgCu305，助焊剂含量2.2%，直径0.8mm锡丝;生产厂商;亿诚达无铅锡丝;

①第一次试验工艺参数如表1所示，

②第二次试验，增加温控器温度到410°C，焊丝直径为1mm，其余工艺参数不变;

③第三次试验，温控器功率增加到200w，这样可以更快速回温，补偿锡焊阶段的热量损失;将送锡速度提高一点，其余工艺参数不变;

④第四次试验，在第三次的参数基础上，焊丝助焊剂为3.5%，其余工艺参数不变;

⑤第五次试验，在第四次的参数基础上，在焊接前单独对IGBT及引脚区域焊盘进行恒温预热50s;预热到90°C，其余工艺参数不变;

4、试验分析;

①试验一出现较多的虚焊，分析原因，热量补偿不够;过低的温度会使得焊点出现虚焊，温度不够时，松香等物质挥发不完全，易形成焊点夹杂质;

②试验二，将温控器温度设置在410度，焊点无虚焊缺陷;良率为90%，不能达到生产要求;平均每个引脚焊接时间减少0.5s，说明提高温度有效的缩短了焊接加热时间;

③试验三，在试验二的基础上增大温控器的功率，采用200w温控器，目的是在焊接过程中烙铁头的温度能够及时回温，热量补偿速度增加会保证焊锡的流动性，有利提高良率和透析率，缩短锡焊加热时间;获得良率95%，透锡率80%，每个引脚的平均焊接时间为7s;无出现明显焊接缺陷;

④试验四，使用增加助焊剂含量的焊料，能有效改善融化焊锡的湿润性，获得良率98%，透锡率80%，平均每个引脚的焊接时间为7s。良率及透析率均达到预期要求，引脚突出焊锡面且焊锡完全覆盖焊点及零件脚周围，焊点形状光亮，无焊接缺陷;

⑤试验五，目的是进一步缩短焊接时间，焊前恒温预热引脚区域;试验获得良率99%，透锡率85%，每个引脚的平均焊接时间为6s;焊脚光亮，有良好的外观形状，脚突出焊锡面且焊锡完全覆盖焊点及零件脚周围，无焊接缺陷;数满足预期要求部分焊点实物图4如下;

5、结语

焊接IGBT引脚特点是锡焊焊盘大，IGBT模块散热快，焊接过程中热量流失快;即使焊接前对引脚区域预热，在焊接时仍然存在热量快速流失，引脚区域温度不均匀，易形成虚焊，冷焊等缺陷;IGBT引脚有接地点及普通点，接地点焊盘大3～4mm，每个焊盘的锡焊时间长，普通点焊盘尺寸小2mm，每个焊盘的锡焊时间稍短;对变频器IGBT引脚焊接的工艺参数进行调整，在不同的温度进行焊接，改变预热时间的长短，控制送锡量，送锡次数等工艺参数用于获得理想的焊点良率及透析率，及良好的焊点质量，缩短焊接时间，提高产品的質量可靠性。

参考文献;

《PCB锡焊机器人技术综述》 孙中琪.电气自动化

《电烙铁锡焊技术》 李广建.科技咨询

《锡焊机器人加热技术研究》 张焕良.哈尔滨工业大学

《无铅焊锡膏的研究进展及应用现状》 叶明娟.热加工工艺

《等离子弧切割机中IGBT半桥逆变电容的研究》陈丽华. 焊接设备与材料