隨著新能源行業(yè)的興起，大功率模塊的應(yīng)用規(guī)模得到了快速擴展。技術(shù)的更新與發(fā)展使得大功率模塊的焊接要求日益復(fù)雜，例如其與散熱板、水冷板、雙面水冷板等的大熱容焊接，需要考慮到CTE差異、熱容量差異、大焊點真空去氣泡、裸銅板防氧化等問題。對于此類大熱容器件的高可靠性無氧化焊接，專業(yè)研發(fā)設(shè)計制造汽相回流焊接系統(tǒng)37年的德國IBL公司，提供了一系列完整的解決方案。
汽相回流焊接屬于冷凝傳熱，在相變過程中釋放大量潛熱，具有很高的熱容量，適于加熱大熱容量器件焊接。
圖一：A.液-汽相變傳熱在很小的溫差下吸收或釋放大量潛熱。B. 單相對流和相變傳熱過程的傳熱系數(shù)比較。?[1]
在汽相回流焊接中，傳熱流體（惰性汽相液）被加熱至沸點，流體的蒸發(fā)在工作空間中形成穩(wěn)定、均勻的無氧蒸汽層（汽相層）。汽相層成形后，將被焊工件浸入其中當(dāng)熱蒸汽遇到冷的被焊器件表面，將持續(xù)凝結(jié)成流動的冷凝層，并釋放潛熱（latent heat）到工件上進(jìn)行熱傳遞，當(dāng)其被加熱到傳熱流體的沸點溫度時，停止熱交換。綜合多篇期刊論文與網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，冷凝相變的傳熱系數(shù)（Heat Transfer Coefficient）是熱風(fēng)回流傳熱系數(shù)近十倍及以上?[1]?[2]?[3]?[4]，實現(xiàn)更快升溫速率。
化學(xué)惰性：目前使用最為廣泛的汽相焊接導(dǎo)熱液為PFPE全氟聚醚流體，這些高性能惰性流體具有非常好的介電強度（25℃下，2.54mm間隙下的介電強度為40 kV）和體積電阻率特性、工藝穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、材料兼容性等特點。此外，此類全氟聚醚流體無閃點或燃點、無自燃點、不易燃、零臭氧消耗潛能值(ODP)、無毒性，不腐蝕金屬，是非常優(yōu)異的汽相回流焊接導(dǎo)熱液。
無氧環(huán)境：當(dāng)加熱汽相液形成飽和汽相層時，由于分子量的差異，汽相層密度約是空氣的40倍，汽相層與空氣自然分層，自動形成汽相層的惰性、無氧環(huán)境，不需要額外使用氮氣保護。無氧工藝使錫膏具有最佳的濕潤性能，大大降低焊點氧化風(fēng)險，確保獲取極佳的焊接質(zhì)量。
圖二：汽相回流焊接的焊點（IBL）
峰值溫度無溫差：在汽相回流焊接中，峰值溫度是由汽相液的沸點決定的，氣壓不變的情況下，液體沸點和焊接峰值溫度不發(fā)生變化，焊接工件任何區(qū)域都不會產(chǎn)生冷焊和過溫現(xiàn)象，所有大小熱容元器件的峰值溫度無溫差。這一特性使其非常適合大熱容器件的焊接，如IGBT、DBC、SiC等大功率模塊、變壓器、BGA、CCGA等高密度封裝器件、銅基板、水冷板、半導(dǎo)體發(fā)電芯片TEGs [5]等。
圖三：真實溫度曲線案例，至峰值溫度時，不同熱容量器件峰值溫度近乎相同，無過熱現(xiàn)象（IBL）
圖四：普通回流焊系統(tǒng)產(chǎn)生溫差的案例，在測得各器件峰值溫度后，計算出的溫差為11℃（IBL）
360°滲透加熱：由于汽相蒸汽具有極佳的滲透性，汽相層可全方位包裹工件進(jìn)行快速選擇性熱交換，這種360°全方位的熱交換持續(xù)快速、熱傳遞高效均勻，特別針對大熱容量的工件加熱，可以讓大焊點和小焊點在足夠短的時間內(nèi)均吸收到足夠的熱量，其溫度的均勻一致性可以最大程度消除由于熱膨脹系數(shù)差別所帶來的應(yīng)力影響。
圖五：汽相層內(nèi)熱交換示意圖（IBL）
低溫安全焊接：傳統(tǒng)回流焊接需要更高的溫度使焊料充分熔融，其中熱容較小的器件可能產(chǎn)生過溫等現(xiàn)象。且溫度過高也可能導(dǎo)致PCB板或器件的變形、分層、龜裂等。由于傳熱原理的差異，汽相回流焊接所需的峰值溫度比熱風(fēng)回流低15-20°C，更能保證所有元器件和材料的安全性。
IBL汽相回流焊接系統(tǒng)溫度曲線控制原理
IBL的汽相回流焊接系統(tǒng)使用常壓環(huán)境下封閉腔體，腔體下方的加熱器將腔體中的汽相液加熱形成100%飽和蒸汽層，約40倍的密度差使其與空氣物理分層，自動形成無氧環(huán)境，并通過腔體壁后冷凝水管限定汽相層的總高度。汽相層不同垂直高度位置物理性對應(yīng)不同的熱交換速率梯度(可綜合等價為熱交換分子分布密度不同)。?
圖六：汽相層20個溫區(qū)垂直分區(qū)示意圖（IBL）
根據(jù)汽相層的垂直高度，將其細(xì)分為20個區(qū)域/梯度，在汽相層的垂直位置越低，用于熱交換的蒸汽分子密度越高，熱容量越大，熱交換速率更高，工件升溫更快；位置越高，熱容越低，升溫更慢。通過調(diào)整工件在汽相層中垂直高度位置和時間，可以快速、靈活、精確地控制升溫速率，得到設(shè)定的焊接溫度工藝曲線，對不同工件的加溫速率可在1-3℃/秒內(nèi)調(diào)整，并確?；亓鳒囟染群凸に嚪€(wěn)定性。
圖七：在60%的加熱功率下，汽相層內(nèi)不同垂直高度的20個分區(qū)所對應(yīng)的加熱斜率。（IBL）
圖八：通過控制工件在汽相層內(nèi)的垂直高度和停留時間，可以生成用戶理想的溫度曲線。（IBL）
采用SVTC柔性閉環(huán)溫度曲線控制模式可自動根據(jù)工件總熱容量調(diào)整溫度曲線，使得同一程序亦可滿足不同熱容量、不同批量PCB板及工件的自動焊接需要，確保工藝參數(shù)的穩(wěn)定一致，減少工藝參數(shù)調(diào)整和試驗的成本。在整個回流焊接的過程中，IBL的設(shè)備具有完整系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)，可實時顯示汽相層溫度、工件溫度、托盤溫度、冷卻水溫度、加熱器功率、工件位置、真空腔壓力等參數(shù)，并可實時顯示焊接溫度曲線，確保產(chǎn)品安全及焊接可靠性。
IBL真空汽相回流焊接設(shè)備將真空腔置于飽和汽相層中，使真空腔體溫度與汽相層溫度保持一致，無需額外加熱和溫控，在抽真空過程中對焊點起到有效保溫作用，避免產(chǎn)品焊點在抽真空過程中大幅度降溫，從而提高抽真空效果及焊點可靠性。
圖九：真空腔位置示意圖（IBL）
抽真空系統(tǒng)參數(shù)靈活可調(diào)，包括抽真空速率、真空梯度、最低真空度、真空延時、多次抽真空、真空釋放速率等。
綜上所述，汽相回流焊接技術(shù)所具有的特性，成為大功率模塊的高可靠焊接優(yōu)選解決方案。其高熱交換效率、加熱均勻性、峰值溫度無溫差等特性，可解決器件間熱容量差異大所提出的挑戰(zhàn)；汽相層惰性環(huán)境無氧焊接可滿足防氧化的需求；汽相層恒溫真空技術(shù)確保抽真空時焊點穩(wěn)定在熔化溫度以上，能更好地滿足越來越多的大功率模塊、大熱容工件、超大規(guī)模芯片焊接時可能遇到的各種工藝需求。
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上海杰龍電子工程有限公司
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上海杰龍電子工程有限公司是一家代理和經(jīng)銷國際上眾多著名電子生產(chǎn)設(shè)備的公司，二十多年來致力于軍工電子測試、檢測、裝配等方面的設(shè)備貿(mào)易和技術(shù)服務(wù)，擁有一批高水平的銷售工程師與服務(wù)工程師，并分別在上海、北京、成都、西安、深圳等地設(shè)立分銷公司。公司本著為國內(nèi)軍工電子、汽車電子客戶提供可靠的電子裝配設(shè)備、國際領(lǐng)先的工藝技術(shù)和完善的售后服務(wù)原則，不斷發(fā)展日益壯大。經(jīng)過二十多年的市場開發(fā)和推廣，已在各航空、航天、船舶、兵器、汽車電子、功率半導(dǎo)體等領(lǐng)域擁有了穩(wěn)定的業(yè)務(wù)和良好的信譽，并將不斷為軍工電子、汽車電子、工業(yè)電子裝配應(yīng)用提供更多的高可靠生產(chǎn)測試設(shè)備、更新的國際領(lǐng)先工藝技術(shù)和更好的本地技術(shù)服務(wù)。
引用：
[1] W. L. X. M. R. Y. Rongfu Wen, “Coupling droplets/bubbles with a liquid film for enhancing phase-change heat transfer,” iScience, 卷 24, 編號 6, 2021 Jun 25.?
[2] N. Power, “Convective Heat Transfer Coefficient,” 2024. [聯(lián)機]. Available: https://www.nuclear-power.com/nuclear-engineering/heat-transfer/convection-convective-heat-transfer/convective-heat-transfer-coefficient/.
[3] N. R. J. B. M. Darin Sharar, “Review of Two-phase Electronics Cooling for Army Vehicle Applications,” Army Research Laboratory, pp. REPORT NUMBER ARL-TR-5323 , Sep 2010.?
[4] “Overall Heat Transfer Coefficient Table Charts and Equation,” ENGINEERS EDGE, [聯(lián)機]. Available:https://www.engineersedge.com/thermodynamics/overall_heat_transfer-table.htm. [訪問日期: 2024].
[5] A. S. K. W. Beata Synkiewicz, “Vapour phase soldering used for quality improvement of semiconductor thermogenerators (TEGs) assembly,” Materials Science in Semiconductor Processing, 卷 38, pp. 346-351, 2015.?
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