電動(dòng)化和智能化，如今似乎已成每一個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)從業(yè)者都忙得熱火朝天，卷到如火如荼。技術(shù)、成本是汽車功率模塊行業(yè)兩大核心競(jìng)爭(zhēng)力，插針連接設(shè)計(jì)需考慮載流、溫升，機(jī)械性能、振動(dòng)性能，平衡插針載流能力和溫升問(wèn)題是汽車功率模塊主要的技術(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題之一。在傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程中，設(shè)計(jì)好后便直接進(jìn)行開(kāi)模打樣，再對(duì)插針樣品進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。這個(gè)過(guò)程大大的增加了開(kāi)發(fā)周期及成本。插拔力接觸技術(shù)、高導(dǎo)電材料是解決溫升問(wèn)題的主要解決方案。
汽車未來(lái)高性能集成架構(gòu)如下圖所示：
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在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，車企降價(jià)潮不僅給行業(yè)帶來(lái)了陣痛，更讓“降本”成為整個(gè)行業(yè)的主旋律。上游原材料，中游制造，下游應(yīng)用。上游原材料主要包括制造端子的金屬材料，電鍍材料。中游插針端子制造包括金屬材料的車床加工，沖壓加工，精密冷鍛，電鍍加工；后經(jīng)過(guò)制配、組裝、測(cè)試制造成插針端子成品。
作為汽車功率模塊的深度參與者與賦能者，同思憑借深刻的行業(yè)洞察以及半導(dǎo)體功率模塊領(lǐng)域的專長(zhǎng)，協(xié)同材料廠商及工藝升級(jí)，化被動(dòng)為主動(dòng)，積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，帶來(lái)了全新的解決方案——可以很快評(píng)估出用什么材料可以做，什么材料還有降價(jià)空間。
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這款0.64mm的小“方針”作為汽車驅(qū)動(dòng)模塊的中樞，承擔(dān)著傳遞功率和信號(hào)的重要作用。而插針端子作為連接其他部件的樞紐，其設(shè)計(jì)和鍍層質(zhì)量直接影響了功率模塊的穩(wěn)定性和可靠性。本文將從插針端子類型、插針端子鍍層、生產(chǎn)工藝方面對(duì)汽車功率模塊的影響進(jìn)行分析和闡述。
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鍍錫端子一般在使用上可以達(dá)到良好的環(huán)境穩(wěn)定性，主要采取的表面處理方式有：霧錫、亮錫等。但它的缺點(diǎn)也較為明顯，與其它鍍層相比它的耐磨性表現(xiàn)較差，插拔循環(huán)次數(shù)少于10次，接觸性能會(huì)隨時(shí)間溫度降低，一般用在低于125℃環(huán)境情況下使用。鍍錫端子設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮高接觸力及微小位移才能保證接觸的穩(wěn)定性。
鍍金端子具有的良好接觸性能與環(huán)境穩(wěn)定性，且上錫效果好具有優(yōu)異的耐溫耐摩擦性能。
插針端子鍍層對(duì)汽車功率模塊設(shè)計(jì)的影響
- 保護(hù)電連接部件：端子經(jīng)過(guò)鍍層處理，可以有效避免端子在潮濕、高溫或堿性環(huán)境中的氧化和腐蝕。
2. 優(yōu)化導(dǎo)電性能：鍍上金、銀、錫等金屬的端子，在傳導(dǎo)電流時(shí)具有更好的導(dǎo)電性能，減小電阻，提高傳輸效率。
3. 提高連接穩(wěn)定性：端子鍍層的良好導(dǎo)電性和抗氧化能力可以保持連接穩(wěn)定性，確保汽車電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
4. 提升汽車整車品質(zhì)：端子鍍層的優(yōu)質(zhì)處理不僅能提高功率連接的可靠性，還能提升汽車整車的品質(zhì)，提高用戶的滿意度。
下個(gè)工序就是電鍍工藝(PlaTIng)環(huán)節(jié)；在這個(gè)階段，接觸表面將涂上各種金屬材料涂層，開(kāi)展電鍍鎳，電鍍錫，鍍半金，避免空氣氧化，提升導(dǎo)電率。一種類似于沖壓階段的問(wèn)題，如插針的扭曲、斷裂或變形，也會(huì)出現(xiàn)在沖壓插針?biāo)腿腚婂冊(cè)O(shè)備的過(guò)程中。
插針在沖壓好的插針?biāo)瓦M(jìn)電鍍?cè)O(shè)備的全過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)彎曲、形變等狀況。然而，對(duì)于大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，電鍍過(guò)程中的許多質(zhì)量缺陷仍然是檢測(cè)系統(tǒng)的“禁區(qū)”。同思的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到插針電鍍表面的各種缺陷，如小劃痕和坑點(diǎn)麻點(diǎn)。一般的CCD 檢測(cè)系統(tǒng)很難識(shí)別這些細(xì)微缺陷所需的圖像。
插拔力測(cè)試是指將相互配合Holder&Pin針進(jìn)行插入力、拔出力等多種測(cè)試，插拔力是插針的重要機(jī)械性能與參數(shù)，控制在一個(gè)額定數(shù)值，可避免脫落失效有利于穩(wěn)定性，單針可傳輸50A范圍內(nèi)的大電流，過(guò)流穩(wěn)定流暢。
要保證功率和信號(hào)的正常傳輸，插針的選型很關(guān)鍵。為電流流通及電信號(hào)傳遞提供良好途徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模塊的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。在功率模塊封裝中，插針在其中起著至關(guān)重要的作用。從電性能、機(jī)械性能、物理性能等三個(gè)方面對(duì)插針的選用方法進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。
1、電性能
插針首先應(yīng)考慮其電氣性能。電氣性能主要考慮電壓、電流及導(dǎo)通率等方面。適用于新能源汽車的額定電壓高達(dá)600V。其次是額定電流，其值同額定電壓一樣，一般略高于正常工作電壓。一般情況下插針在常溫下進(jìn)行其溫升性能測(cè)試。
2 、機(jī)械性能
插針的機(jī)械性能主要包含插拔力、彎曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度在模塊封裝選用時(shí)有著不可忽略的重要作用。插拔力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致接觸不良，一般車用插針的最大插拔力不高于100N。因此，在保證正常通電的前提下，插拔力越小越好。機(jī)械壽命是指鍍金插針端子50次插拔后Holder&Pin針配合力不小于20N即可。
3 、物理性能
鹽霧測(cè)試96H,觀察金屬結(jié)構(gòu)、接觸件表面處理層是否產(chǎn)生電化腐蝕，影響物理和電氣性能。振動(dòng)和沖擊測(cè)試是檢驗(yàn)插針機(jī)械結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和電接觸可靠性的重要指標(biāo)。
注：在任何情況下，總電阻不能超過(guò)20mΩ。
國(guó)標(biāo)QC ／ T-1067與USCAR-2在定義最大載流能力時(shí)，明確提出在通電流過(guò)程中，當(dāng)電流使端子對(duì)達(dá)到接觸電阻最大值或者溫升達(dá)到55℃時(shí)，記錄此處電流，并乘以90%就是此端子的最大載流，降額曲線如下圖所示。
對(duì)于半導(dǎo)體功率器件應(yīng)用工程師更應(yīng)該對(duì)插針有一個(gè)全面的性能掌控，才能更加合理地選擇，運(yùn)用插針并保證在功率模塊連接中的穩(wěn)定性、安全性。
魚眼端子設(shè)計(jì)要求厚度0.64mm，插入力97N max，拔出力30N min。在設(shè)計(jì)好產(chǎn)品3D模型，確認(rèn)好材質(zhì)后，使用軟件仿真得到插拔力曲線和應(yīng)力云圖：
從插拔力曲線和應(yīng)力云圖可以看出模擬結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求：拔出力小于設(shè)計(jì)要求。此時(shí)我們要重新設(shè)計(jì)我們的方案，通過(guò)縮小魚眼的尺寸增加拔出力。再次使用仿真，從插拔力曲線和應(yīng)力云圖可看出模擬結(jié)果已符合設(shè)計(jì)要求。
插針端子制作工藝有3種，車削加工、沖壓加工、精密冷鍛
精密冷鍛技術(shù)的原理：
1. 應(yīng)力變形：冷鍛過(guò)程中，將金屬材料放在鍛砧上，然后用一定的力量加壓和沖擊材料，使其發(fā)生塑性變形。這個(gè)過(guò)程中，金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生微觀級(jí)別的變化，從而使材料的形狀和尺寸很好地得到控制。
2. 塑性變形：冷鍛過(guò)程中，金屬材料因受到外力的作用而發(fā)生塑性變形。通過(guò)選擇合適的鍛模形狀和鍛造工藝參數(shù)，可以使材料在不破壞其結(jié)構(gòu)和性能的情況下，得到精確的形狀和尺寸。
3. 冷變形和材料強(qiáng)化：冷鍛過(guò)程中，金屬材料會(huì)經(jīng)歷冷變形，也就是它在室溫下被迫發(fā)生塑性變形。這種冷變形會(huì)引起材料中的晶界移動(dòng)和塑性變形，從而增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和硬度。
精密冷鍛技術(shù)的關(guān)鍵
1. 模具設(shè)計(jì)和制造：精密冷鍛技術(shù)對(duì)模具的設(shè)計(jì)和制造要求較高。需要考慮到產(chǎn)品的復(fù)雜形狀和高精度要求，合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，并選用高精度機(jī)械加工設(shè)備制造模具。
2.工藝參數(shù)控制：精密冷鍛工藝參數(shù)的控制直接影響產(chǎn)品的成形質(zhì)量。需要控制鍛壓速度、溫度、壓力等參數(shù)，保證金屬材料的成形精度和強(qiáng)度。
3.金屬材的選擇和預(yù)處理：選擇合適的金屬材料是精密冷鍛技術(shù)的前提。需要根據(jù)產(chǎn)品的要求選擇具有高強(qiáng)度和高韌性的金屬材料，并對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理等。
4.模具摩擦和潤(rùn)滑：精密冷鍛工藝中，模具和金屬材料之間的摩擦對(duì)成形質(zhì)量有著較大影響。需要選用合適的潤(rùn)滑方式，減小摩擦系數(shù)，提高成形效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
來(lái)源：惠州市同思實(shí)業(yè)有限公司
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：大電流功率模塊插針淺析
