随着新能源行业的兴起，大功率模块的应用规模得到了快速扩展。技术的更新与发展使得大功率模块的焊接要求日益复杂，例如其与散热板、水冷板、双面水冷板等的大热容焊接，需要考虑到CTE差异、热容量差异、大焊点真空去气泡、裸铜板防氧化等问题。对于此类大热容器件的高可靠性无氧化焊接，专业研发设计制造汽相回流焊接系统37年的德国IBL公司，提供了一系列完整的解决方案。
汽相回流焊接属于冷凝传热，在相变过程中释放大量潜热，具有很高的热容量，适于加热大热容量器件焊接。
图一：A.液-汽相变传热在很小的温差下吸收或释放大量潜热。B. 单相对流和相变传热过程的传热系数比较。 [1]
在汽相回流焊接中，传热流体（惰性汽相液）被加热至沸点，流体的蒸发在工作空间中形成稳定、均匀的无氧蒸汽层（汽相层）。汽相层成形后，将被焊工件浸入其中当热蒸汽遇到冷的被焊器件表面，将持续凝结成流动的冷凝层，并释放潜热（latent heat）到工件上进行热传递，当其被加热到传热流体的沸点温度时，停止热交换。综合多篇期刊论文与网站的数据，冷凝相变的传热系数（Heat Transfer Coefficient）是热风回流传热系数近十倍及以上 [1] [2] [3] [4]，实现更快升温速率。
化学惰性：目前使用最为广泛的汽相焊接导热液为PFPE全氟聚醚流体，这些高性能惰性流体具有非常好的介电强度（25℃下，2.54mm间隙下的介电强度为40 kV）和体积电阻率特性、工艺稳定性、氧化稳定性、化学稳定性、材料兼容性等特点。此外，此类全氟聚醚流体无闪点或燃点、无自燃点、不易燃、零臭氧消耗潜能值(ODP)、无毒性，不腐蚀金属，是非常优异的汽相回流焊接导热液。
无氧环境：当加热汽相液形成饱和汽相层时，由于分子量的差异，汽相层密度约是空气的40倍，汽相层与空气自然分层，自动形成汽相层的惰性、无氧环境，不需要额外使用氮气保护。无氧工艺使锡膏具有最佳的湿润性能，大大降低焊点氧化风险，确保获取极佳的焊接质量。
图二：汽相回流焊接的焊点（IBL）
峰值温度无温差：在汽相回流焊接中，峰值温度是由汽相液的沸点决定的，气压不变的情况下，液体沸点和焊接峰值温度不发生变化，焊接工件任何区域都不会产生冷焊和过温现象，所有大小热容元器件的峰值温度无温差。这一特性使其非常适合大热容器件的焊接，如IGBT、DBC、SiC等大功率模块、变压器、BGA、CCGA等高密度封装器件、铜基板、水冷板、半导体发电芯片TEGs [5]等。
图三：真实温度曲线案例，至峰值温度时，不同热容量器件峰值温度近乎相同，无过热现象（IBL）
图四：普通回流焊系统产生温差的案例，在测得各器件峰值温度后，计算出的温差为11℃（IBL）
360°渗透加热：由于汽相蒸汽具有极佳的渗透性，汽相层可全方位包裹工件进行快速选择性热交换，这种360°全方位的热交换持续快速、热传递高效均匀，特别针对大热容量的工件加热，可以让大焊点和小焊点在足够短的时间内均吸收到足够的热量，其温度的均匀一致性可以最大程度消除由于热膨胀系数差别所带来的应力影响。
图五：汽相层内热交换示意图（IBL）
低温安全焊接：传统回流焊接需要更高的温度使焊料充分熔融，其中热容较小的器件可能产生过温等现象。且温度过高也可能导致PCB板或器件的变形、分层、龟裂等。由于传热原理的差异，汽相回流焊接所需的峰值温度比热风回流低15-20°C，更能保证所有元器件和材料的安全性。
IBL的汽相回流焊接系统使用常压环境下封闭腔体，腔体下方的加热器将腔体中的汽相液加热形成100%饱和蒸汽层，约40倍的密度差使其与空气物理分层，自动形成无氧环境，并通过腔体壁后冷凝水管限定汽相层的总高度。汽相层不同垂直高度位置物理性对应不同的热交换速率梯度(可综合等价为热交换分子分布密度不同)。
图六：汽相层20个温区垂直分区示意图（IBL）
根据汽相层的垂直高度，将其细分为20个区域/梯度，在汽相层的垂直位置越低，用于热交换的蒸汽分子密度越高，热容量越大，热交换速率更高，工件升温更快；位置越高，热容越低，升温更慢。通过调整工件在汽相层中垂直高度位置和时间，可以快速、灵活、精确地控制升温速率，得到设定的焊接温度工艺曲线，对不同工件的加温速率可在1-3℃/秒内调整，并确保回流温度精度和工艺稳定性。
图七：在60%的加热功率下，汽相层内不同垂直高度的20个分区所对应的加热斜率。（IBL）
图八：通过控制工件在汽相层内的垂直高度和停留时间，可以生成用户理想的温度曲线。（IBL）
采用SVTC柔性闭环温度曲线控制模式可自动根据工件总热容量调整温度曲线，使得同一程序亦可满足不同热容量、不同批量PCB板及工件的自动焊接需要，确保工艺参数的稳定一致，减少工艺参数调整和试验的成本。在整个回流焊接的过程中，IBL的设备具有完整系统运行状态监测控制系统，可实时显示汽相层温度、工件温度、托盘温度、冷却水温度、加热器功率、工件位置、真空腔压力等参数，并可实时显示焊接温度曲线，确保产品安全及焊接可靠性。
IBL真空汽相回流焊接设备将真空腔置于饱和汽相层中，使真空腔体温度与汽相层温度保持一致，无需额外加热和温控，在抽真空过程中对焊点起到有效保温作用，避免产品焊点在抽真空过程中大幅度降温，从而提高抽真空效果及焊点可靠性。
图九：真空腔位置示意图（IBL）
抽真空系统参数灵活可调，包括抽真空速率、真空梯度、最低真空度、真空延时、多次抽真空、真空释放速率等。
综上所述，汽相回流焊接技术所具有的特性，成为大功率模块的高可靠焊接优选解决方案。其高热交换效率、加热均匀性、峰值温度无温差等特性，可解决器件间热容量差异大所提出的挑战；汽相层惰性环境无氧焊接可满足防氧化的需求；汽相层恒温真空技术确保抽真空时焊点稳定在熔化温度以上，能更好地满足越来越多的大功率模块、大热容工件、超大规模芯片焊接时可能遇到的各种工艺需求。
上海杰龙电子工程有限公司
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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, 编号 6, 2021 Jun 25.
[2] N. Power, “Convective Heat Transfer Coefficient,” 2024. [联机]. 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, [联机]. Available:https://www.engineersedge.com/thermodynamics/overall_heat_transfer-table.htm. [访问日期: 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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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：大功率模块高可靠焊接解决方案——汽相回流焊接技术
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