講座導(dǎo)語(yǔ)

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡(jiǎn)稱(chēng)，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場(chǎng)，迄今已在家電、工業(yè)和汽車(chē)空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

3.7DIPIPM在裝配產(chǎn)線中應(yīng)用注意事項(xiàng)

通過(guò)前幾期的技術(shù)講座，我們了解了DIPIPM在研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用中的評(píng)價(jià)。本節(jié)的主要內(nèi)容是介紹DIPIPM在裝配產(chǎn)線中應(yīng)用注意事項(xiàng)。

3.7.1DIPIPM在裝配產(chǎn)線中應(yīng)用注意事項(xiàng)

為了更好地理解DIPIPM在裝配生產(chǎn)環(huán)節(jié)的注意事項(xiàng)，以降低DIPIPM在生產(chǎn)及市場(chǎng)的不良率，我們將從以下幾個(gè)方面就DIPIPM的裝配注意事項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明：1）運(yùn)輸與儲(chǔ)存；2）裝配產(chǎn)線環(huán)境；3）靜電預(yù)防（ESD）；4）焊接溫度控制；5）DIPIPM與PCB板之間的裝配；6）DIPIPM與散熱器之間的裝配。

1DIPIPM運(yùn)輸和搬運(yùn)

(1) 運(yùn)輸中請(qǐng)按正確的方向放置包裝箱。倒置、傾斜放置或者使模塊承受不均勻應(yīng)力，可能會(huì)引起引腳變形或者樹(shù)脂外殼的破損。

(2) 投擲、墜落包裝箱可能導(dǎo)致模塊損壞。

(3) 應(yīng)注意在雨天或雪天運(yùn)輸時(shí)不要弄濕包裝箱。浸濕包裝箱可能導(dǎo)致器件工作時(shí)被擊穿。

2儲(chǔ)存

推薦的模塊貯存溫度和濕度分別為5～35℃和45～75％，在與此溫度濕度差別極大的環(huán)境下存放可能會(huì)導(dǎo)致模塊的性能和可靠性降低。

DIPIPM長(zhǎng)期（1年以上）存放時(shí)，請(qǐng)使之保持干燥。長(zhǎng)期存放后使用時(shí)，請(qǐng)確認(rèn)外觀沒(méi)有裂痕、污漬和銹蝕等。

3裝配產(chǎn)線環(huán)境

生產(chǎn)過(guò)程中要保證模塊和散熱器的安裝面以及硅脂的清潔，實(shí)際上需要保證生產(chǎn)線上與模塊安裝有關(guān)的環(huán)境的清潔，目的是避免任何雜質(zhì)摻進(jìn)模塊和散熱器之間而影響散熱效果。

在工業(yè)變頻器、空調(diào)生產(chǎn)中，通常都是在同一條生產(chǎn)線上完成模塊與PCB板的焊接以及與散熱器的安裝，以避免可能的在模塊連同PCB板（若焊接后不馬上將之與散熱器安裝）運(yùn)輸過(guò)程中帶來(lái)的模塊安裝面被污染。

環(huán)境的溫度控制：20~28℃（24±4℃）

環(huán)境的濕度控制：40~70%（55±15%）

建議：建立獨(dú)立的控制板/控制器裝配車(chē)間

同時(shí)避免將模塊暴露在水、有機(jī)溶劑、腐蝕性氣體、爆炸性氣體、粉塵或腐蝕性藥劑中，因?yàn)檫@些環(huán)境可能導(dǎo)致嚴(yán)重問(wèn)題。

4靜電釋放（ESD）

DIPIPM模塊集成了控制IC和帶MOS柵極結(jié)構(gòu)的功率芯片，應(yīng)避免帶靜電的人體或紙箱或過(guò)大的電壓施加到DIPIPM的控制端子上，這有可能毀壞內(nèi)部芯片?？轨o電的基本措施是盡量阻止靜電的產(chǎn)生以及盡快地將電荷釋放掉。下圖1是PCB產(chǎn)線比較完善的防靜電措施舉例。在使用DIPIPM時(shí)應(yīng)注意的ESD問(wèn)題總結(jié)如下：

(a) 關(guān)于設(shè)備和人體接地：

所有應(yīng)用設(shè)備(包括測(cè)試儀器)應(yīng)接地；

工作臺(tái)應(yīng)鋪防靜電桌墊(導(dǎo)電毯)并接地；

操作人員應(yīng)帶防靜電手套和防靜電環(huán)，穿防靜電服/防靜電鞋，它們均接地；

操作區(qū)地面應(yīng)鋪設(shè)防靜電地墊(導(dǎo)電毯)并接地；

地線應(yīng)采用兩條走線：一條為設(shè)備地線，另一條為人體地線；

建議對(duì)地線做定期檢查，建議定期對(duì)產(chǎn)線操作人員做身體帶靜電檢查。

(b) 對(duì)于運(yùn)輸和儲(chǔ)存：

不要采用易產(chǎn)生靜電的容器。

(c) 其它：

在任何情況下(包括搬運(yùn)、焊接等過(guò)程中)應(yīng)避免裸手接觸模塊的端子，同時(shí)避免非工作人員接觸工作臺(tái)(DIPIPM模塊)。

圖1 比較完善的防靜電措施（舉例）

5

DIPIPM與PCB板之間的裝配

通常有若干個(gè)功率器件要焊接到同一個(gè)PCB板且要安裝在同一個(gè)散熱器上。為避免模塊在安裝至散熱器時(shí)因承受機(jī)械應(yīng)力不均而導(dǎo)致內(nèi)部損傷，就需要在焊接模塊至PCB板時(shí)使DIPIPM和其它功率器件的基板表面處于同一水平面。這可以通過(guò)設(shè)計(jì)找平工裝來(lái)做到，更好的方法是采用支架來(lái)實(shí)現(xiàn),如下圖2所示。

圖2 模塊、其它功率器件焊接至PCB板時(shí)的找平問(wèn)題

當(dāng)輸出至壓機(jī)的U/V/W接插件或者直流母線P/N接插件(例如采用#250接插件) 放在模塊附近時(shí)，產(chǎn)線操作人員在裝配有關(guān)導(dǎo)線時(shí)會(huì)施加較大的機(jī)械力于這些接插件上，它可能會(huì)導(dǎo)致模塊的管腳彎曲變形，從而影響到模塊管腳至散熱器的電氣距離，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致不同管腳因都與散熱器接觸而誤連通。為解決此問(wèn)題，一種方法是在PCB板與模塊之間加支架以確保模塊管腳不因機(jī)械應(yīng)力而彎曲變形，另一種方法是采用直接焊接U/V/W導(dǎo)線(及P/N導(dǎo)線)的方式（即取消U/V/W接插件），而U/V/W導(dǎo)線與壓縮機(jī)的連接采用空中對(duì)接方式來(lái)進(jìn)行。

圖3 模塊的管腳因受到機(jī)械應(yīng)力而彎曲示意圖

采用支架的方式既可解決模塊焊接時(shí)的找平問(wèn)題，也可解決裝配U/V/W導(dǎo)線時(shí)模塊管腳的彎曲問(wèn)題！

6焊接溫度控制

一般在DIPIPM的插件工序后，會(huì)采用手工焊接DIPIPM的四個(gè)邊角的管腳來(lái)使其DIPIPM固定，然后通過(guò)波峰焊焊接剩余的管腳。DIPIPM焊接控制溫度如下：

(1)可焊性：235±5℃，時(shí)間：5±0.5秒(注：遵循EIAJ ED-4701標(biāo)準(zhǔn))。

(2)焊接溫度(波峰焊)：260±5℃，時(shí)間：10±1秒(注：遵循EIAJ ED-4701標(biāo)準(zhǔn))。

(3)手工焊接：

由于手工焊接時(shí)施加在DIPIPM上的溫度會(huì)隨著電烙鐵類(lèi)型（瓦特?cái)?shù)、焊接頭形狀等）以及PCB上的焊盤(pán)形狀的不同而不同，所以很難給出準(zhǔn)確的手工焊接的焊接條件。

對(duì)于手工焊接，作為對(duì)溫度范圍的一般要求，考慮到模塊內(nèi)部封裝樹(shù)脂的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)和內(nèi)部硅片的耐熱能力，DIPIPM端子根部的溫度應(yīng)保持在150℃以?xún)?nèi)。因此，在確定焊接的溫度范圍時(shí)，需要在實(shí)際PCB上檢查DIPIPM端子根部的溫度、可焊性等（推薦焊接時(shí)間越短越好）。

作為參考，下面給出了一個(gè)采用50瓦電烙鐵來(lái)進(jìn)行手工焊接的評(píng)價(jià)例子。

[評(píng)價(jià)方法]

a. 樣品：第6代超小型DIPIPM。

b. 評(píng)價(jià)過(guò)程：將50瓦電烙鐵的烙鐵頭（溫度設(shè)置為350/400℃）放在端子上距端子頂部1mm以?xún)?nèi)的部位（選擇耐熱能力最弱的端子，如控制端子來(lái)做試驗(yàn)），通過(guò)安裝在端子根部的熱電偶來(lái)測(cè)量端子根部的溫升，具體操作可參考下圖4?圖5，模塊端子實(shí)測(cè)溫度不應(yīng)超過(guò)150℃。

圖4 加熱和測(cè)量點(diǎn)

圖5 端子根部的溫度變化曲線（舉例）

7DIPIPM與散熱器之間的裝配

首先重點(diǎn)在于將模塊安裝至散熱器時(shí)應(yīng)按照推薦的力矩和緊固方法進(jìn)行，以避免模塊內(nèi)部的絕緣(和連接)因機(jī)械應(yīng)力而損傷。其次是按照推薦的厚度在模塊底表面(或散熱器表面)均勻地涂上性能可靠的硅脂，同時(shí)按推薦的表面平整度來(lái)選擇(或處理)散熱器。

在安裝時(shí)推薦采用二次緊固過(guò)程：

首先以正常安裝力矩（見(jiàn)圖7）的20%~30%來(lái)預(yù)固定，然后再以正常力矩進(jìn)行永久固定，其過(guò)程示意如下。注意：緊固螺釘時(shí)推薦使用平墊圈(ISO7089-7094)。

圖6 推薦的螺釘緊固順序

安裝力矩大?。簽榱吮ＷC安裝力矩在推薦的范圍內(nèi)，推薦采用力矩扳手。注意：不同模塊對(duì)應(yīng)的安裝力矩不一樣，下表為有關(guān)模塊的力矩推薦范圍（建議定期檢查力矩扳手的力矩）。

圖7 不同封裝模塊的力矩推薦范圍

導(dǎo)熱硅脂與散熱器：所采用的硅脂應(yīng)具有良好而穩(wěn)定的性能，在寬的工作溫度范圍內(nèi)都能長(zhǎng)久可靠地工作。推薦的硅脂厚度為100～200μm。硅脂應(yīng)均勻地涂在模塊底表面(或散熱器表面)上。推薦的散熱器表面平整度為-50～+100μm，其表面光潔度應(yīng)在Rz12以?xún)?nèi)，見(jiàn)下表1。

表1 超小型DIPIPIM安裝力矩和散熱器表面平整度規(guī)格

圖8 散熱器表面平整度測(cè)量位置

(注：截取于《第6代超小型DIPIPM應(yīng)用手冊(cè)》)

涂硅脂和安裝散熱器的時(shí)候，注意不要讓空氣進(jìn)入硅脂，否則在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致接觸熱阻變大或造成松動(dòng)。建議用鋼網(wǎng)式工裝來(lái)涂抹硅脂，并保證硅脂厚度及涂抹均勻。鋼網(wǎng)厚度：100~200mm。推薦硅脂型號(hào)：信越硅脂（型號(hào)747, 熱阻0.9度/W）。下圖9是采用鋼網(wǎng)進(jìn)行硅脂涂抹的例子。

圖9 鋼網(wǎng)式工裝涂抹硅脂實(shí)例

建議采用鋼網(wǎng)式工裝并對(duì)安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)。

8功能測(cè)試

功能測(cè)試中，最需要關(guān)注的是測(cè)試工裝端子連接的可靠性及工裝的放電。工裝放電的最優(yōu)方式是功能測(cè)試完畢后工裝自身能自動(dòng)放電，然后才顯示PASS，工人方可拔線；至少要在拔線前進(jìn)行人工放電。如果不經(jīng)過(guò)放電即拔插接線端子可能會(huì)導(dǎo)致DIPIPM因浪涌電壓過(guò)壓損壞。測(cè)試工裝的所有連接方式應(yīng)采用可靠的插件連接，并進(jìn)行定期檢查。下圖10是測(cè)試工裝的連線示意圖，不同線路的連接請(qǐng)務(wù)必保證可靠。

圖10 功能測(cè)試示意圖

9絕緣耐壓試驗(yàn)

就空調(diào)行業(yè)來(lái)說(shuō)，通常絕緣耐壓試驗(yàn)是對(duì)空調(diào)整機(jī)來(lái)做的，所施加的絕緣電壓是1800Vrms （交流、正弦、1~2秒鐘），它等效于1500Vrms （交流、正弦、1分鐘），它是施加于短接的L/N與機(jī)殼之間。對(duì)于連接壓縮機(jī)的空調(diào)整機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)確保L/N是短接的，同時(shí)試驗(yàn)儀器的地線應(yīng)保證與真正的大地線可靠連接。

圖11 絕緣耐壓試驗(yàn)示意圖

3.7.2DIPIPM在裝配產(chǎn)線中常見(jiàn)問(wèn)題

1倉(cāng)儲(chǔ)條件

注：

工廠休假時(shí)（例如十一假期或春節(jié)假期），總電源是關(guān)閉的，無(wú)法控制溫濕度；

建議：① 假期值班人員對(duì)重點(diǎn)的電子物料倉(cāng)庫(kù)，空調(diào)或除濕機(jī)也要持續(xù)巡檢和相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。② 定期檢查倉(cāng)庫(kù)溫濕度并定期記錄。

溫濕度計(jì)檢測(cè)探頭高度：建議1.5~1.8m最佳；并且均勻分布在倉(cāng)庫(kù)中。

建議物料轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)裝配接地鏈，并在其容易與器件發(fā)生接觸的部位增加防靜電措施，如靜電墊等。

為降靜電損壞風(fēng)險(xiǎn)，盡量采用整箱提取，在特定工作臺(tái)按需取件、剩余部分裝箱返回倉(cāng)庫(kù)的方案。

2防靜電檢查項(xiàng)目

注：

例如插件工位上方的離子風(fēng)扇離操作區(qū)遠(yuǎn)（50cm以上），離子風(fēng)扇沒(méi)有吹到插件操作和DIPIPM取件位置。

3安裝裝配

注：

建議每天至少檢查一次預(yù)緊、緊固的力矩；如生產(chǎn)不同型號(hào)的產(chǎn)品，需要進(jìn)行不同的力矩設(shè)定，并做力矩檢查/校準(zhǔn)。

確保模塊和散熱器之間沒(méi)有異物摻入和硅脂厚度均勻，避免影響散熱效果，主要包含以下方面：

確保硅脂的清潔，需要保證生產(chǎn)線上與模塊安裝有關(guān)的環(huán)境的清潔、避免雜質(zhì)掉落在硅脂上。自動(dòng)化設(shè)備在刷三防漆時(shí)，盡量避免將三防漆涂到模塊的散熱面上。避免助焊劑涂到模塊的散熱面上。避免金屬碎屑散落到模塊的散熱面上。建議員工刷硅脂時(shí)，最后拿開(kāi)鋼刷位置，避開(kāi)鋼網(wǎng)孔，用于保證硅脂厚度均勻。鋼網(wǎng)、鋼刷定期檢測(cè)；

自動(dòng)化設(shè)備相關(guān)

①自動(dòng)化剪腳機(jī)的應(yīng)用建議：

剪腳機(jī)使用真空泵用于吸金屬碎屑，防止金屬碎屑混入插件現(xiàn)場(chǎng)；

剪腳后模塊的跌落速度較快，導(dǎo)致兩個(gè)模塊之間碰撞力度較大，建議使用機(jī)械臂水平推入到管子中。

②產(chǎn)線自動(dòng)化翻板機(jī)：

建議翻板到預(yù)定位置后加緩沖措施；由于PCB翻板到預(yù)定位置后會(huì)震蕩2~3次，對(duì)PCB板產(chǎn)生力矩較大，易造成元器件碰撞損傷。

③ 產(chǎn)線自動(dòng)化噴三防膠機(jī)器：

建議定期檢測(cè)噴膠口和定位以及氣動(dòng)開(kāi)關(guān)，防止三防膠滴到功率模塊的散熱器上。

④自動(dòng)化打螺釘機(jī)器

建議定期檢測(cè)力矩和螺釘定位以及螺絲刀；防止出現(xiàn)定位不準(zhǔn)的現(xiàn)象和金屬碎屑。

本講總結(jié)

本節(jié)主要介紹了DIPIPM在裝配產(chǎn)線中使用注意事項(xiàng)。主要包含1）運(yùn)輸與儲(chǔ)存；2）裝配產(chǎn)線環(huán)境；3）靜電預(yù)防（ESD）；4）焊接溫度控制；5）DIPIPM與PCB板之間的裝配；6）DIPIPM與散熱器之間的裝配。全面良好的裝配和產(chǎn)線管理是DIPIPM乃至整個(gè)功率變換裝置可靠運(yùn)行的基石。

主要術(shù)語(yǔ)說(shuō)明：

1: DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；

2: DIPIPM、SLIMDIP及DIPIPM+均為三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營(yíng)收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車(chē)、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無(wú)線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅