講座導(dǎo)語

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(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

通過前幾期的技術(shù)講座，我們了解了DIPIPM在研發(fā)和實際應(yīng)用中的評價。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。

3.7.1DIPIPM在裝配產(chǎn)線中應(yīng)用注意事項

為了更好地理解DIPIPM在裝配生產(chǎn)環(huán)節(jié)的注意事項，以降低DIPIPM在生產(chǎn)及市場的不良率，我們將從以下幾個方面就DIPIPM的裝配注意事項進(jìn)行說明：1）運輸與儲存；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運輸和搬運

(1) 運輸中請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，可能會引起引腳變形或者樹脂外殼的破損。

(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輸時不要弄濕包裝箱。浸濕包裝箱可能導(dǎo)致器件工作時被擊穿。

2儲存

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)境下存放可能會導(dǎo)致模塊的性能和可靠性降低。

DIPIPM長期（1年以上）存放時，請使之保持干燥。長期存放后使用時，請確認(rèn)外觀沒有裂痕、污漬和銹蝕等。

3裝配產(chǎn)線環(huán)境

生產(chǎn)過程中要保證模塊和散熱器的安裝面以及硅脂的清潔，實際上需要保證生產(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）運輸過程中帶來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：建立獨立的控制板/控制器裝配車間

同時避免將模塊暴露在水、有機溶劑、腐蝕性氣體、爆炸性氣體、粉塵或腐蝕性藥劑中，因為這些環(huán)境可能導(dǎo)致嚴(yán)重問題。

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時應(yīng)注意的ESD問題總結(jié)如下：

(a) 關(guān)于設(shè)備和人體接地：

所有應(yīng)用設(shè)備(包括測試儀器)應(yīng)接地；

工作臺應(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；

建議對地線做定期檢查，建議定期對產(chǎn)線操作人員做身體帶靜電檢查。

(b) 對于運輸和儲存：

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、焊接等過程中)應(yīng)避免裸手接觸模塊的端子，同時避免非工作人員接觸工作臺(DIPIPM模塊)。

圖1 比較完善的防靜電措施（舉例）

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DIPIPM與PCB板之間的裝配

通常有若干個功率器件要焊接到同一個PCB板且要安裝在同一個散熱器上。為避免模塊在安裝至散熱器時因承受機械應(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。這可以通過設(shè)計找平工裝來做到，更好的方法是采用支架來實現(xiàn),如下圖2所示。

圖2 模塊、其它功率器件焊接至PCB板時的找平問題

當(dāng)輸出至壓機的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，產(chǎn)線操作人員在裝配有關(guān)導(dǎo)線時會施加較大的機械力于這些接插件上，它可能會導(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)線與壓縮機的連接采用空中對接方式來進(jìn)行。

圖3 模塊的管腳因受到機械應(yīng)力而彎曲示意圖

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

6焊接溫度控制

一般在DIPIPM的插件工序后，會采用手工焊接DIPIPM的四個邊角的管腳來使其DIPIPM固定，然后通過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：

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

對于手工焊接，作為對溫度范圍的一般要求，考慮到模塊內(nèi)部封裝樹脂的玻璃態(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℃以內(nèi)。因此，在確定焊接的溫度范圍時，需要在實際PCB上檢查DIPIPM端子根部的溫度、可焊性等（推薦焊接時間越短越好）。

作為參考，下面給出了一個采用50瓦電烙鐵來進(jìn)行手工焊接的評價例子。

[評價方法]

a. 樣品：第6代超小型DIPIPM。

b. 評價過程：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以內(nèi)的部位（選擇耐熱能力最弱的端子，如控制端子來做試驗），通過安裝在端子根部的熱電偶來測量端子根部的溫升，具體操作可參考下圖4?圖5，模塊端子實測溫度不應(yīng)超過150℃。

圖4 加熱和測量點

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

首先重點在于將模塊安裝至散熱器時應(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，同時按推薦的表面平整度來選擇(或處理)散熱器。

在安裝時推薦采用二次緊固過程：

首先以正常安裝力矩（見圖7）的20%~30%來預(yù)固定，然后再以正常力矩進(jìn)行永久固定，其過程示意如下。注意：緊固螺釘時推薦使用平墊圈(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以內(nèi)，見下表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量位置

(注：截取于《第6代超小型DIPIPM應(yīng)用手冊》)

涂硅脂和安裝散熱器的時候，注意不要讓空氣進(jìn)入硅脂，否則在運行過程中可能會導(dǎo)致接觸熱阻變大或造成松動。建議用鋼網(wǎng)式工裝來涂抹硅脂，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：信越硅脂（型號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)式工裝涂抹硅脂實例

建議采用鋼網(wǎng)式工裝并對安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)。

8功能測試

功能測試中，最需要關(guān)注的是測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)方式是功能測試完畢后工裝自身能自動放電，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)過放電即拔插接線端子可能會導(dǎo)致DIPIPM因浪涌電壓過壓損壞。測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是測試工裝的連線示意圖，不同線路的連接請務(wù)必保證可靠。

圖10 功能測試示意圖

9絕緣耐壓試驗

就空調(diào)行業(yè)來說，通常絕緣耐壓試驗是對空調(diào)整機來做的，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與機殼之間。對于連接壓縮機的空調(diào)整機來說，應(yīng)確保L/N是短接的，同時試驗儀器的地線應(yīng)保證與真正的大地線可靠連接。

圖11 絕緣耐壓試驗示意圖

3.7.2DIPIPM在裝配產(chǎn)線中常見問題

1倉儲條件

注：

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

建議：① 假期值班人員對重點的電子物料倉庫，空調(diào)或除濕機也要持續(xù)巡檢和相應(yīng)的應(yīng)對措施。② 定期檢查倉庫溫濕度并定期記錄。

溫濕度計檢測探頭高度：建議1.5~1.8m最佳；并且均勻分布在倉庫中。

建議物料轉(zhuǎn)運車裝配接地鏈，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，盡量采用整箱提取，在特定工作臺按需取件、剩余部分裝箱返回倉庫的方案。

2防靜電檢查項目

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。自動化設(shè)備在刷三防漆時，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，最后拿開鋼刷位置，避開鋼網(wǎng)孔，用于保證硅脂厚度均勻。鋼網(wǎng)、鋼刷定期檢測；

自動化設(shè)備相關(guān)

①自動化剪腳機的應(yīng)用建議：

剪腳機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；

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

②產(chǎn)線自動化翻板機：

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

③ 產(chǎn)線自動化噴三防膠機器：

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

④自動化打螺釘機器

建議定期檢測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。主要包含1）運輸與儲存；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乃至整個功率變換裝置可靠運行的基石。

主要術(shù)語說明：

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

2: DIPIPM、SLIMDIP及DIPIPM+均為三菱電機株式會社注冊商標(biāo)。

關(guān)于三菱電機

三菱電機創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財富》世界500強排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財年，集團(tuán)營收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機擁有多項專利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發(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、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅