隨著新能源行業的興起，大功率模塊的應用規模得到了快速擴展。技術的更新與發展使得大功率模塊的焊接要求日益復雜，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，專業研發設計制造汽相回流焊接系統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，流體的蒸發在工作空間中形成穩定、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熱蒸汽遇到冷的被焊器件表面，將持續凝結成流動的冷凝層，并釋放潛熱（latent heat）到工件上進行熱傳遞，當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站的數據，冷凝相變的傳熱系數（Heat Transfer Coefficient）是熱風回流傳熱系數近十倍及以上?[1]?[2]?[3]?[4]，實現更快升溫速率。
化學惰性：目前使用最為廣泛的汽相焊接導熱液為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、工藝穩定性、氧化穩定性、化學穩定性、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，是非常優異的汽相回流焊接導熱液。
無氧環境：當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險，確保獲取極佳的焊接質量。
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生變化，焊接工件任何區域都不會產生冷焊和過溫現象，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、半導體發電芯片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，無過熱現象（IBL）
圖四：普通回流焊系統產生溫差的案例，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行快速選擇性熱交換，這種360°全方位的熱交換持續快速、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差別所帶來的應力影響。
圖五：汽相層內熱交換示意圖（IBL）
低溫安全焊接：傳統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生過溫等現象。且溫度過高也可能導致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回流低15-20°C，更能保證所有元器件和材料的安全性。
IBL的汽相回流焊接系統使用常壓環境下封閉腔體，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個溫區垂直分區示意圖（IBL）
根據汽相層的垂直高度，將其細分為20個區域/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℃/秒內調整，并確保回流溫度精度和工藝穩定性。
圖七：在60%的加熱功率下，汽相層內不同垂直高度的20個分區所對應的加熱斜率。（IBL）
圖八：通過控制工件在汽相層內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柔性閉環溫度曲線控制模式可自動根據工件總熱容量調整溫度曲線，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，確保工藝參數的穩定一致，減少工藝參數調整和試驗的成本。在整個回流焊接的過程中，IBL的設備具有完整系統運行狀態監測控制系統，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，并可實時顯示焊接溫度曲線，確保產品安全及焊接可靠性。
IBL真空汽相回流焊接設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）
抽真空系統參數靈活可調，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，汽相回流焊接技術所具有的特性，成為大功率模塊的高可靠焊接優選解決方案。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；汽相層惰性環境無氧焊接可滿足防氧化的需求；汽相層恒溫真空技術確保抽真空時焊點穩定在熔化溫度以上，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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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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