功率模塊中的激光焊接技術(shù)

簡介

隨著我國新能源行業(yè)的迅猛發(fā)展，功率模塊作為新能源汽車的能量轉(zhuǎn)換的重要裝置，其重要性不言而喻，并且功率模塊也在朝著耐高壓、耐大電流、高功率密度和高可靠性的方向發(fā)展。因此，推出一種最新的一體化逆變磚技術(shù)，具有更高的功率密度，更高的可靠性。

一體化逆變磚技術(shù)

功率模塊生產(chǎn)中運(yùn)用了一種新型連接技術(shù)——激光焊接技術(shù)。激光焊接是利用高能量密度的激光將焊接件熔化并結(jié)合的技術(shù)，相比于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，激光焊接技術(shù)具有能量密度高、加熱區(qū)域小、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、變形小、生產(chǎn)效率高、控制靈活等優(yōu)勢(shì)，但是，需要把控激光焊接過程中的溫度，以免對(duì)模塊產(chǎn)生影響;需要保障連接處質(zhì)量，能夠抵抗外部隨機(jī)激勵(lì)的干擾。

模塊中的激光焊接

熱傳導(dǎo)焊和深熔焊

激光焊接按照功率密度大小分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊。當(dāng)激光功率密度在104-106W/cm2范圍內(nèi)時(shí)，金屬表面開始熔化，稱為熱傳導(dǎo)型焊接，適用于薄的焊接件。當(dāng)激光功率密度超過106W/cm2時(shí)，金屬表面溫度達(dá)到沸點(diǎn)，并且在氣化壓力的作用下，熔池凹陷形成小孔，稱為深熔焊接，適用于較厚的焊接件。其中功率模塊中的銅排厚度薄一般小于1mm，所需的功率密度低，采用熱傳導(dǎo)焊技術(shù)。

激光熱傳導(dǎo)焊

激光深熔焊

激光焊接的工藝影響因素

01激光功率密度

在脈沖激光焊中，功率密度表示單位面積內(nèi)的激光功率，主要影響焊件的升溫速度，功率密度越大，焊件升溫速度越快，但是功率密度不能太高，可能會(huì)導(dǎo)致焊件被燒穿。

02脈沖能量、脈沖寬度

脈沖激光焊接中，脈沖能量越大，焊件溫度提升越快，焊件的熔化量越多。脈沖寬度表示的是一個(gè)激光脈沖時(shí)間，脈沖寬度的大小主要影響焊件的加熱時(shí)間，從而影響焊縫的深度。

03焊接速度

脈沖激光焊接中，焊接速度的大小影響單位時(shí)間內(nèi)激光輸入的能量，相同功率密度條件下，焊接速度快的焊件能量小，焊縫熔深小，所以適當(dāng)降低焊接速度可以擴(kuò)大熔深。

04離焦量

離焦量是指焊接件表面離激光焦點(diǎn)之間的距離，在其他相同條件下，一般離焦量越大焊接熔深越小。

對(duì)功率模塊的激光焊接過程進(jìn)行CAE仿真，根據(jù)功率模塊激光焊接的溫度仿真結(jié)果，在激光焊接過程中，激光的光斑功率密度大，焊接速度快，銅排局部焊接區(qū)域升溫迅速，瞬間達(dá)到熔點(diǎn)。

模塊激光焊接模型

0.008s

0.005s

0.1s

0.14s

銅排激光焊接迅速完成后，產(chǎn)生的熱量在模塊內(nèi)進(jìn)行傳遞，一般模塊在保護(hù)氣氛圍內(nèi)進(jìn)行自然冷卻。

1.0s

1.5s

2.0s

3.0s

對(duì)功率模塊進(jìn)行激光焊接后，需要對(duì)銅排連接處的可靠性進(jìn)行評(píng)估，按照AQG-324標(biāo)準(zhǔn)，獲取模塊在隨機(jī)激勵(lì)條件下的振動(dòng)頻率，從仿真結(jié)果中可以看出，最大應(yīng)力為14.756MPa,對(duì)銅排的焊接連接處并未造成影響，模塊擁有對(duì)抗外部隨機(jī)激勵(lì)的能力。

激勵(lì)條件

仿真結(jié)果