電動化和智能化，如今似乎已成每一個汽車產業從業者都忙得熱火朝天，卷到如火如荼。技術、成本是汽車功率模塊行業兩大核心競爭力，插針連接設計需考慮載流、溫升，機械性能、振動性能，平衡插針載流能力和溫升問題是汽車功率模塊主要的技術設計問題之一。在傳統開發流程中，設計好后便直接進行開模打樣，再對插針樣品進行參數測試。這個過程大大的增加了開發周期及成本。插拔力接觸技術、高導電材料是解決溫升問題的主要解決方案。
汽車未來高性能集成架構如下圖所示：
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在日益激烈的市場競爭下，車企降價潮不僅給行業帶來了陣痛，更讓“降本”成為整個行業的主旋律。上游原材料，中游制造，下游應用。上游原材料主要包括制造端子的金屬材料，電鍍材料。中游插針端子制造包括金屬材料的車床加工，沖壓加工，精密冷鍛，電鍍加工；后經過制配、組裝、測試制造成插針端子成品。
作為汽車功率模塊的深度參與者與賦能者，同思憑借深刻的行業洞察以及半導體功率模塊領域的專長，協同材料廠商及工藝升級，化被動為主動，積極應對挑戰，帶來了全新的解決方案——可以很快評估出用什么材料可以做，什么材料還有降價空間。
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這款0.64mm的小“方針”作為汽車驅動模塊的中樞，承擔著傳遞功率和信號的重要作用。而插針端子作為連接其他部件的樞紐，其設計和鍍層質量直接影響了功率模塊的穩定性和可靠性。本文將從插針端子類型、插針端子鍍層、生產工藝方面對汽車功率模塊的影響進行分析和闡述。
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鍍錫端子一般在使用上可以達到良好的環境穩定性，主要采取的表面處理方式有：霧錫、亮錫等。但它的缺點也較為明顯，與其它鍍層相比它的耐磨性表現較差，插拔循環次數少于10次，接觸性能會隨時間溫度降低，一般用在低于125℃環境情況下使用。鍍錫端子設計時，需考慮高接觸力及微小位移才能保證接觸的穩定性。
鍍金端子具有的良好接觸性能與環境穩定性，且上錫效果好具有優異的耐溫耐摩擦性能。
插針端子鍍層對汽車功率模塊設計的影響
- 保護電連接部件：端子經過鍍層處理，可以有效避免端子在潮濕、高溫或堿性環境中的氧化和腐蝕。
2. 優化導電性能：鍍上金、銀、錫等金屬的端子，在傳導電流時具有更好的導電性能，減小電阻，提高傳輸效率。
3. 提高連接穩定性：端子鍍層的良好導電性和抗氧化能力可以保持連接穩定性，確保汽車電子系統的正常運行。
4. 提升汽車整車品質：端子鍍層的優質處理不僅能提高功率連接的可靠性，還能提升汽車整車的品質，提高用戶的滿意度。
下個工序就是電鍍工藝(PlaTIng)環節；在這個階段，接觸表面將涂上各種金屬材料涂層，開展電鍍鎳，電鍍錫，鍍半金，避免空氣氧化，提升導電率。一種類似于沖壓階段的問題，如插針的扭曲、斷裂或變形，也會出現在沖壓插針送入電鍍設備的過程中。
插針在沖壓好的插針送進電鍍設備的全過程中也會出現彎曲、形變等狀況。然而，對于大多數機器視覺系統供應商來說，電鍍過程中的許多質量缺陷仍然是檢測系統的“禁區”。同思的視覺檢測系統能夠檢測到插針電鍍表面的各種缺陷，如小劃痕和坑點麻點。一般的CCD 檢測系統很難識別這些細微缺陷所需的圖像。
插拔力測試是指將相互配合Holder&Pin針進行插入力、拔出力等多種測試，插拔力是插針的重要機械性能與參數，控制在一個額定數值，可避免脫落失效有利于穩定性，單針可傳輸50A范圍內的大電流，過流穩定流暢。
要保證功率和信號的正常傳輸，插針的選型很關鍵。為電流流通及電信號傳遞提供良好途徑，進而實現模塊的正常、穩定運行。在功率模塊封裝中，插針在其中起著至關重要的作用。從電性能、機械性能、物理性能等三個方面對插針的選用方法進行簡單分析。
1、電性能
插針首先應考慮其電氣性能。電氣性能主要考慮電壓、電流及導通率等方面。適用于新能源汽車的額定電壓高達600V。其次是額定電流，其值同額定電壓一樣，一般略高于正常工作電壓。一般情況下插針在常溫下進行其溫升性能測試。
2 、機械性能
插針的機械性能主要包含插拔力、彎曲強度、抗拉強度在模塊封裝選用時有著不可忽略的重要作用。插拔力過小會導致接觸不良，一般車用插針的最大插拔力不高于100N。因此，在保證正常通電的前提下，插拔力越小越好。機械壽命是指鍍金插針端子50次插拔后Holder&Pin針配合力不小于20N即可。
3 、物理性能
鹽霧測試96H,觀察金屬結構、接觸件表面處理層是否產生電化腐蝕，影響物理和電氣性能。振動和沖擊測試是檢驗插針機械結構的堅固性和電接觸可靠性的重要指標。
注：在任何情況下，總電阻不能超過20mΩ。
國標QC ／ T-1067與USCAR-2在定義最大載流能力時，明確提出在通電流過程中，當電流使端子對達到接觸電阻最大值或者溫升達到55℃時，記錄此處電流，并乘以90%就是此端子的最大載流，降額曲線如下圖所示。
對于半導體功率器件應用工程師更應該對插針有一個全面的性能掌控，才能更加合理地選擇，運用插針并保證在功率模塊連接中的穩定性、安全性。
魚眼端子設計要求厚度0.64mm，插入力97N max，拔出力30N min。在設計好產品3D模型，確認好材質后，使用軟件仿真得到插拔力曲線和應力云圖：
從插拔力曲線和應力云圖可以看出模擬結果不符合設計要求：拔出力小于設計要求。此時我們要重新設計我們的方案，通過縮小魚眼的尺寸增加拔出力。再次使用仿真，從插拔力曲線和應力云圖可看出模擬結果已符合設計要求。
插針端子制作工藝有3種，車削加工、沖壓加工、精密冷鍛
精密冷鍛技術的原理：
1. 應力變形：冷鍛過程中，將金屬材料放在鍛砧上，然后用一定的力量加壓和沖擊材料，使其發生塑性變形。這個過程中，金屬內部結構會發生微觀級別的變化，從而使材料的形狀和尺寸很好地得到控制。
2. 塑性變形：冷鍛過程中，金屬材料因受到外力的作用而發生塑性變形。通過選擇合適的鍛模形狀和鍛造工藝參數，可以使材料在不破壞其結構和性能的情況下，得到精確的形狀和尺寸。
3. 冷變形和材料強化：冷鍛過程中，金屬材料會經歷冷變形，也就是它在室溫下被迫發生塑性變形。這種冷變形會引起材料中的晶界移動和塑性變形，從而增強材料的強度和硬度。
精密冷鍛技術的關鍵
1. 模具設計和制造：精密冷鍛技術對模具的設計和制造要求較高。需要考慮到產品的復雜形狀和高精度要求，合理設計模具結構，并選用高精度機械加工設備制造模具。
2.工藝參數控制：精密冷鍛工藝參數的控制直接影響產品的成形質量。需要控制鍛壓速度、溫度、壓力等參數，保證金屬材料的成形精度和強度。
3.金屬材的選擇和預處理：選擇合適的金屬材料是精密冷鍛技術的前提。需要根據產品的要求選擇具有高強度和高韌性的金屬材料，并對材料進行預處理等。
4.模具摩擦和潤滑：精密冷鍛工藝中，模具和金屬材料之間的摩擦對成形質量有著較大影響。需要選用合適的潤滑方式，減小摩擦系數，提高成形效率和產品質量。
原文始發于微信公眾號（艾邦半導體網）：大電流功率模塊插針淺析
