功率模組是設備的“心臟”，承擔電能轉化的重要作用。大約八年前，我國功率模組產(chǎn)業(yè)尚處于技術追趕階段，如今這一領域已實現(xiàn)從“引進吸收”到“自立自強”的蛻變，而華為數(shù)字能源模組焊接工藝專家郎豐群，也是這場技術進步的核心推動者和重要貢獻者之一。
帶著深耕功率模組技術開發(fā)的深厚積淀，他破冰開啟了數(shù)字能源功率模組從“從0到1”的技術攻堅之路：構建工業(yè)級模組封裝焊接技術平臺，為海量發(fā)貨奠定工藝基礎；構建車載MCU（電機控制單元）雙面冷卻IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）模組焊接工藝平臺，突破車規(guī)級高可靠性門檻；構建車載單面冷卻碳化硅模組制造工藝平臺，為第三代半導體規(guī)?；瘧娩伮?，為千萬級模組的量產(chǎn)保駕護航。
如何同時滿足規(guī)?；慨a(chǎn)與極致可靠性的雙重要求？如何將“執(zhí)著專注、精益求精”的工匠精神應用到工作中，為華為自研模組實現(xiàn)領先做出貢獻？帶著這些問題，我們對談郎豐群博士，解碼功率模組從“跟跑”到“領跑”背后的秘密。
1.焊接工程師是產(chǎn)品大廈的“泥瓦匠”
問：當初，您是在什么樣的契機下選擇了華為，選擇了功率模組焊接工藝這個領域？
郎豐群：大約20年前，我在海外從事功率模組的開發(fā)工作，深刻體會到焊接是功率模組最關鍵的核心工藝之一。功率模組作為數(shù)字能源轉換的核心載體，需在高壓、大電流、高頻場景下穩(wěn)定運行，而焊接工藝直接決定其導電、導熱及抗應力能力。
而焊接的復雜性遠超乎想象。高壓端子焊接處需同時抵御振動應力、溫度變化的熱應力以及高溫氧化的耦合作用，任一環(huán)節(jié)失效都可能引發(fā)模組級故障。而從材料冶金角度看，焊料與母材形成的金屬間化合物厚度必須精準控制在十幾微米以下，以降低應力。焊片和被焊接體厚度偏差超過10微米就有可能導致批量虛焊……這些因素使得焊接成為融合材料、熱力、機械工程的系統(tǒng)級難題。
焊接很重要，也有許多課題和挑戰(zhàn)。我根據(jù)自己的材料專業(yè)知識和以前的焊接研究基礎選擇了這一行，也喜歡這一行。在我看來，焊接工程師就像產(chǎn)品大廈的“泥瓦匠”，看似基礎，卻決定著整座大廈的穩(wěn)固性。
和華為的結緣要追溯到我在海外讀博士期間，當時我經(jīng)常聽聞華為取得技術突破的消息。華為專注于技術開發(fā)，不斷取得技術進步，讓我深受觸動。我在參加國際學術會議期間，還結識了在華為工作的朋友，為他們的專業(yè)素養(yǎng)所折服。通過進一步交流，我真切感受到這家企業(yè)對技術研發(fā)的專注，這與我做研發(fā)的初心高度契合。而且華為的技術布局始終瞄準行業(yè)前沿，也更堅定了我加入華為的決心。
那時，國內功率模組產(chǎn)業(yè)尚處起步階段，但新能源產(chǎn)業(yè)正迎來爆發(fā)期，功率模組作為光伏逆變器、電驅、儲能等領域的核心部件，市場需求激增，是個難得的機遇。所以，當收到邀請時，我當即決定加入華為，希望為中國功率模組從“跟跑”到“領跑”盡一份力。
2.要做就做更先進、更可靠、更高質量的設計
問：能源模組的“自立之戰(zhàn)”是如何打響的？
郎豐群：2016年，隨著光伏逆變器種類多樣化發(fā)展和性能逐步提升，業(yè)界可獲取的功率模組已無法完全適配光伏逆變器的各類衍生產(chǎn)品。為了滿足業(yè)界需求及電源產(chǎn)品未來的健壯發(fā)展，華為數(shù)字能源（當時的網(wǎng)絡能源產(chǎn)品線）決定成立模組研發(fā)部門，扎根芯片和模組的根技術。經(jīng)過幾年的艱苦努力，我們從曾經(jīng)的幾個人、幾條槍，發(fā)展為數(shù)百人的部門，并成功實現(xiàn)了功率模組的千萬級發(fā)貨。
當時，業(yè)界普遍采用硅凝膠灌封模組這種工藝相對簡單的結構，但在高濕環(huán)境下，模組容易吸潮，影響設備可靠性，造成產(chǎn)品短路損壞，尤其會給長期暴露在高海拔、高溫、高濕等極端場景的光伏設備帶來失效的風險。
經(jīng)過深入研討討論，團隊決定走差異化路線，放棄常規(guī)方案，采用“塑封料+高強度結構”。這種“水泥包鋼筋”的方案，既抗潮、耐濕、耐高溫，還有抗機械沖擊、可靠性高、散熱性好等特點。我們的目標很明確，要做就做更先進、更可靠、更高質量的設計，通過技術領先，構建產(chǎn)品核心競爭力。
問：新產(chǎn)品研發(fā)之路必定困難重重，初代產(chǎn)品是如何誕生的？
郎豐群：當時，光伏逆變器大功率塑封模組是業(yè)界首例，沒有參考，核心挑戰(zhàn)有兩個方面：一是低空洞率高可靠性模組內部焊接技術開發(fā)，包括耐多次回流的高可靠性芯片焊接技術開發(fā)；二是大面積塑封技術的開發(fā)。
低空洞高可靠焊接，就像給芯片“鋪路”，既要焊得牢，又要傳熱快。功率芯片一工作，瞬間變身“小火爐”，熱量蹭蹭往上漲，全靠焊接層快速散熱。但如果焊接層里藏了氣泡空洞，就像路上突然多了幾個障礙物，熱量堵在半路，芯片遲早被“烤糊”！為了消除這些路障，我們深入研究焊接材料，反復試驗，最終篩選出真空回流焊接專用的高可靠焊料，既能焊得結實，又不會因二次高溫“翻車”。同時，我們還破解了空洞形成的“元兇”，優(yōu)化焊接工藝，成功攻克這一技術難題，讓散熱在芯片上最大可能暢通無阻！
大功率模組的塑封，就像給精密電子部件穿上一件“鎧甲”，需要用特殊材料像澆筑水泥一樣把模組嚴實包裹起來，既要防潮防塵，又要抗摔抗震，讓器件在惡劣環(huán)境中也能穩(wěn)如泰山。但這件“鎧甲”不好打造，塑封料太硬會像脆餅干一樣開裂，太軟又扛不住高溫；封裝時稍有不慎，內部就像千層酥一樣分層剝落；更棘手的是，陶瓷基板這個“骨架”還可能被塑封應力“勒”出裂紋。
我們像調配秘方藥劑一樣反復試驗塑封材料，又像“微雕”般精益求精優(yōu)化工藝參數(shù)和模組結構，終于讓這個“防護罩”既堅固又服帖。
初代模組研發(fā)過程中，難題接踵而至，還有一次是在EMS廠的技術攻關。當時，我們正在集中解決芯片焊接空洞問題，但到達產(chǎn)線后，就發(fā)現(xiàn)另一個棘手問題，產(chǎn)線工人頻繁對塑封模組的端子進行返工焊接。
這引起了我的警覺，我們調研后發(fā)現(xiàn)端子在焊接時因定位偏移導致懸空，造成焊接不良。真是“摁下葫蘆浮起瓢”，當時芯片焊接空洞問題還沒徹底解決，端子焊接不良的難題又冒了出來。面對雙重挑戰(zhàn)，我們不得不雙線作戰(zhàn)，同時推進兩項技術攻關。
為了盡快突破，我們與EMS工廠組建聯(lián)合攻關團隊，夜以繼日地分析、試驗、優(yōu)化。經(jīng)過近兩個月的奮戰(zhàn)，終于鎖定了問題的根源：焊接工藝參數(shù)和定位精度的匹配欠佳，并成功找到了解決方案。
這段經(jīng)歷讓我深刻認識到，真正的技術突破往往來自一線。專家只有深入現(xiàn)場，細致觀察，才能精準發(fā)現(xiàn)問題；而開放協(xié)作，與合作伙伴并肩作戰(zhàn)，才能更高效地攻克難關。
經(jīng)過一年半的協(xié)同攻關，我們成功開發(fā)出業(yè)界首款大功率塑封模組，并通過持續(xù)完善，構建起工業(yè)塑封模組的平臺能力。依據(jù)此平臺，我們衍生開發(fā)出了幾十種工業(yè)模組，并成功實現(xiàn)量產(chǎn)。
3.技術攻關就像“結硬寨”，要步步為營，多路徑并行
問：從跟跑到領跑，我們做了哪些努力？
郎豐群：光伏逆變器的模組相當于“心臟”，質量必須做好，而且既要供得上，也要供得安全。
由于工業(yè)級模組處理的電力量越來越高，模組會產(chǎn)生更多的熱量。傳統(tǒng)的模組散熱方式是通過模組和散熱器之間的導熱硅脂而實現(xiàn)散熱。然而，隨著產(chǎn)品使用壽命增加，導熱硅脂的熱性能劣化，進而造成散熱變差，模組會因過熱而失效。因此，模組的散熱性能尤為關鍵。
我們反復分析了產(chǎn)品痛點，提出了新的解決方案：將大功率塑封模組焊接在散熱器上。因為焊料的熱導率比導熱硅脂至少高一個數(shù)量級，區(qū)別就像冬天光腳踩鐵板比穿鞋站上去更“透心涼”，熱量傳導快得多！而且，模組和散熱器通過焊接合為一體，壽命也大幅延長。
這個解決方案的核心技術是模組和散熱器的大面積焊接，核心挑戰(zhàn)主要有兩個，一是大面積焊接的高可靠性，二是大面積焊接的低空洞率。我們的目標是通過材料、工藝、結構的協(xié)同優(yōu)化，降低焊接的空洞率，同時扛住長期循環(huán)熱應力，讓光伏模組能長年累月在戶外安全運行。
首先，我們要解決模組保持長期服役面臨的高可靠性難題。因模組芯片和室外環(huán)境溫差最大可達190攝氏度，模組和散熱器的大面積焊接會產(chǎn)生很大的應力，焊接層若扛不住應力便會開裂，將導致模組以及逆變器失效。
當時，我們面對這一技術難題，業(yè)界尚無成熟經(jīng)驗可循，為保障項目成功，我們篩選了一些備選焊料并設計了多重技術防線，從材料、表面處理和結構調整等方面入手。但是初期實驗結果仍不理想，焊接空洞率居高不下，項目推進面臨嚴峻挑戰(zhàn)。
為了解決可靠性技術課題，我們也準備了界面應力緩和結構方案。我們了解到國內一所大學的某種表面處理方法也許可以一試，便迅速奔赴與該大學展開技術合作，并最終成功構建了界面應力緩和技術。我們又反復調整焊料成分，經(jīng)過多次配方迭代，終于找到一款能滿足可靠性需求的合金。
首戰(zhàn)告捷后，我們在試制產(chǎn)線進行了持續(xù)材料優(yōu)化和工藝實驗，最終形成了一套完整的解決方案，并申請多項核心專利。技術攻關就像“結硬寨，打呆仗”，需要步步為營，踏踏實實推進，多路徑并行。
第二個難點，是要開發(fā)模組基板與散熱器的“低空洞率大面積焊接”的工藝。光伏逆變器的模組功率密度很高，單個模組要扛住高達六七百安培的大電流，運行時芯片溫度可達150攝氏度以上。焊點一旦有空洞，就會被擊穿，熱量散不出去，芯片就會“發(fā)燒”罷工，甚至擊穿芯片造成短路。因此，焊接對空洞率要求極高，模組和散熱器焊接核心區(qū)域的空洞率即使不到3%，散熱性能也會大幅下降。
造成焊接空洞的因素很多，這是一個系統(tǒng)工程。我?guī)ьI團隊“兩班倒”，進行技術攻關，通過“人、機、料、法、環(huán)”的分析方法，優(yōu)化焊料成分、調整真空回流過程的各個工藝參數(shù)、改良治具、優(yōu)化設備性能、建立合適的產(chǎn)品“熱場控制”……
反復實驗后，超聲檢測仍顯示樣品存在焊接大空洞，團隊屢屢受挫。最后，不少人對能否解決這個難題也產(chǎn)生了懷疑。作為專家，就應該在關鍵的時候給團隊的兄弟們信心。我告訴大家：“感覺到?jīng)]路的時候，就是有路，那些還未走過的路可能就是成功的路?！?/p>
我們連續(xù)攻關了兩個月，做了上百次實驗，又在以前的實驗基礎上，提出了新的熱場解決方案，艱難地解決了邊緣空洞問題——空洞率顯著降低，達到業(yè)界領先水平。這一突破讓我們無比振奮和激動，幾個月的連續(xù)奮戰(zhàn)終于有了結果！這些突破為后續(xù)的開發(fā)和持續(xù)構建競爭力打下了堅實的基礎。如今，這個根技術已經(jīng)被成熟應用于多款模組量產(chǎn)中，并在多條產(chǎn)線穩(wěn)定生產(chǎn)。
4.質量不是“重要”，而是“唯一”
問：在功率模組從“領先”到“量產(chǎn)”的過程中，有沒有發(fā)生讓您印象深刻的故事？
郎豐群：我印象很深的是一次是，難題攻克后，良率有波動，當時離量產(chǎn)只差“臨門一腳”，良率不穩(wěn)定的原因卻怎么也找不到，我們把各種方向都查遍了，仍一無所獲。
為了找到問題根因，我到產(chǎn)線做實驗。實驗過程中，盡管戴著塑膠手套，我依然隱隱感覺到焊片厚度不對：“兩種不同厚度的焊片可能混料了！”這聽起來挺不可思議，當時周圍的人也是將信將疑，這幾十微米怎么能靠觸感覺察出來呢？
我把那兩個不同厚度的焊片拿出來后，找了兩組人分別用不同的方法測量。結果讓所有人大吃一驚：“真的混了！”他們很好奇我是如何發(fā)現(xiàn)的，我開玩笑說：“在這行干了這么多年，就像老中醫(yī)號脈，一搭就知道癥結在哪。”其實歸根結底，秘訣就兩個詞：深入一線、雙手沾泥。產(chǎn)線的問題和答案都藏在細節(jié)里，要從實踐和分析中探究問題、解決問題
我們當即停線排查，發(fā)現(xiàn)主要還是人為失誤造成的混料，焊片來料未做批次隔離標識、倉庫未分區(qū)域存放等。
我們封存混料批次，用新料重新驗證。當良率穩(wěn)穩(wěn)爬上量產(chǎn)水平時，大家都很開心，也如釋重負。今后若要杜絕這類問題發(fā)生，必須要做好物理防錯、流程固化、人員賦能。細節(jié)決定成敗，幾微米的誤差雖能逃過系統(tǒng)，卻逃不過老匠人的手感。但真正可靠的量產(chǎn)，不能只靠“人肉防線”，必須用“防呆設計+流程鐵律”筑起防火墻。
問：2019年是很特殊的一年，面對嚴峻的外部環(huán)境，團隊如何應對？
郎豐群：隨著外部嚴峻環(huán)境進一步加劇，一些先進生產(chǎn)要素變得不可獲得，一些模組也需要我們快速頂上。我們從0到1搭建的模組技術平臺、深耕多年的模組根技術，如今正好頂上了。而且，隨著不斷發(fā)展，我們在熱、電和可靠性等方面都實現(xiàn)了業(yè)界領先，也算是“備胎轉正”，過去的艱難付出都是值得的。
之前，我們模組處于發(fā)展階段。發(fā)貨量可能是幾千個模組，現(xiàn)在功率模組垂直上量，發(fā)貨量已經(jīng)達到千萬級別，不但市場表現(xiàn)優(yōu)于友商，規(guī)模也達到了業(yè)界前列。有人說我們靠的是運氣，但我認為這得益于公司的高瞻遠矚和提前布局，這是兄弟們奮力拼搏的結果，把“后路”追趕成了“前路”。
問：您覺得作為技術專家，最重要的特質有哪些？
郎豐群：專家要接地氣，我習慣到生產(chǎn)一線去解決各種問題。比如，在產(chǎn)線檢查錫膏生產(chǎn)日期或者是檢查操作流程規(guī)范性等，這些“殺豬”的經(jīng)驗，反而讓我更懂如何用“手術刀”精準攻克技術難點。
平時有空，我還喜歡看論文、參加學術會，但核心還是扎根一線，畢竟產(chǎn)線的問題不會寫在文獻里，只有泡在現(xiàn)場才能抓住細節(jié)、判斷方向，給團隊吃下“定心丸”。
問：您如何理解質量在技術研發(fā)中的分量？
郎豐群：“質量是生命線”這句話不是口號，是用無數(shù)教訓堆出來的真理。光伏逆變器要安裝在青藏高原幾千米的山頂，也會安裝在新疆的高溫沙漠里，一旦出問題，耗費的維修成本巨大。這些極端場景下，質量不是“重要”，而是“唯一”，質量是每個細節(jié)的精準堆砌。
最直觀的對比是儲能設備的起火測試，設備一旦起火，后果會很嚴重，但我們的設備能做到“起火不蔓延”——即便單個設備箱體燒7小時，周邊設備仍能正常運行。
質量是技術的“易碎品”，一次失誤就能毀掉十年口碑。贏在技術，可能輸在細節(jié)。所以我們在做產(chǎn)品設計時，就要考慮到量產(chǎn)時可能會遇到的各種問題，提前做好準備，做好生產(chǎn)工藝的端到端看護。細節(jié)決定成敗，我們要深挖每個工序的技術細節(jié)。
5.展望未來：創(chuàng)新帶來新希望
問：您是怎么看待數(shù)字能源在功率模組焊接工藝方面的演進？
郎豐群：我們一直嘗試從系統(tǒng)的角度進行焊接技術的拓展。在材料兼容性方面，功率模組正在向高密度和高溫方向演進，但是封裝技術還沒有跟上這個演進需求。我們與公司的相關部門一起在新材料、新工藝方面持續(xù)投入，提前開發(fā)如高導熱和高可靠性焊接技術，燒結技術，擴散焊接技術等新技術。此外，在AI應用方面，為了更好控制焊接空洞，我們嘗試引入AI自動識別技術，以此來提高效率和防止漏檢等。
問：對于年輕的工程師，您有什么建議？
郎豐群：年輕的同事都很優(yōu)秀，也能吃苦，無論是韌性還是工作能力都不亞于當年的我們。時代真的在跑，但有些東西沒變，比如對細節(jié)的較真，對質量的敬畏，對研發(fā)的堅持。不管哪代工程師，只要進入工作，就得將嚴謹刻進骨子里。
我最想分享幾點心得，這幾個方面應該是相輔相成的關系：一是把研發(fā)工作當成一種樂趣，樂在其中；二是，細節(jié)決定成敗；三是深入一線，攻堅克難。有機會可以積極參加展會、學術會議和研討會等，不僅可以開拓視野，吸收宇宙能量，還有助于解決產(chǎn)品開發(fā)或生產(chǎn)過程中遇到的難題。
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