CN103229604A

CN103229604A - 回流焊装置及回流焊方法

Info

Publication number: CN103229604A
Application number: CN2011800561833A
Authority: CN
Inventors: 别芝范之; 中岛泰; 前川博敏; 石桥诚司
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2013-07-31
Also published as: WO2012070264A1; US20130200136A1; JPWO2012070264A1; DE112011103874T5

Abstract

本发明在将电力模块（12）钎焊到散热器（15）上时，把调温到焊料（13）的熔点以上的蒸汽从蒸汽发生槽（2）导入设在散热器内的流路中，将散热器（15）加热，使焊料（13）熔融。与供给到散热器（15）的蒸汽不混合地、从别的路径将惰性气体导入钎焊槽（1）内，通过压力调整，使焊料（13）内的空隙减少或冷凝，排除空隙的不良影响。

Description

回流焊装置及回流焊方法

技术领域

本发明涉及在钎焊槽内钎焊电力模块（power module）时使用的回流焊装置及回流焊方法。

背景技术

在已往的蒸汽方式回流焊方法中，在沸点为焊料熔点以上的惰性液体的蒸汽环境中，将预先在被钎焊部上涂敷了材料之物加热熔融，用300ppm以下的氧浓度进行钎焊，可实现焊料润湿性好的钎焊（例如参见专利文献1）。

但是，已往的该回流焊方法，由于必须在蒸汽环境中加热，所以，存在不能将环境减压而不能获得抑制焊料空隙的有效对策的问题。另外，由于不能通过还原气体置换来提高润湿性，所以，必须涂敷焊糊、焊剂等。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003－19590号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的是提供能抑制空隙且实现良好的焊料润湿性的回流焊装置及回流焊方法。

解决课题的技术方案

本发明的回流焊装置，具有涂敷了焊料的被钎焊工件、收容用于加热上述被钎焊工件的加热体的钎焊槽、将上述钎焊槽内的压力减压的真空泵、将惰性气体导入上述钎焊槽内的置换气体槽、将调温后的热传导介质供给到设在上述加热体的内部的流路内的热传导介质供给槽；上述热传导介质相对于上述加热体的导入和排出是经过与上述钎焊槽的内部空间隔开的路径进行的，利用由上述加热体的热而熔融的上述焊料来进行上述被钎焊工件的钎焊；上述热传导介质是将沸点为上述焊料的熔点以上的惰性液体加热而得到的蒸汽、或惰性液体。

本发明的回流焊方法，具有以下工序：将涂敷了焊料的被钎焊工件配置在钎焊槽内的加热体上；将上述钎焊槽内减压；将惰性气体导入上述钎焊槽内；将调温到上述焊料的熔点以上的热传导介质，通过与上述钎焊槽的内部空间隔开的路径，供给到设在上述加热体内的流路，从而将上述加热体和上述被钎焊工件加热而使上述焊料熔融；将上述钎焊槽内减压，使上述焊料内的空隙减少；将上述钎焊槽内的压力形成为常压以上的压力，使上述焊料凝固。

发明效果

根据本发明的回流焊装置，由于把导入钎焊槽内的惰性气体和导入加热板的热传导介质的流路分隔开，所以，可用各自的系统来实施用于抑制空隙的钎焊槽内的气压调节和用于提高焊料润湿性的加热体的温度调整。

根据本发明的回流焊方法，能严格控制加热体的温度，并且，将收容被钎焊工件的钎焊槽内减压而使空隙减少，之后，在常压以上的压力下使焊料凝固，所以，能更加减小焊料内的空隙，减小空隙的不良影响。

附图说明

图1是表示本发明实施方式1的回流焊装置的构造图。

图2是说明本发明的电力模块的剖面构造图。

图3是表示本发明实施方式2的回流焊装置的构造图。

图4是表示本发明实施方式3的回流焊装置的构造图。

图5是表示本发明实施方式4的回流焊装置的构造图。

图6是表示本发明实施方式5的蒸汽配管的主要部分的剖面构造图。

具体实施方式

实施方式1

利用图1和图2来说明本发明的实施方式1。图1是表示本发明实施方式1的回流焊装置的构造图。在钎焊槽1内配置平板状的加热板（相当于加热体）11。从热传导介质供给槽即蒸汽发生槽2伸出的蒸汽配管（相当于配管部）8，经由接头部（加热板管）10，安装在加热板11上。另外，在钎焊槽1上，固定连接着来自真空泵3的配管和来自置换气体槽4的配管。在蒸汽发生槽2的底部，设置着加热器7。在加热器7上，固定着装有惰性液体5的惰性液体箱6。在钎焊槽1内，底板14配置在支承台9上的加热板11上。在底板14上，形成了焊料13的层，电力模块12经由该焊料13载置在底板14上。这里，被钎焊工件相当于底板14、焊料13和电力模块12的层叠体。另外，借助焊料13而与电力模块12成为一体的底板14在焊料13热硬化后被取出到钎焊槽1的外部，而加热板11是钎焊槽1所具有的结构，所以，仍保持于支承台9等而残留在槽内。

图2例示电力模块12的剖面图。图2的电力模块12是例如利用模制树脂（环氧树脂）21的树脂密封式的模块，在其内部配置着功率半导体元件23。该功率半导体元件23，借助内部焊料24固定在金属板（热散布器）25上，另外，借助内部焊料24，固定着与外部进行通信用的端子22。另外，在电力模块12的底面具有金属箔27，该金属箔27具有与焊料13接合的金属面。这里，表示电力模块12的形状和尺寸例。该电力模块12，在金属板25与底面之间具有垂直投影的外形比金属板25大的绝缘树脂层26和金属箔27，该金属箔27露出于电力模块12的底面。

金属箔27是100μm的铜箔。绝缘树脂层26是含浸了BN填充物的200μm厚的环氧树脂层。金属板25是厚度为1mm至3mm的铜板。功率半导体元件23是厚度为200μm的硅。金属板25与功率半导体元件23之间的内部焊料24是由Sn和添加元素构成的厚度为50μm至200μm的层。添加元素是Ag、Cu、Ni、Sb、In、Bi等。

对该被树脂密封着的电力模块12加热而达到了内部焊料24的熔点以上的温度时，会产生内部焊料24体积膨胀而沿着内部的界面扩展并将模制树脂21划开、流出到外侧的问题，所以，在电力模块12的钎焊过程中，存在不能将电力模块12的温度加热到内部焊料24的熔点以上的课题。

本发明实施方式1的回流焊装置构成为，具有：收容涂敷了焊料13的被钎焊工件和加热该被钎焊工件的加热体（加热板11）的钎焊槽1、将钎焊槽1内的压力减压的真空泵3、将惰性气体导入钎焊槽1内的置换气体槽4、以及把调温后的热传导介质供给到设在加热板11内部的流路内的热传导介质供给槽（蒸汽发生槽2），热传导介质对加热板11的导入和排出是经过与钎焊槽1的内部空间隔开的路径进行的，利用被加热板11的热而熔融了的焊料13来进行被钎焊工件的钎焊。所以，通过把蒸汽（热传导介质）导入设在加热板11内部的流路，使得加热板11的内部温度保持为不超过惰性液体的沸点的温度。因此，底板14的温度被加热到与惰性液体的沸点相等的温度。即，可把调温至惰性液体的沸点温度的热传导介质导入加热板11。结果，回流焊装置，对焊料13的熔点，能严格地规定加热温度。

这里，电力模块12的内部焊料24的熔点，必须比用于将底板14和电力模块12接合的焊料层13的熔点高。但是，在所谓的铅回流焊中，不存在具有大熔点差的焊料，例如，只能得到20度左右的差。即，在这样的电力模块12的安装中要求在内部焊料24和焊料13的熔点差的范围内能严格地规定加热温度的钎焊方法，而本加热方式可以实现。

另外，电力模块12与底板14之间的焊料13，不仅要有接合固定的功能，也需要有散热功能。为此，由于焊料13内存在空隙、即由于存在隔热而导致功率半导体元件23的温度上升超过容许值的危险，所以，必须严格控制最大空隙的大小。为此，在本发明的回流焊装置中，具有真空泵3和置换气体槽4，用与使焊料13熔融的热传导介质不同的系统，将钎焊槽1内减压，另外，用置换气体，把内部空间的环境置换为惰性环境，这样，可实现空隙尺寸的控制。

在此，说明本发明的回流焊方法。

首先，把糊状的焊料13涂敷在底板14上而形成焊料层，把电力模块12放置在该焊料13上，利用焊料13进行贴合部件的层叠。电力模块12的内部焊料24例如其成分是Sn－5Pb，熔点是235℃。焊料13例如其成分是Sn－3.5Ag－0.5Bi－8In，熔点是214℃。但并不限定于上述例子，只要是焊料层13的熔点比内部焊料24的熔点低10℃以上的组合即可（步骤1）。

接着，把在步骤1得到的工件以与底板14接触的方式放置在钎焊槽1内的加热板11上（步骤2）。

然后，用真空泵3将钎焊槽1内减压，从置换气体槽4导入惰性气体，从而使钎焊槽1内成为常温的惰性环境。该惰性气体是低氧浓度的气体，例如是N₂、H₂、或它们的混合气体（步骤3）。

然后，用蒸汽发生槽（热传导介质供给槽）2内的加热器6将惰性液体箱6内的惰性液体5加热而产生蒸汽，利用该蒸汽，把加热板11加热到焊料13的熔点以上的温度。这时的惰性液体5是例如Galden，其沸点是225℃。因此，从蒸汽发生槽2经过蒸汽配管8导入加热板11内部的蒸汽的温度被调温到225℃，加热板11的温度也可被加热到225℃。由于电力模块12的内部焊料24的熔点是235℃，所以，内部焊料24不熔融，由于焊料13的熔点是214℃，所以，该焊料13的焊料熔融，可将底板14和电力模块12钎焊。这样，一边用真空泵3将钎焊槽1内减压，一边使加热板11升温，从而在熔融状态的焊料13中，被捕捉到焊料层内的气体膨胀，从电力模块12的下面向外部移动（越被减压升温则越膨胀的气泡到达焊料层的边缘），到达了边缘端部时，排出到焊料13的外侧，这样，空隙被消除（步骤4）。

在该步骤4中，惰性液体5的沸点必须在焊料13的熔点以上，并且低于内部焊料24的熔点。目前已知的惰性液体，由于是混合物，其沸点具有±3℃左右范围的偏差。例如，纯水的沸点是100℃，但是例如与乙醇混合时，则没有明确的沸点，同样地，混合物的沸点有一定程度范围的温度偏差。

另外，当温度控制不充分而致使内部焊料24熔融了时，会产生5%左右的体积膨胀，内部压力增大，将密封树脂破坏，使相互绝缘的导体产生短路等。为了防止产生这样的问题的发生，考虑到混合物沸点的偏差，必须确保惰性液体的沸点相对于内部焊料24及焊料13的熔点的温度差。

在上述步骤4，说明了把加热板11加热到惰性液体5的沸点温度，但是，其升温过程优选分成二个阶段。在第一阶段，在即将达到焊料13的熔点之前，暂时保持温度，使底板14和电力模块12的接合面温度均匀化。在第二阶段，升温到超过焊料13的熔点的温度，这样，可降低焊料13熔融时的、底板14和电力模块12的温度背离。

另外，通过用未图示的隔热材料覆盖加热板11和电力模块12，可以抑制从电力模块12向钎焊槽1的散热，可以将需要严格控制的电力模块12的内部焊料24的温度上升抑制到最小限度。

然后，从置换气体槽4把低氧浓度的气体（N₂、H₂、或它们的混合气体）导入钎焊槽1内部，恢复成常压，然后，关闭加热器7，停止蒸汽发生槽2的供给，将工件的温度降低到焊料13的熔点以下（步骤5）。

在前工序的步骤4中，即使存在未变大到能到达焊料13的边缘（焊料层露出的表面部）的气泡，通过在该步骤5中恢复到常压，空隙的体积也会被压缩而减小到不妨碍散热程度的尺寸。因此，可以在焊料13中不存在妨碍热传导的空隙的状态下使焊料13凝固，完成工件的钎焊。

另外，如果更积极地进行使焊料13凝固的冷却，则可以缩短处理时间，为此，例如，把焊料13的熔点以下的气体或液体导入加热板11的热传导介质的流路中就是一个方法。也可以通过设置导入惰性液体5用的蒸汽配管（配管部8）以外的配管而来与加热板11的流路连接、从而将冷却介质注入加热板11的方法，或者，用冷却装置将惰性液体5冷却、并采用与加热时相同的流路注入加热板11等的方法，由此可将加热板11冷却来促进焊料13的凝固。

另外，在步骤5，表示将焊料13凝固时的钎焊槽1内部的压力变成为常压的例子，为了降低空隙的不良影响，把钎焊槽1内的压力变成为常压或更高压的环境是有效的，必须是在常压或更高压的环境下焊料开始凝固的过程。

例如，在焊料13的温度降低到凝固点前不恢复到常压（低压的）的情况下，在空隙的压缩途中，焊料13变硬，这样，就会残留下较大的空隙。为此，优选在把低氧气体供给到钎焊槽1时，施加压力成为常压以上，使得焊料13内的空隙比常压时更小，在该状态下，将焊料13的温度降低到凝固点，使其凝固，这样，与在常压下使其凝固相比，能进一步减小空隙尺寸。

这样，通过将焊料加热用的惰性液体和减少钎焊时的空隙的气体以相互不混合的状态用于钎焊，结果，可提高焊料13的润湿性，同时能实现低空隙的钎焊。如果把惰性液体气化后的气体直接导入钎焊槽1内的环境中，则会产生在减压时不能加热的问题。但是，在采用本回流焊装置的钎焊方法中，由于气体的系统是分离的，所以，能解决上述问题。

另外，在图1中，表示在蒸汽发生槽2上连接着2根蒸汽配管8的例子。可以将被加热到焊料熔点以上温度的蒸汽从蒸汽发生槽2的上方部经由与加热板11连接的配管供给到加热板11，使蒸汽从加热板11经由与蒸汽发生槽2的下方部连接的配管返回到蒸汽发生槽2，通过这样的循环，利用热的蒸汽上升、冷却后下降的性质，可以使热传导介质循环。另外，为了使加热板11内的温度均匀化，可以采用将蒸汽导入方向形成为多方向等方法，从而设在加热板11的热传导介质的流路遍布在加热板11内。

另外，上面说明了将惰性液体5加热而得到蒸汽并把该蒸汽作为热传导介质供给到加热体的例子。但是，也可以采用在焊料13的熔点下为液体状态的物质，把该液体作为热传导介质供给到加热体，这样也能得到同样的效果。这时，作为热传导介质供给槽，不是蒸汽发生槽2，而是液体调温槽，另外，必须对应地设置输送从该槽供给的高温液体的泵。

在上述例子中，作为加热体，示出了作为板状部件的加热板11。但是，也可以采用别的形状的加热体，即使是板状以外的形状，只要能与被钎焊工件密接而能进行加热板11的热传导的构造的部件即可。另外，图1中，表示了加热板11配置在钎焊槽1内以具有水平的工件载置面的例子。但是，只要工件能覆盖工件载置面，当然也可以使加热板11的工件载置面成为垂直地将加热板11竖立配置，或者朝别的方向配置。

实施方式2

在上述实施方式1中，表示了把被钎焊工件配置在加热板11的一个面上进行钎焊的例子。但是，也可以如图3的实施方式2的回流焊装置要部剖面构造图所示那样，把被钎焊工件分别载置在加热板11的两面上。如图3所示，使被钎焊工件与加热板11的背面侧接触时，为了防止工件掉落，在钎焊槽1内配置用于支承底板14和支承电力模块12的支承台9，通过这样的手段等，在支承着工件的状态下进行钎焊。

另外，也可以将加热板11垂直地竖立配置在钎焊槽1内，这时也同样地，用支承部件使工件与加热板11密接地保持固定、或者在加热板11侧设置吸引保持机构而成为吸引保持的状态等，必须一边防止工件掉落，一边进行钎焊处理。

实施方式3

在上述实施方式1中示出了，加热体是加热板11，加热板11固定设置在钎焊槽1的内部，使被钎焊工件与该加热板11接触而被加热，进行钎焊。在该实施方式3中对如下构成的回流焊装置和回流焊方法进行说明，如图4的实施方式3的回流焊装置的要部剖面构造图所示那样，加热体是作为被钎焊工件一部分的散热器（heat sink）15，把电力模块12钎焊在散热器15本身上，作为整体的被钎焊工件（包含散热器15、焊料13、电力模块12），从钎焊槽1中取出。

散热器15是平板形状，在内部具有作为热传导介质流路的密闭空间，该散热器15具有作为导入惰性液体5气化后的蒸汽的配管的入口和出口的接头部（散热器管）10。散热器15的流路和蒸汽发生槽2通过蒸汽配管8连接着。另外，与实施方式1同样地，惰性液体气化后的气体系统和钎焊槽1内的系统是分离的。

利用本实施方式3的回流焊装置，能够将电力模块12以低空隙连接到散热器15上。作为散热器15，例如可以采用厚度10mm左右的、内部有制冷剂流路的装置。

在散热器15上进行钎焊的本实施方式3中，把散热器15安装到钎焊槽1的内部，以在引入到钎焊槽1内部的蒸汽配管8上连接散热器15侧的连接部即接头部（散热器管）10而使散热器15的热传导介质流路和蒸汽配管8连接，之后，在散热器15的上面部涂敷膏状的焊料13。然后，按如下顺序进行处理：把电力模块12放在焊料13上，进行钎焊，在焊料13凝固后，从接头部10处切离散热器15，从钎焊槽1中取出钎焊处理后的被钎焊工件（包含接头部10。另外，接头部10有时是将散热器15的一部分切削加工后的整体形状）。也可以在蒸汽配管8上设置与接头部10的接合部，可便于装卸。

散热器15的材料优选采用铝或铜。要将这种厚度10mm的热容量大的物体加热到严格的温度是极困难的，但是，根据本钎焊装置，可在将散热器保持为惰性液体的沸点的状态下进行减压钎焊。

实施方式4

下面，用图5说明本发明的实施方式4。实施方式4也与实施方式3同样地，被钎焊工件是利用焊料13将散热器15和电力模块12形成为一体化的构造。在实施方式3中，表示把电力模块12经由焊料13只载置在平板状散热器15的、水平方向扩展的上面上的例子。但是，在该实施方式4中，不仅在电力模块12的上面涂敷了焊料13，在背面也涂敷了焊料13，可以在使散热器15两侧的焊料13分别覆盖着电力模块12的状态下，一边用支承台9保持电力模块12，一边同时地将多个电力模块12一并钎焊。由于采用使惰性液体气化的方式，所以，可以对散热器15的表面温度进行严格的温度控制，可以不使内部焊料24熔融地进行双面钎焊。

另外，在实施方式3、4中，表示在钎焊槽1内、平板状散热器15的平面设置成水平方向地与接头部10接合的例子。但是，也可以设置附加的支承部件，该支承部件经由焊料13使电力模块12接合并密接保持在散热器15的面上，这样，也可以将散热器15以竖立的状态保持在钎焊槽1内。

实施方式5

下面，说明本发明的实施方式5。在实施方式3～4中，蒸汽配管8安装在与散热器15连接着的接头部10上，必须是可装卸的构造。另外，在钎焊过程中，由于将钎焊槽内减压，在减压状况下收缩的材料中，应力集中在蒸汽配管8和接头部10的结合部分，有可能产生蒸汽泄漏。

为此，在本实施方式5中，如图6所示，把蒸汽配管8的、至少与接头部10接合的接合部位或全部做成波纹构造的伸缩性接头8a，这样，可使波纹部分吸收并分散应力，避免应力集中在结合部。采用该波纹构造的伸缩性接头8a，不仅在减压过程中，在把散热器15安装或取出钎焊槽1的作业时，在连接或切离接头部10和伸缩性接头8a之际，作业的容许度增加，得到可有效地进行处理的效果。

另外，在实施方式1中，也可以同样地，把与接头部10连接的蒸汽配管8的一部分置换成为上述的伸缩性接头8a，这样，在钎焊过程的减压工序中，当然也可以获得能使应力分散的效果。

产业上的可利用性

本发明适用于把电子零件钎焊到印刷配线基板那样的板状的被钎焊工件上的作业。

附图标记的说明

1…钎焊槽，2…蒸汽发生槽（热传导介质供给槽），3…真空泵，4…置换气体槽，5…惰性液体，6…惰性液体箱，7…加热器，8、8b…蒸汽配管（配管部），8a…伸缩性接头，9…支承台，10…接头部，11…加热板，12…电力模块，13…焊料，14…底板，15…散热器，21…模制树脂，22…端子，23…功率半导体元件，24…内部焊料，25…金属板（热散布器），26…绝缘树脂层，27…金属箔

Claims

1.一种回流焊装置，其特征在于，具有涂敷了焊料的被钎焊工件、收容用于加热上述被钎焊工件的加热体的钎焊槽、将上述钎焊槽内的压力减压的真空泵、将惰性气体导入上述钎焊槽内的置换气体槽、将调温后的热传导介质供给到设在上述加热体的内部的流路内的热传导介质供给槽；上述热传导介质相对于上述加热体的导入和排出是经过与上述钎焊槽的内部空间隔开的路径进行的，利用由上述加热体的热而熔融的上述焊料来进行上述被钎焊工件的钎焊；上述热传导介质是将沸点为上述焊料的熔点以上的惰性液体加热而得到的蒸汽、或惰性液体。

2.如权利要求1所述的回流焊装置，其特征在于，上述加热体是固定设置在上述钎焊槽的内部的板状部件，构成为与上述被钎焊工件接触地配置，在上述加热体的一面或两面配置上述被钎焊工件。

3.如权利要求2所述的回流焊装置，其特征在于，上述加热体是用上述焊料接合在上述被钎焊工件上而被一体化的板状部件的散热器。

4.如权利要求1至3中任一项所述的回流焊装置，其特征在于，具有从上述热传导介质供给槽引入到上述钎焊槽内的、输送上述热传导介质的配管部，上述配管部由波纹构造的伸缩性接头构成。

5.一种回流焊方法，其特征在于，具有以下工序：

将涂敷了焊料的被钎焊工件配置在钎焊槽内的加热体上；

将上述钎焊槽内减压；

将惰性气体导入上述钎焊槽内；

将调温到上述焊料的熔点以上的热传导介质，通过与上述钎焊槽的内部空间隔开的路径，供给到设在上述加热体内的流路，从而将上述加热体和上述被钎焊工件加热而使上述焊料熔融；

将上述钎焊槽内减压，使上述焊料内的空隙减少；

将上述钎焊槽内的压力形成为常压以上的压力，使上述焊料凝固。

6.如权利要求5所述的回流焊方法，其特征在于，还包含以下工序：

将连接于上述加热体即散热器的接头部，连接到设在上述钎焊槽内并导入惰性气体的配管部；

在将上述被钎焊工件钎焊到上述散热器上后，将上述接头部和上述配管部切离，将上述散热器从钎焊槽中取出。

7.如权利要求6所述的回流焊方法，其特征在于，作为上述热传导介质，采用将沸点为上述焊料的熔点以上的惰性液体加热而得到的蒸汽。

8.如权利要求5或6所述的回流焊方法，其特征在于，作为上述热传导介质，采用被加热到上述焊料的熔点以上的惰性液体。