CN103934534B - 一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，利用原材料表面1:1搪锡，实现空洞率小于5%的高钎焊率，属于电子装联技术领域。本发明采用SiC-Al复合材料功率外壳替代10#钢外壳，降低产品重量；采用真空焊接代替再流焊接，采用焊片搪锡替代焊膏，有助于去除由于焊剂排出不及时造成的气泡残留，降低了界面空洞率，并且真空焊接后不需要再进行清洗焊剂；真空焊接时，厚膜基板和功率外壳之间不再加焊片，可以有效去除焊片表面氧化带来的焊接空洞，通过对厚膜基板和功率外壳进行搪锡去除二者表面的氧化膜，得到洁净的被焊表面，提高润湿性能，焊接过程中排气通道更加顺畅。
Description
技术领域
本发明涉及一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，利用原材料表面1:1搪锡，实现空洞率小于5%的高钎焊率，属于电子装联技术领域。
背景技术
随着宇航功率电子产品不断朝着小型化、轻量化发展，传统的大功率模块电源正在朝着厚膜模块转型。厚膜模块是将传统大功率模块电源中的功率元器件（如功率MOS管）用裸芯片的方式替代，从而达到减小体积和重量的目的，而裸芯片对散热的要求很高，因此需要将其安装在厚膜陶瓷基板和功率外壳上，以形成良好的散热通道。
大功率电源产品功率密度高，传输电流大，要求实现功率芯片与基板之间，基板与功率外壳之间的无缺陷焊接，才能够保证大电流的低电阻传输，同时为功率芯片的热传导提供良好的散热通道。而厚膜基板与功率外壳焊接界面的空洞率一直是人民关注的焦点，空洞率过高将增加热阻和缩小接头承载面积，从而降低导热性能和接头强度。
随着宇航产品对轻量化的要求，传统的10#钢功率外壳在重量方面往往不能满足要求，采用新型的轻质功率外壳成为发展方向。同时传统的10#钢与功率外壳焊接采用再流焊的工艺进行，其界面空洞率较大。从而对厚膜基板与轻质功率外壳的焊接工艺提出了新的挑战。
发明内容
本发明的目的是为了，克服现有技术的不足，提出一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，步骤为：
（1）制作轻质SiC-Al复合材料功率外壳，采用玻璃绝缘子实现引脚与外壳基体的绝缘。
（2）制作大小相同的两块焊片。
（3）采用步骤（2）中的两片焊片分别对厚膜基板和步骤（1）中得到的功率外壳进行搪锡处理，搪锡时将厚膜基板和功率外壳分别放置在加热台进行预热；待搪锡后冷却到室温，并在无水乙醇溶液中清洗干净；
（4）将功率外壳放置在一块导热块上，然后将厚膜基板放置在功率外壳的上面，再在厚膜基板上放置一块压块，得到的产品命名为工件；
（5）将步骤（4）得到的工件放置在真空炉中的加热平台上，开始抽真空并加热，进行真空焊接。
所述步骤（1）中SiC体积分数为60%，以保证厚膜基板与功率外壳焊接后不会发生变形。
所述步骤（2）中每片焊片尺寸应为厚膜基板外形尺寸的一半，可保证厚膜基板的搪锡量与功率外壳的搪锡量一致同时保证焊缝厚度为焊片厚度。
所述步骤（3）中搪锡预热温度为140-160℃，温度过低则预热效果不明显，搪锡流动性差，温度过高则对镀层质量造成影响；同时焊片搪锡应布满整个焊接面，保证后续焊接均匀。
所述步骤（4）中导热块与功率外壳的接触面积尽量大，保证传热的均匀性。
所述步骤（4）中压块施加的压力范围1～10N。
有益效果
本发明采用SiC-Al复合材料功率外壳替代10#钢外壳，降低产品重量；采用真空焊接代替再流焊接，采用焊片搪锡替代焊膏，有助于去除由于焊剂排出不及时造成的气泡残留，降低了界面空洞率，并且真空焊接后不需要再进行清洗焊剂；真空焊接时，厚膜基板和功率外壳之间不再加焊片，可以有效去除焊片表面氧化带来的焊接空洞，通过对厚膜基板和功率外壳进行搪锡可以去除二者表面的氧化膜，得到洁净的被焊表面，提高润湿性能，焊接过程中排气通道更加顺畅。将厚膜基板与轻质功率外壳的焊接界面气泡率由采用再流焊接工艺焊后的30%降低为小于5%，即显著提高钎焊率，以满足大功率电源产品的高可靠要求。
本发明通过采用选用密度低的轻质Al-SiC复合材料替代传统的10#钢材料作为功率外壳减轻产品重量；通过采用焊片搪锡的方式替代传统焊膏作为焊料。传统的焊膏中含有助焊剂，助焊剂可有效去除焊料和焊盘表面的氧化层，提高焊接可靠性，但同时易产生焊剂残留，造成脱粘。同时使用焊膏进行再流焊，气泡逸出往往不完成，焊缝凝固时形成气孔。脱粘和气孔残留共同构成焊接面的空洞。采用真空焊接方法不需要再加入焊剂，同时在真空下更有利于气泡逸出，空洞率降低。
本发明采用焊片预先搪锡在被焊接材料表面的真空焊接方法，取代传统的在被焊材料中间预置焊片的方法，可以有效去除焊片表面的氧化膜，不需要再额外对焊片进行等离子清洗，并且可能引入空洞的界面由两个面减少为一个面，将进一步降低空洞率，并且不再依赖等离子清洗。
附图说明
图1为采用本发明的方法焊接界面的X光照片；
图2为采用焊膏再流焊接方法的焊接界面的X光照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
（1）功率外壳结构为双列直插型外壳；功率外壳采用轻质Al-SiC复合材料，SiC体积分数为60%，采用玻璃绝缘子实现引脚与外壳基体的绝缘；功率外壳的两端为等腰三角形的安装耳，中间为长方形焊接面，焊接面的长为53mm，焊接面的宽度为28mm，焊接面的厚度为1.5mm，安装耳的腰长为17mm，安装耳的厚度为2mm；功率外壳的四个角上各有一个支撑柱，功率外壳上有十个引脚，其中四个引脚穿过焊接面；
Al-SiC复合材料的热膨胀系数比无氧Cu低一半以上，比10号钢略低，且在一定范围内精确可控，比重仅为10号钢的三分之一。另外，Al-SiC复合材料具备优异的尺寸稳定性，与其它封装金属相比，机加工及钎焊引起的畸变最小。
将加工完成的Al-SiC复合材料功率外壳进行表面镀Ni/Au，镀层厚度为10μm，以便于焊接。
厚膜基板为氧化铝陶瓷基长方形板，长方形板留有支撑柱和四个引脚的避让缺口；
（2）将锡铅（Sn63Pb37）焊片对照厚膜基板的外形尺寸进行1:1裁剪，再将该焊片对中裁剪成两个相同大小的焊片，焊片的厚度均为120μm；
（3）采用步骤（2）中得到的两片焊片分别对厚膜基板和功率外壳进行搪锡处理，搪锡时将厚膜基板和功率外壳分别放置在加热台进行预热，预热温度为150℃；待搪锡后冷却到室温，将二者在无水乙醇溶液中清洗干净；此时焊片上的氧化膜将被清除。
（4）将功率外壳放置在一块导热块上，然后将厚膜基板放置在功率外壳的上面，再在厚膜基板上放置一块压块；
导热块为铜材质的长方体，长为40mm，宽为15mm，高为20mm；
压块为铜材质的长方体，压块施加的压力为F=1N，长为30mm，宽为15mm，高为10mm；
（5）将步骤（4）得到的产品放置在室温的加热平台上，并将加热平台置于真空炉腔体内，开始抽真空，直到真空度小于50Pa，此时产品的温度为室温；控制加热平台对产品进行预热，预热温度为150℃并保温10min；继续加热到220℃，并保温10min；然后对真空炉腔体回填大气，使产品所在的真空炉腔体内的气压重新回到大气压；自然降温直到室温，完成焊接。
将上述方法得到的产品的焊接界面用X光进行照射，得到的X光照片如图1所示；
而采用焊膏进行再流焊得到的焊接界面X光照片如图2所示，从图1和图2中可见采用再流焊工艺，厚膜基板与功率外壳的焊缝中存在较多的气泡；而采用本发明的方法焊接后，气泡大幅降低。
试验证明使用本发明的焊接方法不需再对焊片进行等离子清洗，显著降低厚膜基板与功率外壳界面的空洞率至3%以下，从而减少功率芯片的热阻，满足航天器大功率电源产品及其他功率电子产品中功率芯片的散热需要。
本发明还可推广适用于所有需要采用软钎焊，同时对焊后气泡率要求高的高可靠性电路产品中。包括大功率芯片与电路板的焊接，如MOS管、IGBT模块等；LTCC电路基板与管壳的焊接，如微波电路、T/R组件等；高可靠性BGA等元器件的焊接。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知技术。
Claims (5)
1.一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，其特征在于步骤为：
(1)制作轻质SiC-Al复合材料功率外壳，将加工完成的SiC-Al复合材料功率外壳进行表面镀Ni/Au，采用玻璃绝缘子实现引脚与外壳基体的绝缘；
(2)制作大小相同的两块焊片；
(3)采用步骤(2)中的两片焊片分别对厚膜基板和步骤(1)中得到的功率外壳进行搪锡处理，搪锡时将厚膜基板和功率外壳分别放置在加热台进行预热；待搪锡后冷却到室温，并在无水乙醇溶液中清洗干净；
(4)将功率外壳放置在一块导热块上，然后将厚膜基板放置在功率外壳的上面，再在厚膜基板上放置一块压块；
(5)将步骤(4)得到的工件放置在真空炉中的加热平台上，开始抽真空并加热，进行真空焊接。
2.根据权利要求1所述的一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，其特征在于：步骤(1)中SiC体积分数为60％。
3.根据权利要求1所述的一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，其特征在于：步骤(2)中每片焊片尺寸为厚膜基板外形尺寸的一半。
4.根据权利要求1所述的一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，其特征在于：步骤(3)中搪锡预热温度为140-160℃。
5.根据权利要求1所述的一种厚膜基板与功率外壳的真空焊接方法，其特征在于：步骤(4)中压块施加的压力范围1～10N。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160330 |