CN104625461B - 一种高性能预成型焊片及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能预成型焊片及其焊接方法，该焊片包括预成型焊片结构，预成型焊片结构包括焊片基体和金属丝网，金属丝网位于焊片基体的内部，焊片基体完全包覆金属丝网。该方法为：将预成型焊片放置到待焊接件中预定的焊接位置，将焊接件放入焊接炉中，将带有易挥发的弱酸性溶剂放入焊接炉腔体内部；通入惰性气体，进行抽真空，按照特定的温升曲线进行加热，在温升达到某一阶段后，弱酸性溶剂开始挥发，直至所挥发出来的气体充满整个焊接炉腔体；继续升温，在温升达到具有更高温度后，预成型焊片开始熔化。本发明具有可保证大面积焊层内部厚度的均匀性、能有效提高焊层质量等优点，不需要后续清洗工序，工艺简单，节约成本。

Description

一种高性能预成型焊片及其焊接方法

技术领域

本发明主要涉及到焊接结构领域，特指一种高性能预成型焊片及基于高性能预成型焊片的焊接方法。

背景技术

目前，基于焊膏材料的焊接工艺是功率电子模块封装的主要工艺之一，芯片/衬板、衬板/基板之间的焊接通常采用钎焊进行焊接，以锡铅合金作为钎料的锡焊工艺最为常用。但是，由于软焊膏材料的粘度、湿度、侵润性等材料性能，以及回流焊接工艺条件的影响，将会导致回流焊层厚度不均匀，在界面处产生大量的空洞及非连续性焊点（即虚焊），这些尺寸较大的空洞及非连续性焊点会使模块内部热传导不均匀，传热效率低下，热阻增加，成为导致功率电子模块在温度循环或功率循环时发生热疲劳失效的主要诱导因素之一。特别对于大面积的基板焊接，此问题尤为突出。

另外，常用的焊膏材料中一般都含有大量的钎剂（即助焊剂），以达到清除焊接件表面氧化膜、改善焊料润湿性能的目的。由于基板焊接面积比较大，涂覆的焊膏量比较多，在回流过程完成后会在元件表面和焊接设备内壁会残留大量助焊剂，使用目前离线式的水清洗设备很难将元件清洗干净，但如果选用在线式清洗设备，则需要耗费大量的去离子水，而且能耗大。基板焊接完成后，如果不能将陶瓷衬板边缘残留的助焊剂清洗干净，将直接影响到功率电子模块长期可靠性。

在中国专利申请《晶体管焊接层厚度的控制方法及焊接层结构》（申请号：201110413105.6）中公开了一种晶体管焊接层厚度的控制方法及焊接层结构，在采用焊片将半导体晶体管的管芯焊接在底座上时，采用两种不同熔化温度的焊片来进行焊接，在焊接时通过高温焊片的厚度来调节控制焊接层的厚度，即通过高温焊片底部的低温焊片将高温焊片焊接在底座上，通过高温焊片上部的低温焊片将管芯焊接在高温焊片上。这种方法看似比较简单，但实际上存在较大的不确定因素，当高温焊片熔化时，炉体内的实际温度已经远超出低温焊片的相变温度，在熔融状态下两种不同熔点的焊片已经无法区分其物理界面，所以这种焊接方法实际上是一种掩耳盗铃的做法。而且三种不同厚度的焊片在与晶闸管芯片、基板焊接之前的也需要特殊的夹具进行固定。

在中国专利CN102123562B《采用回流焊接制作金属基板的方法》中提出了一种利用钢网丝印超高温锡膏和焊接夹具通过回流焊接工艺制作金属基板的方法，该发明采用超高温锡锑锡膏将高频PCB板与金属基复合材料的金属底板焊接在一起。由于所述金属基板的最大焊接面积可达250mm×100mm，虽然使用钢网丝印技术可将如此大面积的焊膏印刷到金属基板上，但是由于焊接面积高达25×10³mm²，在回流焊接过程中不可避免会出现大量空洞或非连续性焊点，更糟糕的情况将会导致PCB板和金属底板的界面处产生大量焊接残留物。

因此，如何提高真空回流焊接中焊层厚度的均匀性，降低焊层空洞率，避免焊层周边及内部的焊剂残留物，提高焊层的焊接质量，对于改善功率电子模块的可靠性及寿命至关重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可保证大面积焊层内部厚度的均匀性、有效提高焊层质量的高性能预成型焊片及基于高性能预成型焊片的焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高性能预成型焊片，包括预成型焊片结构，所述预成型焊片结构包括焊片基体和金属丝网，所述金属丝网位于焊片基体的内部，所述焊片基体完全包覆金属丝网。

作为本发明的进一步改进：所述金属丝网的厚度小于焊片基体的厚度。

作为本发明的进一步改进：所述金属丝网的横截面形状为圆形、菱形、正方形、长方形、三角形、椭圆形、六边形、“Τ”形、“┴”形、“L”形、“Ι”形、“┼”形中的任意一种。

作为本发明的进一步改进：所述金属丝网的网格形状为菱形、正方形、长方形、三角形、椭圆形、五边形、六边形中的任意一种或者多种形状组合。

作为本发明的进一步改进：所述金属丝网的尺寸小于焊片基体的尺寸。

所述金属丝网的材料熔点高于焊片基体的熔点100℃以上。

作为本发明的进一步改进：所述焊片基体的材料为锡、铅、银、铜、铝、锌、铟、锑、铋、镉、锗材料中的一种或多种合金材料组成，且不包含任何助溶剂。

作为本发明的进一步改进：所述金属丝网的材料为铝、镍、铁、锌、钛、镁、锰、铬中的一种或者多种合金材料。

本发明进一步提供基于一种上述高性能预成型焊片的焊接方法，首先将一层或若干层预成型焊片放置到待焊接件中预定的焊接位置，将焊接件放入焊接炉中，同时将带有易挥发的弱酸性溶剂放入焊接炉腔体内部；通入含有一定成分的惰性气体，再进行抽真空，然后按照特定的温升曲线进行加热，在温升达到某一阶段后（弱酸性溶剂的沸点），弱酸性溶剂开始挥发，直至所挥发出来的气体充满整个焊接炉腔体；继续升温，在温升达到具有更高温度的某一阶段后（预成型焊片的熔点），预成型焊片开始熔化。由于预成型焊片内部金属丝网的作用，使得预成型焊片在大面积焊接中能够控制焊层厚度的均匀性及后续的处理工艺。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的高性能预成型焊片及焊接方法，由于焊片基体内部包覆一薄层金属丝网，当加热温度超过焊料的液相线温度后，可以保证大面积焊层内部厚度的均匀性，有效提高了焊层质量。同时，还能增加焊层在回流焊接过程中的流动性，改善焊层内部空洞率及非连续性焊点；由于本发明所提供的焊接方法不使用任何钎剂材料，在焊接完成后焊层周围及内部不存在钎剂残留物，不需要后续的清洗工序；对于具有多层结构的待焊接件，该焊接方法可以实现多层焊片的一次性整体焊接，极大的简化了焊接工艺。

2、本发明的高性能预成型焊片及焊接方法，对提高焊层厚度均匀性（特别是大面积焊层）有很大帮助，不需要复杂的后清洗工序，工艺简单，节省生产成本。

附图说明

图1是本发明在实施例1中焊片基体的结构示意图。

图2是本发明在实施例1中金属丝网的结构示意图。

图3是本发明在实施例1中的结构示意图。

图4是本发明在实施例1中使用时的原理示意图。

图5是本发明在实施例2中金属丝网的结构示意图。

图6是本发明在实施例2中的结构示意图。

图7是本发明在实施例2中使用时的原理示意图。

图例说明：

1、预成型焊片结构；11、焊片基体；12、金属丝网；21、半导体芯片；22、陶瓷衬板；23、基板。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：如图1～图4所示，本发明的高性能预成型焊片，包括预成型焊片结构1，该预成型焊片结构1包括焊片基体11和金属丝网12，该金属丝网12位于焊片基体11的内部，且焊片基体11完全包覆金属丝网12，形成一种三明治结构。

在本实施例中，金属丝网12的厚度小于焊片基体11的厚度，其厚度范围在0.01mm~0.50mm之间。作为优选方案，金属丝网12的厚度为0.15mm，焊片基体11的厚度为0.20mm。

在具体应用实例中，金属丝网12可以根据实际需要选择不同的横截面形状，如作为优选方案，本实例的横截面形状可以为圆形；可以理解，其他横截面形状的金属丝网12也应在本发明的保护范围之内，例如：菱形、正方形、长方形、三角形、椭圆形、六边形、“Τ”形、“┴”形、“L”形、“Ι”形、“┼”形等等。

在具体应用实例中，金属丝网12可以根据实际需要选择不同的网格形状，如作为优选方案，本实例的金属丝网12的网格形状为菱形。可以理解，其他网格形状的金属丝网12也应在本发明的保护范围之内，例如：正方形、长方形、三角形、椭圆形、五边形、六边形等任意多边形中的任意一种或者多种形状组合。

在具体应用实例中，金属丝网12的尺寸小于焊片基体11的尺寸，以实现较佳的包覆效果。

在具体应用实例中，金属丝网12的材料熔点应该高于焊片基体11的熔点100℃以上。本实例中，金属丝网12的材料是金属铜材料，焊片基体11材料是含有锡铅材料组成的预成型片状焊料，焊片基体11材料内不包含任何助溶剂、成膜剂、防腐剂、及其它有机溶剂等中的一种或多种钎剂材料。铜材料的熔点为1085℃，比焊片基体11中锡铅合金材料的熔点（183℃）高902℃。可以理解，其他材料的焊片基体11材料也应在本发明的保护范围之内，例如：锡、铅、银、铜、铝、锌、铟、锑、铋、镉、锗等材料中的一种或多种合金材料组成的预成型片状焊料。其他材料的金属丝网12也应该在本发明的保护范围之内，例如：铝、镍、铁、锌、钛、镁、锰、铬等金属材料中的一种或者多种合金材料。

在上述结构中，由于焊片基体11内部包覆一薄层金属丝网12，当加热温度超过焊料的液相线温度后，可以保证大面积焊层内部厚度的均匀性，有效提高了焊层质量。而且，由于焊片基体11材料内不含有任何钎剂，无需进行真空回流焊接后清洗工序。

基于上述高性能预成型焊片的焊接方法为：首先将一层预成型焊片结构1放置到待焊接件中预定的焊接位置（例如：两个待焊接件为陶瓷衬板22和基板23），将焊接件放入焊接炉中，同时将具有易挥发的弱酸性溶剂充入焊接炉腔体内；通入含有氮气的气体，再进行抽真空，按照特定的温升曲线进行加热，在温度达到弱酸性溶剂的沸点后，弱酸性溶剂开始挥发，直至所挥发出来的气体充满整个焊接炉腔体；继续升温，在温度达到所使用的预成型焊片结构1的熔点后，焊片基体11开始熔化（如温度达到熔点183℃），由于预成型焊片内部金属丝网12的作用，使得预成型焊片结构1在大面积焊接中能够控制焊层厚度的均匀性，而且由于预成型焊片结构1不包含任何钎剂材料，使得焊接后的焊接件不存在钎剂残留物，不需要后续的清洗工艺。

实施例2：如图5、图6和图7所示，本实施例的结构与上述实施例1基本一致，不同之处就在于，金属丝网12的横截面形状为“┴”形，金属丝网12的网格形状为六边形。金属丝网12的材料是金属镁铝合金材料，这样金属丝网12材料镁铝合金的熔点为660℃，比焊片基体11中锡银铜合金材料的熔点（221℃）高439℃。

基于上述高性能预成型焊片的焊接方法为：首先将两层不同形状的预成型焊片结构1放置到待焊接件中预定的焊接位置（例如：陶瓷衬板22和基板23之间，陶瓷衬板22和半导体芯片21之间），将待焊接件2放入焊接炉中，同时将带有还原性的弱酸性气体充入焊接炉腔体内，按照特定的温升曲线进行加热，在温度达到由锡银铜合金材料组成的预成型焊片结构1的熔点221℃后，锡银铜焊片基体11开始熔化，由于预成型焊片结构1的内部金属丝网12的作用，使得预成型焊片结构1在大面积焊接中能够控制焊层厚度的均匀性。而且由于预成型焊片结构1不包含任何钎剂材料，使得焊接后的焊接件不存在钎剂残留物，不需要后续的清洗工艺。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高性能预成型焊片，其特征在于，包括预成型焊片结构（1），所述预成型焊片结构（1）包括焊片基体（11）和金属丝网（12），所述金属丝网（12）位于焊片基体（11）的内部，所述焊片基体（11）完全包覆金属丝网（12）。

2.根据权利要求1所述的高性能预成型焊片，其特征在于，所述金属丝网（12）的厚度小于焊片基体（11）的厚度。

3.根据权利要求1所述的高性能预成型焊片，其特征在于，所述金属丝网（12）的横截面形状为圆形、菱形、正方形、长方形、三角形、椭圆形、六边形、“Τ”形、“┴”形、“L”形、“Ι”形、“┼”形中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的高性能预成型焊片，其特征在于，所述金属丝网（12）的网格形状为菱形、正方形、长方形、三角形、椭圆形、五边形、六边形中的任意一种或者多种形状组合。

5.根据权利要求1所述的高性能预成型焊片，其特征在于，所述金属丝网（12）的尺寸小于焊片基体（11）的尺寸。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的高性能预成型焊片，其特征在于，所述金属丝网（12）的材料熔点高于焊片基体（11）的熔点100℃以上。

7.根据权利要求6所述的高性能预成型焊片，其特征在于，所述焊片基体（11）的材料为锡、铅、银、铜、铝、锌、铟、锑、铋、镉、锗材料中的一种或多种合金材料组成，且不包含任何钎焊剂。

8.根据权利要求6所述的高性能预成型焊片，其特征在于，所述金属丝网（12）的材料为铝、镍、铁、锌、钛、镁、锰、铬中的一种或者多种合金材料。

9.一种基于上述权利要求1～9中任意一项所述高性能预成型焊片的焊接方法，其特征在于，步骤为：

将一层或若干层预成型焊片结构（1）放置到待焊接件中预定的焊接位置，将焊接件放入焊接炉中；

将弱酸性溶剂放入焊接炉腔体内部，并通入含有一定成分的惰性气体；

对腔体进行抽真空，然后按照特定的温升曲线进行加热；

在温升达到弱酸性溶剂的沸点，弱酸性溶剂开始挥发，直至所挥发出来的气体充满整个焊接炉腔体；

继续升温，在温升达到具有更高温度的预成型焊片的熔点，预成型焊片开始熔化，由于预成型焊片内部金属丝网（12）的作用，所述预成型焊片结构（1）得以控制焊层厚度的均匀性。