CN106134330B - 一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法 - Google Patents
一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法Info
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Abstract
一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法，步骤如下：(1)将焊料片进行等离子清洗；(2)根据所焊工件的尺寸进行焊料片尺寸预成型，焊料片的外形与所焊工件外形一致，中间掏空，形成一个垫圈形状；(3)将所焊工件、焊片、载体依次叠加在一起，并加一定重量的工装对被焊工件施加压力；(4)将叠加好的工件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100Pa，此时焊片的温度为室温；(5)加热平台对工件进行预热，并保温；(6)继续加热直到焊料片熔点以上30-40℃，并保温；(7)对真空炉腔体回填大气，使工件所在腔体内的气压重新回到大气压；(8)降温直到焊料片熔点以下，完成焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷电路板与热沉载体高钎焊率的无钎剂真空焊接方法，利用等离子清洗与真空释放及焊片形状设计相结合，实现空洞率小于3％的高钎焊率。
背景技术
功率电子产品如二次电源、驱动电路等模块中需要安装一些功率芯片，而印制电路板热导率较低，无法满足功率电路的散热要求，因此需要将功率芯片安装在陶瓷电路板和热导率较大的热沉载体焊接而成的组件上。而陶瓷板和热沉载体的焊接界面空洞率一直是人们关注的热点，因为对于散热性能要求较高的功率器件而言，器件的可靠性直接依赖于器件与电路板的连接界面的空洞率。空洞的存在将影响焊接的机械性能，降低导热、导电性能，降低界面结合强度、延展性、蠕变和疲劳寿命。空洞率较高时，空洞与延展裂纹连接使裂纹快速扩展，从而导致失效。空洞还会导致热阻增大，空洞率达到一定时将显著降低结合强度且产生巨大热阻，严重时甚至会在芯片上形成局部热点，导致芯片烧毁，从而对航天器造成毁灭性的灾难。GJB548中对电路板与金属载体焊接后的空洞率不可接受的要求为“接触区空洞超过整个接触面积的1/2”，而宇航功率电子产品由于其高可靠、长寿命的要求，设计对空洞率的要求也越来越严，甚至要求空洞率不可高于10％，从而对陶瓷板与热沉的焊接工艺提出了新的挑战。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，将陶瓷板与载体界面空洞率由采用现有工艺焊后的30％降低为小于3％，即显著提高钎焊率，以满足大功率电源及驱动电路产品的高可靠要求。
本发明的技术解决方案是：一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法，步骤如下：
(1)将焊料片进行等离子清洗，清洗温度为50-60℃，工作气体为氢气和氩气混合气体，真空度小于40Pa，清洗时间为20-30min；
(2)根据所焊工件的尺寸进行焊料片尺寸预成型，焊料片的外形与所焊工件外形一致，中间掏空，形成一个垫圈形状；
(3)将所焊工件、焊片、载体依次叠加在一起，并加一定重量的工装对被焊工件施加压力；
(4)将叠加好的工件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100Pa，此时焊片的温度为室温；
(5)加热平台对工件进行预热，并保温；保温分两次进行，第一次保温温度为T1，第二次保温温度为T2，其中T1＜T2＜焊料片熔点；
(6)继续加热直到焊料片熔点以上30-40℃，并保温；
(7)对真空炉腔体回填大气，使工件所在腔体内的气压重新回到大气压；
(8)降温直到焊料片熔点以下，完成焊接。
所述步骤(1)中等离子清洗标准采用水滴测试法测试清洗后的样品表面接触角要求小于30度，采用达英笔测试表面达英值，要求达英值小于60。
所述步骤(3)中施加压力范围1～10N。
所述步骤(5)或步骤(6)中的保温时间5～10分钟。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用焊片替代焊膏，可去除由于焊剂挥发带来的真空室的污染及抽真空难的问题，提高抽真空效率且免去了焊后的清洗环节；采用等离子清洗，可有效去除焊料表面的氧化膜及污染物，得到洁净的被焊表面，提高润湿性能；采用独特的焊片形状设计，有助于减少焊前焊料表面的氧化面积，便于真空释放工艺的运用；降低了真空度，提高了工件与加热平台的热传导效果，使工件受热更加均匀，显著减少了抽真空时间；运用Boyle-charles定律的真空释放工艺方法使空洞率减小到3％以下。整个工艺过程简化了操作过程，提高焊接效率，降低了界面空洞率。
附图说明
图1为本发明中等离子清洗前后焊片表面状态示意图；
图2为本发明焊片形状及厚度变化过程示意图；
图3为本发明陶瓷电路板及载体结构安装示意图；
图4为本发明中真空释放工艺原理示意图；
图5为本发明所用工艺与现有工艺焊接后效果对比图。
具体实施方式
本发明通过分析工件焊后空洞率与焊料形态的关系，将现有焊料从含钎剂的焊膏改为无钎剂的焊料片。焊点界面的空洞率是由气泡率+脱粘率共同组成的，即焊点界面的空洞除了气泡还有由于不润湿或夹杂导致的脱粘。而焊剂残留和氧化是导致脱粘的主要因素。采用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；不采用焊剂则氧化层无法去除，钎料难以在焊盘表面润湿，从而造成脱粘。因此选择采用焊片替代焊膏以消除焊剂带来的负面影响，同时采用等离子对焊片清洗以去除焊片表面氧化，并采用真空焊接防止焊接过程中焊片的氧化，达到无钎剂与去氧化的结合。进一步在焊接过程中对焊片形状进行设计并运用Boyle-charles定律的的真空释放工艺方法对空洞率进行压缩，从而得到高钎焊率的焊接界面。
具体实施步骤如下：
(1)将焊料片进行等离子清洗并真空包装待焊。
等离子清洗选用射频等离子进行清洗，既保证有一定的清洁力度，同时避免在清洗过程中对焊片造成损伤，等离子清洗去除焊片表面氧化层及污染物的过程示意图如图1所示。从图中可见，清洗前焊片表面由于Sn基钎料的易氧化性，表面形成了一层氧化膜；采用等离子清洗后，焊片表面的氧化膜及其他污染物被去掉，露出了新鲜的钎料表面，便于焊接过程中焊料的铺展润湿。
清洗温度为50-60℃，工作气体为氢气和氩气混合气体，真空度小于0.3Torr，清洗时间为20-30min，在该参数下焊片表面光亮，无污染物残留。将清洗后的焊片分别采用30倍显微镜下进行观察外观，要求焊片表面无任何物理损伤。采用水滴测试法测试清洗后的样品表面接触角要求小于30度，采用达英笔测试表面达英值，要求达英值小于60。
(2)将焊料片取出，并根据所焊工件的尺寸进行焊片尺寸预成型；
将焊片预先成型，根据被焊陶瓷板的大小，加工成外型与陶瓷板尺寸一致，但去除中间的部分焊片，即中间掏空，形成一个垫圈形状。当待焊工件为陶瓷板且形状为矩形时，如图2所示，焊片的总长度、宽度分别为W1、L1，厚度为T；成型为垫圈型后，焊片内部长度、宽度分别为W2、L2，厚度为T，则焊接后焊缝的厚度t的计算公式如下：
t/T＝(W1L1-W2L2)/W1L1＝(1-W2L2/W1L1)W1L1
从上述计算公式可见，焊缝的厚度很容易通过改变垫圈型焊片的尺寸来实现，即根据产品所需焊缝的厚度来确定成型尺寸。焊片采用预成型的方法，将中间掏空，减少氧化后的焊片面积，进一步提高焊料的润湿性能。
(3)将陶瓷板、焊片、载体叠加在一起，如图3所示，并加一定重量的工装对被焊工件施加一定的压力F；
如图2所示，采用工装在叠加在一起后的工件施加一定压力，根据工件大小，所施加的压力范围为F＝1-10N。
(4)将叠加好的工件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100Pa。此时焊片的温度为室温；
(5)对工件进行预热，并保温。保温分两次进行，第一次保温温度为T1，第二次保温温度为T2，其中T1＜T2＜焊片熔点，此时焊片仍为固态。第一次保温结束后焊片中间气体的体积分别为V1、V2，压强为P1、P2；
(6)继续加热直到熔点以上30-40℃，并保温，温度为T3。此时焊片已完全呈熔融状态，在载体和陶瓷电路板表面铺展。保温结束时，焊片中间的气体体积为V3，压强为P3；
为了保证陶瓷电路板、载体及焊料片叠加的工件受热均匀并达到热稳定等目的，步骤(5)、(6)中的保温时间控制在5～10分钟，实际工程应用中保温时间10分钟，工件的均温性良好，且实际温度达到设定温度。
(7)对真空腔体回填大气，使工件所在腔体内的气压重新回到大气压。此时焊片仍为熔融状态，温度为T4，焊片中间的气体被压缩，气体体积变为V4，压强变为大气压，为P4；
(8)降温直到熔点以下。此时焊料凝固形成接头，接头中空洞气压P5，空洞体积为V5，工件所处的温度为T5。
焊片熔化状态下，即步骤(7)、(8)过程中，根据Boyle-charles定律，PV/T＝常数。因此焊片融化过程中残留气体在加热及气压的变化过程中的关系如表1所示，从表中可见焊片内残留气体将在气压变化过程中被压缩到几乎为零。焊片熔融过程中，中间残留气体采用真空释放工艺后，变化过程如图4所示。从图中可见，焊片内残留的气体，在焊料熔融状态下，先合并，长大，长大后的气泡达到焊料边缘时便逸出，造成焊料内的一部分气体减少。未逸出的部分气体则在真空释放工艺的作用下被压缩，压缩后体积变得非常小。
表1真空释放工艺过程中焊片内残留气体变化
| 步骤 | 残留气体气压 | 气体体积 | 温度 |
| (4) | P1(真空气压) | V1 | T1 |
| (5) | P2＝P1(真空气压) | V2＝V1 | T2 |
| (6) | P3＝P2＝P1(真空气压) | V3＝V2＝V1 | T3 |
| (7) | P4(大气压) | V4＝V1×P3/P4 | T4＝T3 |
| (8) | P5＝P4 | V5＝V4＝V1×P3/P4×T5/T4 | T5 |
图5为本发明所用工艺与现有工艺焊接后效果对比图，从图中可见采用真空释放工艺前，陶瓷板与热沉载体的焊缝中存在较多的气泡；采用真空释放工艺焊后，焊缝内未发现可见气泡。
试验证明使用该焊接方法可使焊接效率提高3倍，显著降低陶瓷电路板与载体界面的空洞率至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；厚膜、薄膜混合电路基板或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 (4)
1.一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法，其特征在于步骤如下：
(1)将焊料片进行等离子清洗，清洗温度为50-60℃，工作气体为氢气和氩气混合气体，真空度小于40Pa，清洗时间为20-30min；
(2)根据所焊工件的尺寸进行焊料片尺寸预成型，焊料片的外形与所焊工件外形一致，中间掏空，形成一个垫圈形状；
(3)将所焊工件、焊片、载体依次叠加在一起，并加一定重量的工装对被焊工件施加压力；
(4)将叠加好的工件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100Pa，此时焊片的温度为室温；
(5)加热平台对工件进行预热，并保温；保温分两次进行，第一次保温温度为T1，第二次保温温度为T2，其中T1＜T2＜焊料片熔点；
(6)继续加热直到焊料片熔点以上30-40℃，并保温；
(7)对真空炉腔体回填大气，使工件所在腔体内的气压重新回到大气压；
(8)降温直到焊料片熔点以下，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法，其特征在于：所述步骤(1)中等离子清洗标准采用水滴测试法测试清洗后的样品表面，接触角要求小于30度，采用达英笔测试表面达英值，要求达英值小于60。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中施加压力范围为1～10N。
4.根据权利要求1所述的一种基于等离子清洗的高钎焊率真空焊接方法，其特征在于：所述步骤(5)或步骤(6)中的保温时间为5～10分钟。
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| GR03 | Grant of secret patent right | ||
| GRSP | Grant of secret patent right | ||
| DC01 | Secret patent status has been lifted | ||
| DCSP | Declassification of secret patent | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130227 |
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