CN107000092B - 用于制造电子部件的焊接连接部的传热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于待焊接的部件(28，128)的热耦合的传热装置(10，110，210)，传热装置(10，110，210)包括在焊机(200)中的热源和/或散热器(48)，传热装置(10，110，210)具有至少一个基板(12，112，212)，该至少一个基板(12，112，212)设计为至少与热源和/或散热器(48)热接触。基板(12，112，212)具有多个接触单元(14，114，124)，接触单元(14，114，124)具有相应的接触表面(24，124)，其中接触表面(24，124)能够与部件(28，128)热接触。接触单元以如下方式设计：接触表面与基板的朝向部件的表面之间的相对距离能够变化。本发明还涉及一种焊接装置(200)，特别是可抽真空的焊接装置，具有至少一个传热装置(10，110，210)。

Description

用于制造电子部件的焊接连接部的传热装置
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的传热装置，该传热装置能够用于制造焊接接头，例如用于焊机。
为了达到最佳的焊接效果，当大面积焊接时，首先，应当以受控的方式将熔融的焊料和待接合的焊料配合物或部件加热到焊料的熔点以上，然后以受控的方式将熔融的焊料和待焊接的焊料配合物或部件冷却到凝固点以下，以将焊料配合物以没有空腔的方式接合在一起。
背景技术
术语“部件”和“焊料配合物”通常涉及由金属、陶瓷、塑料、其他材料或者材料的任意组合制成的基底、基底载体、底板、工件载体、装配载体等，以及待紧固到诸如功率半导体芯片、(半导体)组件等部件的部件。
在本文中，大面积焊接接头例如指的是如下焊接接头：例如诸如IGBT，MOSFET或二极管等的功率半导体芯片焊接到金属化陶瓷基底形成的焊接接头，或者金属化陶瓷基底焊接到功率半导体模块的金属底板形成的焊接接头。
优选地，具有设计为冷却装置的传热装置的焊机能够包括可抽空的腔室、配置在可抽空的腔室中的保持件以及配置在可抽空的腔室中的散热器，所述冷却装置用于冷却待生成的至少一个大面积焊接接头的仍为液体的焊料。这允许在真空下或在可确定的工艺气体环境下进行焊接工艺，以排除污染或氧化过程。
作为测试体的金属板能够放置在保持件中，通过该金属板能够测试和检查冷却装置的操作模式。金属板具有下主表面、在竖直方向上与下主表面间隔一定距离设置的上主表面以及至少为200℃的初始温度。每个具有至少30mm×30mm的面积或每个具有至少50mm×50mm的面积的、数量N≥1的、相邻的矩形表面部分能够紧固到上主表面。
工件载体或金属板现在能够在散热器的帮助下在腔室中冷却。能够将在腔室中主要为大约1013.25hPa压力的氮气的环境作为在金属板上实现的冷却效果的参考。然而，也能够在任意所需的压力下全部或部分地进行冷却操作，例如负压，例如能够在例如1hPa至1030.25hPa的范围内的绝对压力，和/或部分地过压，即大于1013.25hPa的绝对压力。独立于此，冷却能够在任意所需的环境中进行，例如在空气中或者在防止焊料配合物氧化的保护气体的环境中，例如在氮气(N2)环境中、在二氧化碳(CO2)环境中、在氢气(H2)环境中、在氦气(He)环境中或在混合气体(N2H2)环境中。
借助散热器对金属板进行冷却是以如下方式进行的：任何矩形表面部分的上主表面的温度不表现为与上述表面部分的边缘间隔一定距离的局部最大值，并且保持到直到任何表面部分不再存在大于200℃或大于150℃的最小冷却温度为止。如果焊料在例如200℃或例如150℃已经充分凝固，则在焊料配合物之间出现已完成的、接合的焊接连接部。在真正的制造过程中，能够将其中一个焊料配合物定位、精确地配合到保持件内作为最低的焊料配合物，并且能够将一个或多个另外的焊料配合物放置在所述其中一个焊料配合物上，在此焊料也被放置在每个待接合的焊料配合物之间。焊料能够是例如预先形成的焊料片(“焊料预制件”)，或者涂覆到接合表面的焊膏，该接合表面将接合到在待接合的一个或两个焊料配合物上的另一个焊料配合物。
除了将其中一个焊料配合物定位成最低的焊料配合物，并精确地配合到保持件内，还能够将其中一个焊料配合物放置在精确配合地插入到保持件中的承载板上。另一个或多个焊料配合物与焊料片或所涂覆的焊膏一起以与上述相同的方式放置在最低的焊料配合物上。在该变型中，可以是具有两个或更多个焊料配合物的多个组，每个焊料配合物都以相同的方式彼此相邻地放置在普通的承载板上。一旦焊接过程完成，承载板不是焊接组件的一部分。
冷却装置能够例如是焊机的一部分，借助于此，焊接产品能够在冷却设备的可抽空的腔室中被冷却，如上所述，在焊接产品在可抽空的腔室中或在单独的加热室中被加热装置加热到高于焊料的熔点之后，使得焊料熔化。当使用单独的加热室以及运送装置时，能够在该加热室和冷却装置的可抽空的腔室之间设置锁，利用该运送装置将被加热到所使用的焊料的熔点之上的焊接产品从加热室运送到冷却装置的可抽空的腔室中。然而，能够设置预热室、焊料室和冷却室，其中的每一个都能够通过气密锁或机械地与其它腔室分开，待焊接的部件能够通过传送装置承载穿过该预热室、焊料室和冷却室。
例如，从现有技术已知根据DE 10 2011 081 606 A1的设计为冷却装置的通用传热装置。传热装置被构造为借助于冷空气在待焊接的部件上提供限定的热分布。为了在铜板上产生所需的温度梯度，出于此目的，设置有冷空气喷嘴或具有多个开口的冷空气屏的配置。或者，还能够设置散热器，该散热器能够包括不均匀的导热体，或者具有彼此相邻配置并且在竖直方向上能够彼此独立移动(包括彼此嵌套)的冷却元件。冷却原理基于气体对流，并且需要用于循环气体的活动部件，其中不能提供在真空下的冷却。通过改变距离也不可能是可控的、部分的和全面的冷却。配置在冷却喷嘴/冷却元件和待焊接的部件之间的铜板会影响温度分布的均匀化，使得不能提供限定的温度梯度。
实际上，配置在弯曲或翻折的底板上的组件或部件经常被焊接。底板在被加热或冷却时也会翘曲，因此通常必须在弯曲的底板上进行焊接工艺。底板用作装配的装配载体，例如用于大功率设备的半导体组件，例如，诸如电机或发电机设备中的整流器或逆变器等转换器。这种设备的示例是风力发电机(wind turbine)中的转换器。这种类型的风力发电机也越来越多地安装在海上(“近岸”)，这对所有部件的可靠性提出了高要求，因为与安装在陆地上的发电机相比，服务和维修产生更高的服务费用。由于要传输的电力的大小，焊接接头受到特殊应力，因此对焊接质量的要求非常高。关键在于避免诸如空腔、裂纹等的焊接故障，以避免由于故障的转换器导致的昂贵的维修和风力发电机停机时间。
在这种类型的电力设备中，底板还起到散热器的功能，以便消散来自组件的多余的热量并冷却组件。最后，底板还能够作为公共的接地连接部，以便为部件载体提供参考电位。为此，底板由导热材料制成，通常是由金属制成。
在电力工程领域中，特别是在三相设备的情况下，能够将3个、6个或3的倍数的组件焊接到一个底板上。部件或部件组包括由例如陶瓷或塑料制成的一个或多个基底载体，部件或部件组在背面具有可焊接的熔融金属，并且在其整个区域或点上通过焊接连接部电连接和热连接到底板。这产生了如下问题：在能够与高温梯度相关的焊接过程中，底板和装配基底经历不同的膨胀，由此与双金属条类似地产生整体部件的机械翘曲。达到了底板相对于水平参考面0.3mm以上的热生成弯曲偏差。相对高的冷却速率是重要的，特别是对于工艺技术，以便在焊料沉积物内保持足够高的温度差。这允许仍然是液体的焊料流入已经凝固的区域。在低的冷却速度下，整个产品的温度是均匀的，使得不能利用这种效果。这里期望实现2K/s以上的冷却速度，也是为了在焊机中实现高速的部件生产量。
为了抵消在不同材料之间制造焊接接头时热量产生的翘曲，底板以某种方式预先形成，通常是预弯曲，使得在焊接和焊接接头凝固之后，部件作为整体具有平面校准。这产生了如下问题：部件和组件焊接到弯曲的底板或部件载体上，并且必须以受控的方式加热或冷却。加热过程在这里特别重要，因为当不同的材料冷却时，会产生对焊接连接部的质量有不利影响的高机械应力。
本发明的目的是提出实现以下功能的传热装置：
-在整个区域均匀加热弯曲部件或底板；
-通过局部受限的冷却和保温来以受控的方式影响凝固过程，使得焊料中不会发生裂纹；以及
-允许在焊料凝固之后切换到大面积冷却，以缩短处理时间。
本发明的目的是提供一种传热装置，该传热装置用于待制造的大面积焊接连接部的液体焊料的受控加热和/或受控冷却。
该目的通过具有权利要求1的特征的传热装置实现。
本发明的实施方式和扩展是从属权利要求的主旨。
发明内容
根据本发明，提出了一种用于待焊接的部件的热耦合的传热装置，该传热装置包括在焊机中的热源和/或散热器，传热装置具有至少一个基板，该至少一个基板设计成至少与热源和/或散热器热接触。基板具有至少两个接触单元，特别地，基板具有多个接触单元，接触单元具有相应的接触表面，其中接触表面能够与部件热接触。接触单元以如下方式设计：接触表面与基板的朝向部件的表面之间的相对距离是能够变化的。
本发明基于如下构思：通过至少两个接触单元，特别是多个接触单元与热源或散热器，或连接于此的基板特定地建立热接触，使得仅仅加热或冷却热接触部件的特定的对应区域。选择性的冷却/加热效果基于接触的冷却/加热，这能够提供具有高精确度和大温度梯度的冷却/加热效果。因此，与部件产生热接触的不是整个基板，而仅是具有接触单元的部分区域，其中部件的加热和/或冷却在接触单元的接触表面的区域中发生。由于基板的朝向部件的表面下方的接触区域之间的相对距离的能够变化性，诸如上述弯曲的底板等的非平面部件能够可靠地接触，使得接触区域的距离能够适应待接触的部件的轮廓。这产生了多点接触，这在真空下焊接时是尤为有利的，因为在这种情况下，不会发生由于在环境压力下焊接时对流，在基板和部件之间可能的间隙的桥接。机械实现相对简单，并且能够在真空和无对流情况下实现冷却/加热效果。
此处，优选地，接触区域和基板的朝向部件的表面之间的相对距离能够抵抗由对应的接触单元施加的弹力和/或定位力而变化。例如，这能够如下实现：接触单元包括弹簧元件或由弹性材料制成，这将在下面进一步详细说明。然而，原则上，如果基板将要包括大致突出的接触表面，即使没有与部件的距离的相对变化也能够接触，那么传热装置的功能也是足够的。
接触单元的接触表面能够是平的或弯曲的，其中在弯曲接触表面的情况下，相对距离涉及具有与基板的最大距离的接触表面上的点。根据本发明的传热装置原则上能够与方向无关地使用，使得部件的下表面、上表面或者甚至下表面和上表面能够热接触。这意味着在本申请中，诸如“上”或“下”等的对应的方向指代不是限制性的，而是涉及相应的示例性实施方式和附图。
根据本发明的优选实施方式，基板和部件之间的距离是能够变化的，其中接触单元如下设计：接触表面与基板的朝向部件的表面之间的相对距离能够根据基板和部件之间的距离的变化而变化，特别是能够根据将基板压靠在部件上的接触压力引起的变化而变化。此处，接触表面和基板之间的距离的相对变化能够通过上述接触单元的弹性来实现。这使得能够改变独立于其他接触单元的每个接触单元的相对距离。因此，能够确保对于这样的不具有平面轮廓的部件或者由于热处理而在焊接过程中变形的部件的可靠的热接触。
优选地，接触单元能够复位地保持在设置在基板中的凹部中，其中特别地，接触单元能够复位到缩回位置，在该缩回位置接触单元的接触表面与基板的朝向部件的表面齐平。特别地，接触单元的可复位性能够如下实现：接触单元包括弹簧元件，或接触单元由弹性材料制成。此外，接触单元的复位还能够借助于适当的调节装置，例如通过机械的、气动的、电磁的或液压的调节装置来实现。由于能够将接触单元复位到缩回位置，能够配置为部件或承载板在大面积上热接触，即也能够加热或冷却部件的缩回位置之外的、未与接触表面接触的区域，承载板供部件安装并且与部件热接触。因此，在缩回位置，接触表面与基板的朝向部件的表面之间相对距离为零。
根据另一个优选实施方式，接触单元由弹性导热材料形成，特别是金属膏、包含金属颗粒(例如银颗粒)的环氧树脂和/或设置在基板的朝向待焊接的部件的一侧的导电弹性材料。在此，接触单元由所谓的垫形成，该垫能够具有任何所需的形状和/或尺寸，其中形状和/或尺寸也能够从一个接触单元到另一个接触单元地变化。这种类型的接触单元能够经济地制造，并且特别地允许仅以低的制造成本单独适应不同的待焊接的部件。
根据另一个优选实施方式，相应的接触单元包括具有接触表面并且能够相对于基板调节的接触销。接触销本身能够是刚性的，并且优选地由具有良好导热性的材料(例如铝或铜)组成。接触销的横截面能够是圆形或多边形，特别是方形。另外还能够给接触销金或银的涂层。
在这种情况下，已经发现如果将弹性导热材料，特别是包含金属颗粒的环氧树脂和/或导电弹性材料涂覆到接触销的端面是有利的。这确保了接触销的整个端面或至少大部分端面能够与部件发生热接触，即使由于设计和/或制造情况而导致接触销和部件彼此相对成角度的情况下，使得在没有涂覆导热材料的情况下，仅在接触销和部件之间的小区域部分接触是可能的。在这种情况下，导热材料形成接触表面。
优选地，接触销是弹性安装的，其中能够是安装到例如基板上，或者能够通过基板安装到能够热接触的热源和/或散热器上。
在这一点上，已经发现，如果相应的接触销具有在一侧封闭的导热套筒，该导热套筒的封闭端面朝向待焊接的部件，并且将弹簧，特别是螺旋弹簧容纳在套筒中，弹簧至少在未被压缩时部分地从套筒的开口端面突出并且与套筒热接触，其中特别地，导热柱在其从套筒突出的自由端保持在弹簧的内部，柱与弹簧热连接，其中优选地，柱的端部的端面与弹簧的自由端的端面齐平或柱的端部的端面从弹簧突出。优选地，套筒具有筒形横截面。封闭端面能够结合接触表面。在其端面处，柱能够连接到或者紧固到该热源和/或散热器。柱改善了热量到弹簧的传递，并且同时能够作为套筒的端部止挡件，从而限制了弹簧的运动。
作为上述实施方式的替代，相应的接触销能够具有导热柱，该导热柱的端面朝向待焊接的部件。在与柱的端面轴向相反的下端处，弹簧(特别是螺旋弹簧)能够保持在柱的弹簧片上。在背离柱的弹簧片的一侧，弹簧能够置于接触板上，优选地，弹簧能够与其它接触销一起置于接触板上。柱能够在弹簧片的底座处具有径向突起，当弹簧未被压缩时，该径向突起支撑在基板的凹部的径向收缩上。因此，提出了一种接触单元的接触销，该接触销具有导热固体材料的柱。柱具有朝向待焊接的并且能够热接触的部件的接触表面，并且柱在轴向相反端具有弹簧片，该弹簧片作为用于与部件的下侧弹性接触的接触弹簧的底座。弹簧被支撑在接触板上，在该接触板上能够配置接触单元的多个接触销。因此，具有多个接触销的接触单元能够预先组装在接触板上并随后被推入基板的凹部中。接触板能够与配置在基板下方的加热板或冷却板建立热耦合，使得例如基板的温度能够选择地不同于接触单元的温度。从弹簧片到柱的过渡处的径向突起在基板的凹部的径向收缩处限制了接触销沿部件方向的接触运动，并且从柱的弹簧片的端面到接触板的距离限制了接触销的进入距离。
以这种方式，提出了接触单元的不同实施方式，具有紧凑结构的接触单元表现出非常好的导热性，并且同时允许接触表面与基板的朝向部件的表面之间的相对距离的所需的变化。
优选地，接触单元(特别是每个接触销)的热容量构造成为：相对于接触单元和部件之间的接触面积，用于大量焊料的焊接温度和固相线温度之间的温度差的大量热量能够被尽快吸收，优选为瞬时吸收。热容量是提供给产生的温度上升的热能之间的比率，并且相对于接触单元或接触销，该热容量构成为适合于所选择的材料，即特定的热容量和质量，以这种方式，例如在大量焊料的250℃的焊接温度和221℃的固相线温度下，能够在接触单元和部件之间接触时尽可能快地从部件焊料消除相应的温度差，并且所述焊料凝固。在该实施方式中，接触单元和基板之间的热接触相比接触单元本身的热储存能力对冷却或加热起到较小的作用，这最终反映在为接触单元选择的重量和材料中。通常，接触销能够由实心铜或其他具有良好导电性的材料组成。优选地，接触单元能够包括相变材料(PCM)，该相变材料固定接触温度并且当接触时允许瞬时冷却或加热。通过这种方式能够达到大温度梯度，并且能够实现在冷却时从焊料沉积物的内部区域到外部区域的焊料凝固特性的优化调整，或者从焊料沉积物的外部到内部的熔融特性的优化调整。在重新建立接触单元的初始温度时，特别是当从一个部件向下一个部件改变时，基板中的接触单元之间的导热连接部起作用。
根据本发明的优选实施方式，接触销能够机械地、气动地、液压地或电磁地调节。因此，代替通过使用弹性材料或弹簧元件的接触销或接触单元的上述被动调节，还能够借助于致动器主动地控制接触销。此处，相应的接触销能够单独调节，或者能够将多个接触销弹性地或刚性地配置在能够相对于基板调节的接触单元载体上。
根据本发明的另一个实施方式，接触销配置为至少一组接触销，每组接触销包括多个接触销，其中在未压缩状态下，特别地，每组接触销中的接触销的接触表面到基板的相对距离相对于每组接触销中的接触销的位置从内向外减小。未压缩状态是指没有压缩力作用在接触销和部件和/或与部件热接触的承载板之间的状态，或者没有来自气动的、液压的或电磁的致动器的压力作用在接触销上。利用该实施方式，能够确保根据部件或承载板与基板之间的距离，能够改变接触销组的有效接触面积。当基板靠近部件或承载板时，最初只有一个接触销或少量接触销与部件或承载板接触。随着部件或承载板与基板之间的距离减小，接触销组中靠外的接触销一个接一个地进入与部件或承载板的热接触。例如，通过使用不同长度的接触销，即通过不同长度的套筒和/或螺旋弹簧，能够实现在未压缩状态下的不同距离。接触销组的轮廓能够与待焊接的部件相匹配；例如，接触销组的边缘能够是圆形或多边形。
优选地，基板的朝向待焊接的部件的一侧是弯曲的，并且特别地，基板具有与待焊接的部件或承载待焊接的部件的承载板互补的形状。以这种方式，确保接触单元能够尽可能同时地与部件或承载板接触，而接触单元不需要具有不同的长度。如果接触单元能够放置在可下降的缩回位置，则基板的弯曲能够使得基板能够与待焊接的部件或者承载板的整个区域尽量发生接触。
优选地，已经发现如果传热装置还包括热源和/或散热器，其中，基板与热源和/或散热器导热接触。例如，基板能够选择性地与热源或散热器接触，或者也能够形成一个具有热源或散热器的结构单元。此外，热源和散热器能够组合成一个装置。例如，作为热源或散热器的各自的功能能够通过冷却剂或加热剂能够选择性地流过该装置，或者能够启动加热装置来实现。
优选地，耐热流体，例如液体金属(特别是液体焊料)、包含硅油的热采原油或高导热弹性体能够用作加热剂或冷却剂。在基板或接触单元中也能够采用相变材料。例如，接触单元和基板之间的连接部能够通过在固相线温度熔化的预成型薄片建立并由此代表一种相变材料。能够以这种方式优化接触单元和热源/散热器之间的热阻。
本发明在一个附属方面涉及具有至少一个传热装置和部件保持件的焊机，传热装置包括热源和/或散热器，其中基板与热源和/或散热器导热接触，在部件保持件中至少一个待焊接的部件是能够固定的，其中部件保持件和基板能够以如下方式相对于彼此复位：因此接触单元的接触表面能够选择地与待焊接的部件导热接触，并且接触表面与基板的朝向部件的表面之间的相对距离是能够变化的。特别地，焊机能够包括多个传热装置，例如，其中传热装置设计为加热装置并且与热源接触，并且另外的传热装置设计为冷却装置并与散热器接触。将部件固定在其中的部件保持件能够选择性地与这些传热装置热接触，其中传热装置和/或部件保持件设计为可适当地复位。
原则上，部件能够直接焊接。通常，部件被作为部件架的部件载体包围，部件架用于运输和处理，从而不必设置单独的载体部件。部件能够借助于按压装置或夹紧装置固定在部件架中。然而，已经发现如果部件保持件包括承载板和按压装置是有利的，该承载板作为用于待焊接的部件的支撑件，该按压装置设计成至少将待焊接的部件压靠在承载板上，特别是通过弹性负载至少将待焊接的部件压靠在承载板上，其中承载板具有至少一个通道，接触单元穿过该至少一个通道，以在接触单元的接触表面和待焊接的部件之间建立热接触。借助于部件保持件，能够以简单的方式固定至少一个待焊接的部件，其中位于承载板上的部件能够是例如底板、基底载体等。按压位于承载板上的部件能够直接进行，即通过按压装置与部件的直接接触，或者间接地，例如使用应该连接到位于承载板上的并与按压装置接触的其他部件。
承载板的使用简化了部件保持件与待焊接的部件的尺寸的适应。还简化了基板对待焊接的部件的适应。也就是说，如果作为底板的部件弯曲以补偿其朝向基板的一侧的热翘曲，则例如能够使用承载板，该承载板在其朝向部件的一侧具有与部件弯曲互补的弯曲，而承载板的朝向基板的另一侧设计成平面。因此能够使用普遍适用的底板。只有承载板的形状必须适应于待支撑的部件。
根据焊机的优选实施方式，部件保持件和基板还能够相对于彼此复位，其中部件保持件和/或传热装置以如下方式设计：当部件保持件和基板彼此靠近时，接触单元对待焊接的部件施加力，使得待焊接的部件从支撑板被顶出。
在某些情况下，可能需要以如下方式控制或致动按压装置：待焊接的部件压靠在承载板上的压力减少或移除。因此，能够想到能够调节地施加按压装置的压力，例如电磁地、电动地或以其它方式施加按压装置的压力。通常，按压装置的压力超过来自接触单元的弹力或接触压力，以防止部件意外地从承载板上被顶出。例如，根据上述实施方式的传热装置能够以如下方式设计：接触单元设置为在凹部中能够复位，并且能够下降到这些凹部中的缩回位置，使得底板的至少占很大比例的表面与承载板接触。因此，基板和承载板上待焊接的部件之间的大面积热交换在该位置实现，其中该热交换通过承载板间接地发生。因此，能够在该缩回位置实现部件的均匀加热。然后，能够减小由按压装置施加的压力，使得位于承载板上的部件通过弹性负载或弹性接触单元施加的力从承载板被顶出，以用于随后的冷却。
优选地，部件保持件还具有至少一个储热条，该至少一个储热条能够与待焊接的部件导热接触，特别是与部件的边缘区域导热接触，其中特别地，该按压装置设计成通过弹性负载将储热条压靠在待焊接的部件上。优选地，储热条配置在待焊接的部件的与承载板相对的一侧。储热条使得能够局部地提高部件的有效热容量，并且以这种方式在待焊接的部件的表面上产生可确定的温度梯度，或者代替补偿由增加的散热(例如在部件的边缘区域)引起的非期望的温度梯度。例如，能够将储热条配置在待焊接的部件的边缘区域，使得当通过与基板或接触单元的接触来冷却部件时，该温度梯度的结果是部件的边缘区域中的焊料比部件的中间部分中的焊料凝固的地慢，使得在凝固期间仍然是液体的焊料能够从外向内流动，从而避免了焊料中形成空腔或裂纹。此外，储热条还能够促进焊料预制件或焊料沉积物和/或其它部件的定位。储热条能够调节底板的弯曲。
例如，待焊接的部件能够通过上述方式从承载板被顶出，以产生该温度梯度，使得仅通过接触单元进行冷却。在温度下降到焊料完全凝固的固相线温度以下之后，这种顶出能够颠倒，使得部件重新完全位于承载板上，结果使温度梯度降低，使得从现在开始部件很大程度上是均匀的，并因此快速地进一步被冷却。
附图说明
本发明的其他优选实施方式来自说明书和附图。
下面参照附图基于示例性实施方式描述本发明。附图示出：
图1是根据一个示例性实施方式的具有多个接触单元的基板的立体图；
图2是根据另一个示例性实施方式的接触单元的平面图；
图3是具有根据图2的接触单元、具有接触单元的替代实施方式的传热装置的立体剖视图；
图4是从侧面和从上方观察的根据另一个示例性实施方式的一组接触单元；
图5是根据本发明的一个示例性实施方式的接触单元的接触表面的细节图；
图6是根据本发明的一个示例性实施方式的承载板的平面图和立体图；
图7是根据本发明的一个示例性实施方式的基板的立体图；
图8是根据本发明的另一个示例性实施方式的基板的立体图和平面图；
图9是待焊接的部件和储热条的各种立体图；
图10是根据本发明的另一个示例性实施方式的部件保持件和传热装置的平面图和剖视图；以及
图11是根据本发明的另一个示例性实施方式的部件保持件和传热装置的立体图和剖视图。
具体实施方式
根据本发明的示例性实施方式的传热装置10包括能够与热源或散热器热接触的矩形基板12。六个接触单元14配置在基板12的表面上，该六个接触单元14也是矩形的，并由例如包含金属颗粒的环氧树脂的导热弹性材料或其它导热弹性材料组成。基板12能够与部件载体(未示出)或直接与部件接触，使得附接到基板12的接触单元14最先接触部件载体的存在高堆积焊料的、特别是待冷却的区域。
图2示出了接触单元的另一个示例性实施方式，如图3a或图3b所示，该接触单元能够设计为弹簧接触销16。根据图3a的实施方式，接触销16包括一侧封闭的铜制的筒形导热套管18，其中安装有弹簧20，例如螺旋弹簧。套筒18包括固体材料部分和用于接收弹簧20的盲孔部分，固体材料部分提供用于接收/释放和储存热能的高热容量。以如下方式设定套筒18的热容量的大小：单独足够在接触部件表面时建立所需的温度梯度。套管18的封闭端面构成接触表面24，该接触表面24能够与待焊接的部件热接触。在图2所示的未压缩状态下，弹簧20从套筒18的开口端面部分地突出，并与套筒18热接触。在弹簧20的内部，导热柱22被保持在从套筒18突出的弹簧20的自由端，并且还热连接到弹簧20。柱22的端面与弹簧20的自由端的端面齐平。
图3a示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的传热装置110，传热装置110包括根据图2的多个接触销16，其中仅在图3a的剖视图中示出了这些接触销16中的一个接触销。传热装置110包括基板112，该基板112具有直接贯通的孔或凹部30，接触销16保持在该孔或凹部30中。冷却板48设置为在基板112下方的散热器。除了冷却板48，加热板也能够设置为热源，或者能够可选择地被操作的其他板也能够设置为热源或散热器。接触销16通过弹簧20的自由端抵靠在冷却板48上，柱22与冷却板48热接触，或者柱22能够紧固到冷却板48。套筒18从基板112的上表面突出，并且贯穿承载板26的通道32。下面将更详细地说明承载板26的功能。
套管18的接触表面24与部件载体或底板28热接触，其中待焊接于此的其它部件能够配置在底板28上。这些其他部件能够例如是大电流半导体部件，该大电流半导体部件能够作为用于电能的整流或反向的半桥或全桥使用。该半导体部件能够配置在具有金属化表面的陶瓷基底上，在该金属化表面上导电线路形成电连接。
从图3a中能够清楚地看出，套筒18能够抵抗弹簧20施加的弹力而完全缩回到基板112中，使得接触表面24实际上与基板112的另一侧齐平。销16立在柱22上。如果基板112移动得更靠近承载板26，则部件和底板28可以被顶出承载板26。
作为图3a的替代方案，图3b示出了具有多个接触单元314的传热装置310的另一个实施方式。多个接触单元一起形成抵靠在公共的接触板321上的组。每个接触单元314包括接触销316，该接触销316包括导热柱319。柱319具有接触表面324和沿轴向与其相反地设置的弹簧片322。接触弹簧320安装在弹簧片323上，并抵靠在接触板321上。接触销316保持在基板312的凹部330中。凹部330具有沿着部件方向径向收缩的区域327，并且柱319具有径向突起325，该径向突起325在未压缩状态下抵靠在凹部330的收缩区域327。因此，接触销316的弹簧运动由凹部330的径向收缩部327的位置、弹簧片323的长度和接触板321的位置来限定。接触板321能够与配置在基板312下方的加热板或冷却板热接触。因此，能够实现热分离(thermal decoupling)，或接触单元314和基板312之间不同的温度。接触单元314能够预先组装在公共的接触板321上，并且插入基板312中，这些独立地适应于焊接工艺。
冷却介质，或在为加热板的构造中的加热介质能够流过冷却板48，以产生所需的冷却效果或加热效果。加热板还能够包括电阻加热导体，并且被电加热。能够是气体或液体的冷却介质仍然能够流过冷却板，或者所述板能够包括电冷却元件，例如帕尔帖元件(Peltier element)。
图4示出了根据另一个示例性实施方式的接触单元组，该接触单元组设计为具有不同长度的接触销116。接触销116的结构对应于图2中的接触销16的结构，其中接触销116的套筒118具有不同的长度。接触销116的弹簧120的长度能够适于接触销116的不同长度。导热柱122能够设置在弹簧120的从套筒118突出的自由端处。
接触销116的组形成圆形单元，其中接触销116的长度从圆心向外部递减，使得接触销116的组的上侧具有圆锥形轮廓。接触销116仍然能够具有相同的长度，并且弹簧120的长度相应地变化。当该接触销116的组靠近部件时，首先接触并冷却部件的中心区域。随着继续靠近，接触区域持续增长。能够以这种方式实现温度梯度的精确分步控制，从而能够实现待焊接的部件的空间上地和时间上地精确冷却。
根据示例性变型，接触销16(图2)或接触销116(图4)的接触区域24能够特别地设计为弹性的和/或弯曲的。
图5示出了根据另一个示例性实施方式的接触单元114，其与图1的传热装置的接触单元14类似，该接触单元114能够配置在基板(未示出)上。接触单元114由弹性且导热的材料组成，并且当处于未压缩状态时具有椭圆形的接触表面124。作为基板靠近部件载体或底板128的结果，只有接触单元114的接触表面124的小部分区域首先与底板128热接触。随着继续靠近，接触单元114变形，使得与底板128接触的接触表面124的区域持续地增加。
下面参考图10和图11描述根据本发明的示例性实施方式的焊机200。焊机200包括传热装置110(如图3a或图3b)以及部件保持件36，能够将待焊接的部件固定在该部件保持件36中。待焊接的部件包括作为部件载体的底板28，以及待焊接到底板28的另外的部件46。底板28具有排列成一排的六个焊料区域50，部件46被配置在六个焊料区域50上。焊料(例如焊膏的形式或被称为焊料预制件的冲压的焊料元件)能够在无焊剂工艺(fluxlessprocess)中设置在部件46和底板28之间。或者，能够使用具有用于待焊接的部件的一体形成的、小面积的容器或具有相应小的底板的载体架38来代替底板28，或者底板128或多个底板，压架40能够借助于销悬置于载体架38，即以浮动方式定位。
图7示出了传热装置110的基板112。该基板112包括六组接触销16，其中每组包括六个同心配置的接触销16。多组接触销16的配置与底板28的焊料区域50的配置相配合。
部件保持件36包括载体架38，承载板26保持在该载体架38中。底板28被放置在承载板26上。部件保持件36还包括压架40，该压架40包括大量弹性安装的压力销42。压架40能够借助于配置在载体架38上的插销44在载体架38上固定到位。
特别地，如图6所示，承载板26具有与接触销16对准的通道32，使得接触销16能够通过承载板26的这些通道32与底板28热接触。
储热条34能够配置在底板28的边缘区域，并且如图所示，这些储热条34能够是连续的或分隔开的。储热条34具有定位销52和定位孔54，定位销52和定位孔54用于将储热条34对准或紧固到底板28或压架40。储热条34用于提供储热容量的局部增长，从而补偿底板28的边缘区域增加的温度损耗或在基板上形成温度梯度，使得边缘区域更慢地冷却。作为该温度梯度的结果，仍然是液体的底板28中间的焊料在冷却过程中首先冷却并凝固，而在更靠外的区域中的焊料仍然是液体，并且这些焊料能够从该区域向内流动以防止形成空腔或裂纹。在冷却过程的最后，底板28的边缘区域中的焊料也已达到其凝固点。
特别地，从图10b和图11c中能够清楚地看出，底板28是预弯曲的，以补偿由于焊接过程而产生的应力。目的是在焊接过程完成并且冷却已经发生之后，底板28是平的，这是通过待焊接的部件的不同热膨胀系数来实现的，当从弯曲形状冷却时，待焊接的部件以与双金属条类似的方式变形成平面对齐。
为了确保承载板26和底板28之间良好的热接触，承载板26设置有凸起的凸缘(convex milling)或凹部56，该凸起的凸缘或凹部56的曲率设计为与板28的曲率互补(特别地，参见图6a和图11b)。承载板26的与凹部56相反的一侧与基板112的上侧相似也优选为平的，以确保这些板之间的全面接触。
当底板28插入部件保持件36中并且压架40借助于插销44紧固到承载架38时，底板28借助于压销42压靠在承载板26上，其中压力至少部分地通过部件46和储热条34间接传递，因此部件46和储热条34也被压靠在底板28上。
当传热装置110靠近承载板26时，首先只有接触销16与底板28热接触，从而实现接触销16的区域中的局部冷却。随着继续靠近，接触销16的接触表面24和基板112之间的距离减小，最终使得接触销16将在很大程度上保持在基板112的凹部30中，最后在传热装置110和承载板26之间建立全面接触，并且因此底板28也与承载板26热接触，以实现底板28的大面积冷却。当传热装置110靠近承载板26时，底板28能够被顶出承载板26。
为了中断承载板26和底板28之间的热接触，插销44能够被部分地或完全地释放，使得由压力销42施加的压力减小甚至去除。或者，能够选择压力销42的压力，使得当传热装置110靠近承载板26时，一旦接触销16完全缩回并且基板112移动并抵靠承载板26，底板28被顶出。当传热装置110靠近部件保持件36时，底板28通过接触销16从承载板26被顶出，因为从此刻开始，压缩接触销16的弹簧20的反作用力消失，或者至少非常小以至于接触销16仅仅略微进入凹部30中。由于没有底板28与承载板26的热接触，能够在与接触销16接触的位置的区域中更精确地控制冷却或更大的温度梯度。
图8示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的传热装置210。传热装置210包括矩形基板212，该矩形基板212的上表面上配置有大量示意性示出的接触单元214。接触单元214能够与接触销16(图2和图3)或由弹性材料形成的接触单元114(图5)对应。接触单元214配置在基板212上的区域密度沿着基板212的边缘是最大的，并且向内减小，即接触单元214之间的间隔从外向内增长。基板212的内部区域没有接触单元214。
为了防止在加热过程中与传热装置210热接触的底板(未示出)上的温度梯度，优选地，能够将这种类型的传热装置210用作加热板或热源。这里的目标是防止自然发生的温度梯度。通常，在较冷的环境中的加热体在边缘区域比在中心处更冷，在这种情况下为承载板26或底板28的边缘。由于在边缘处的传热较高，该温度下降能够被抵消，并且以这种方式在加热时实现更均匀的热分布。通常这对冷却过程几乎没有影响。
当使用根据图1的传热装置10冷却设置有储热条34的底板28(图9)时，六个矩形接触单元14能够接触底板28的中心区域，而配置在底板上的部件通过配置在边缘的储热条34连接到底板28。在约280℃的初始温度下，能够通过在接触单元14的区域中选择性冷却实现冷却至约200℃，而在外部区域中，特别是在储热条34处，具有高大约5℃至20℃的温度。在相当长的时间之后，各个部件已经冷却到低于100℃的温度，而边缘区域，特别是储热条34，仍然能够具有明显更高的温度。在该温度范围内，除了中心区域和边缘区域之间的温度差随着绝对温度的下降而降低，梯度的控制不再重要。结果，焊接连接部从内向外冷却和凝固，因此不会发生机械应力，并且能够通过从外部流入的仍然热的焊料来填充出现的任何空腔或裂纹。通过这种方式能够实现焊接连接部质量的显着提高。
优选地，似乎使用配置在待加热的部件或用于加热的底板28、128的边缘处的接触单元214。接触单元14、114或接触销16、116能够配置在被焊料润湿以冷却的部件或底板28的中心区域处。
优选地，用于加热的基板212的接触单元214以及用于冷却的基板12、112的接触单元14、114或接触销16、116能够相对于部件或底板28、128互补地配置。
附图标记列表
10，110，210，310 传热装置
12，112，212，312 基板
14，114，214，314 接触单元
16，116，316 接触销
18，118 套筒
319 柱
20，120，320 弹簧
321 接触板
22，122 柱
323 弹簧片
24,124,324 接触表面
325 径向柱突起
26 承载板
327 径向凹部收缩
28,128 底板
30，330 凹部
32 通道
34 储热条
36 部件保持件
38 载体架
40 压架
42 压力销
44 插销
46 部件
48 冷却板
50 焊料区域
52 定位销
54 定位孔
56 凹部
200 焊机

Claims (30)

1.一种用于待焊接的部件(28，128)的热耦合的传热装置(10，110，210)，该传热装置(10，110，210)具有位于焊机(200)中的热源和/或散热器(48)，所述传热装置(10，110，210)包括热源和/或散热器(48)和至少一个基板(12，112，212)，该至少一个基板(12，112，212)至少与所述热源和/或所述散热器(48)导热接触，其中所述基板(12，112，212)包括至少两个接触单元(14，114，214)，所述接触单元(14，114，214)具有相应的接触表面(24，124)，其中所述接触表面(24，124)能够与所述部件(28，128)热接触，其中所述接触单元(14，114，214)以如下方式设计：所述接触表面(24，124)和所述基板(12，112，212)的朝向所述部件(28，128)的表面之间的相对距离是能够变化的，其中所述基板(12，112，212)和所述部件(28，128)之间的距离是能够变化的，其特征在于，所述接触单元(14，114，214)以如下方式设计：所述接触表面(24，124)与所述基板(12，112，212)的朝向所述部件(28，128)的表面之间的相对距离能够根据将所述基板(12，112，212)压靠在所述部件(28，128)上的接触压力的变化而变化，所述接触压力由所述基板(12，112，212)和所述部件(28，128)之间的距离变化引起。
2.根据权利要求1所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触单元(14，114，214)能够复位地保持在设置在所述基板(12，112，212)中的凹部(30)中。
3.根据权利要求1所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触单元(14，114，214)能够复位到缩回位置，在该缩回位置，所述接触单元(14，114，214)的所述接触表面与所述基板(12，112，212)的朝向所述部件(28，128)的表面齐平。
4.根据权利要求1所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触单元(14，114)由弹性导热材料形成。
5.根据权利要求4所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触单元(14，114)由金属膏、包含金属颗粒的环氧树脂和/或导电弹性材料形成，所述金属膏、所述包含金属颗粒的环氧树脂和/或所述导电弹性材料设置在所述基板(12)的朝向待焊接的所述部件(128)的一侧上。
6.根据权利要求1所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，相应的接触单元(214)包括具有所述接触表面(24)并且能够相对于所述基板(112，212)调节的接触销(16，116)。
7.根据权利要求6所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，将弹性导热材料涂覆在所述接触销(16，116)的端面。
8.根据权利要求7所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述弹性导热材料为包含金属颗粒的环氧树脂和/或导电弹性材料。
9.根据权利要求6所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触销(16，116)为弹性安装。
10.根据权利要求9所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，相应的接触销(16，116)包括在一侧封闭的导热套筒(18，118)，该导热套筒(18，118)的封闭端面朝向待焊接的所述部件(28，128)，并且弹簧(20，120)容纳在所述套筒中，所述弹簧至少在处于未压缩状态时部分地从所述套筒(18，118)的开口端面突出并且与所述套管(18，118)热接触。
11.根据权利要求10所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，导热柱(22，122)在所述弹簧(20，120)的从所述套筒(18，118)突出的自由端保持在所述弹簧(20，120)的内部，所述柱与所述弹簧(20，120)热连接。
12.根据权利要求11所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述柱(22，122)的端部的端面与所述弹簧(20，122)的自由端的端面齐平或所述柱(22，122)的端部的端面从所述弹簧突出。
13.根据权利要求9所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，相应的接触销(316)具有导热柱(319)，该导热柱(319)的端面朝向待焊接的所述部件(28，128)，并且在所述柱(319)处，弹簧(320)保持在所述柱(319)的弹簧片(323)上。
14.根据权利要求13所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述弹簧(320)在背离所述弹簧片(323)的一侧置于接触板(321)上，所述柱(319)在所述弹簧片(323)的底座处具有径向突起(325)，当所述弹簧(320)处于未压缩状态时，该径向突起(325)置于所述基板(312)的所述凹部(330)的径向收缩部上。
15.根据权利要求6所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触销(16，116)能够机械地调节。
16.根据权利要求6所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触销(16，116)能够气动地调节。
17.根据权利要求6所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触销(16，116)能够液压地调节。
18.根据权利要求6所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触销(16，116)能够电磁地调节。
19.根据权利要求6所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述接触销(116)配置成至少一组接触销(116)，每组接触销(116)包括多个接触销(116)。
20.根据权利要求1所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，在未压缩状态下，每组接触销(116)中的接触销(116)的接触表面与所述底板之间的距离相对于每组接触销(116)中的接触销(116)的位置从内向外减小。
21.根据权利要求1所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述基板(12，112，212)的朝向待焊接的所述部件(28，128)的一侧是弯曲的。
22.根据权利要求21所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述基板设计为具有与待焊接的所述部件(28，128)互补的形状。
23.根据权利要求1所述的传热装置(10，110，210)，其特征在于，所述焊机(200)为真空焊机。
24.一种焊机(200)，包括至少一个根据权利要求1-23中任一项所述的传热装置(10，110，210)，并且包括部件保持件(36)，其中至少一个待焊接的所述部件(28，128)是能够固定的，其特征在于，
所述部件保持件(36)和所述基板(12，112，212)能够以如下方式相对于彼此复位：因此所述接触单元(14，114，214)的所述接触表面能够选择性地与待焊接的所述部件(28，128)导热接触，并且所述接触表面(24，124)和所述基板(12，112，212)的朝向所述部件(28，128)的表面之间的相对距离是能够变化的。
25.根据权利要求24所述的焊机(200)，其特征在于，所述部件保持件(36)包括承载板(26)和按压装置，所述承载板(26)作为用于待焊接的所述部件(28，128)的支撑件，所述按压装置设计为至少将待焊接的所述部件(28，128)压靠在所述承载板(26)上，其中所述承载板(26)具有至少一个通道(32)，所述接触单元(14，114，214)穿过该至少一个通道(32)，以在所述接触单元(14，114，214)的所述接触表面(24，124)和待焊接的所述部件(28，128)之间建立热接触。
26.根据权利要求24或25所述的焊机(200)，其特征在于，所述部件保持件(36)和所述基板(12，112，212)能够相对于彼此定位，其中所述部件保持件(36)和/或所述传热装置(10，110，210)以如下方式设计：当所述部件保持件(36)和所述基板(12，112，212)彼此靠近时，所述接触单元(14，114，214)对待焊接的所述部件(28，128)施加力，使得待焊接的所述部件(28，128)从所述支撑板(26)被顶出。
27.根据权利要求24所述的焊机(200)，其特征在于，所述部件保持件(36)具有至少一个储热条(34)，所述至少一个储热条(34)能够与待焊接的所述部件(28，128)导热接触。
28.根据权利要求27所述的焊机(200)，其特征在于，所述部件保持件(36)具有至少一个储热条(34)，所述至少一个储热条(34)能够与所述部件(28，128)的边缘区域导热接触。
29.根据权利要求28所述的焊机(200)，其特征在于，所述按压装置设计为通过弹性负载将所述储热条(34)压靠在待焊接的所述部件(28，128)上。
30.根据权利要求24所述的焊机(200)，其特征在于，所述焊机(200)为真空焊机。
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