CN107980014A - 用于对平面物体进行非均匀地冷却的装置、方法和系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的装置用于对平面物体(2)进行不均匀地冷却，该平面物体具有第一主面(200)和与其相对的第二主面(202)。在此，通过冷却装置(1)从第一主面的方向冷却平面物体。在第二主面上，加热机构(4)局部地作用在第一分面(204)上，使得平面物体在该第一分面上相对于与该第一分面相邻的第二分面(206)被加载热，使得该第一分面比第二分面更慢地冷却，并因此使得平面物体的第二主面在冷却过程期间至少在冷却的部分时段中具有不均匀的温度分布。

Description

用于对平面物体进行非均匀地冷却的装置、方法和系统
技术领域
本发明描述了一种用于不均匀地冷却平面物体的装置以及相关的方法特别是在电子技术领域。进一步描述了该装置在设备中的应用，更确切地说用于电子技术部件的焊接设备中的应用。
背景技术
尤其，在本领域通常是通过焊料连接将电工技术中的部件彼此连接或连接到部件载体。为了产生这种焊料连接，焊料被布置在两个待连接的元件之间并且与待连接的元件接触，液化焊料被冷却到熔点以下。通过冷却过程而固化的焊料形成在两个元件之间以材料结合的焊料连接。
特别是平面式的料焊连接下，这里期望焊料连接形成均匀的层，这就是说一没有气体夹杂物的层，这被称为收缩孔。
DE 10 2011 081 606 A1公开了一种用于冷却静态液体焊料的冷却装置，在其中，配置复杂的且受控制的热沉引起焊料的有针对性的不均匀冷却。在冷却过程期间焊料的温度分布应被配置为不均匀的，以便引起在冷却焊料时使焊料的固化前部从起始区域开始向外流动。在这种情况下，必须有效地避免产生缩孔。
根据现有技术的所述冷却装置的缺陷在于，对受控制的热沉的复杂调控。
发明内容
基于对所述事实的认知，本发明基于的目的是，提供一种装置和相关方法，其能够以简单的方式影响平面物体的主面的不均匀的冷却，以及给出一种焊接设备，所述装置能够布置在该焊接设备中。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的装置、通过具有权利要求13的特征的方法以及通过具有权利要求15的特征的焊接设备得以实现。优选的实施方式在各自相应的从属权利要求中描述。
根据本发明的装置用于对平面物体进行不均匀的冷却，该平面物体具有第一主面和与所述第一主面相对的第二主面。在此，通过冷却装置从第一主面的方向冷却平面物体。在第二主面上，加热机构局部地作用在第一分面上，使得平面物体在所述第一分面上相对于与所述第一分面相邻的第二分面被加热，使得所述第一分面比第二分面更慢地冷却，而且因此，平面物体的第二主面在冷却过程期间至少在冷却的部分时段中具有不均匀的温度分布。
术语“对第二主面进行冷却”在这里应当被理解为，特别地意味着，平面物体的邻接体积，即，其从第二主面延伸到物体内部的局部体积区域同样被一起冷却。类似地适用于第一分面和第二分面。此外，术语“面”在这里明确地不应在数学意义上进行理解，而是可当作一表面来理解，从而该表面可具有一定的拓扑表现，即在其轮廓中具有不同高度。
当然，除非其本身被排除，单独提及的特征可以存在，特别是第一分面和第二分面也可以以多数形式存在。
优选地，平面物体是功率半导体模块的底板，该功率半导体具有布置在其上的功率电子衬底，其中，在底板和相应衬底之间布置有焊料。可选地，该平面物体可以是功率电子衬底，其具有布置在其上的功率半导体结构元件，其中，在衬底和相应的功率半导体结构元件之间布置有焊料。
优选地，冷却装置构造成水冷装置或空气冷却装置。原则上每个冷却装置在冷却期间都可与平面物体的第一主面热接触或与平面物体的第一主面间隔地设置。同样地，每个冷却装置都可构造成均匀地冷却第一主面，其中在这里理解成在技术可行性的范围内均匀地冷却第一主面。
以特别优选的方式，加热机构与第二主面间隔地布置。在这种情况下，加热机构优选构造成IR-LED(红外发光二极管)或黑体辐射器的技术实现方式，其又优选构造成卤素灯，其中，相应优选的最大波长在0.7微米和10微米之间，优选在0.7微米至3微米。
通常地，为构造成IR-LED或黑体辐射器的加热装置分配附加的射束形成器。尤其所述的射束形成器构造成遮光板、遮光板矩阵、滤光片、滤光片矩阵、全息构件、全息构件矩阵、锥镜、锥镜矩阵、反射镜、反射镜矩阵、透镜或透镜矩阵，或它们的组合。
根据本发明的用于应用上述装置对具有第一主面和与所述第一主面相对的第二主面的平面物体进行不均匀冷却的方法具有下列步骤：
a.在第一时段，通过冷却装置从第一主面的方向对平面物体进行冷却。
b.在第二时段，加热机构局部地作用到第二主面的分面上，使得平面物体在所述分面上相对于第二分面被加热，并且由此在第三时段，使得平面物体在所述第一分面比第二分面更慢地冷却，并因此在所述第三时段中使得平面物体具有不均匀的温度分布。
在此优选的是，第二时段完全地或部分地处于第一时段之前、期间或之后。概念时段在此并非仅仅理解成相关联的时段，而是时段也可以包括多个部分时段，即换句话说，时段也可以是间断的。
对于该方法重要的是，如此选择相应的时段，使得通过局部的相对加热在第一分面的区域中延迟焊料的固化，直至第二分面的区域中已经开始固化。因此可控制固化前部随时间的走向，使得明显减少缩孔形成并且由此使产生的焊料层具有高的质量。
根据本发明的具有上述装置的焊接设备构造成具有多个腔室的连续焊接设备。这种焊接设备通过不同的焊接方法，例如作为汽相焊接设备而得知。该焊接设备大多具有三个工艺腔室，即，用于在焊料温度以下进行预先加热的前腔室、焊料在其内液化的主腔室和冷却腔室。在该冷却腔室中布置有根据本发明的装置。
应理解的是，本发明的各种实施方式可单个地或任意组合地实现，从而实现改进。
尤其上文所述的以及下文描述的特征不仅能够以给出的组合，而且也能够以未排除的组合或单独地使用，而不脱离本发明的范围。
附图说明
从以下对在图1至图6示例性示出的本发明的实施例中或其中的相应部分的说明中得到本发明的其他描述、有利的细节和特征。
图1示出了平面物体的第一实施方式的侧视图，
图2示出了第一种平面物体和根据本发明的装置的第一实施方式，
图3示出了根据本发明的装置的第二实施方式以及平面物体的第二实施方式，
图4示出了第一种平面物体的俯视图，
图5示出了在根据本发明的方法期间第一种平面物体的第二主面的表面温度随时间的变化曲线，
图6示出了根据本发明的装置的第三实施方式以及第一种平面物体。
具体实施方式
图1示出了平面物体2的第一实施方式的侧视图。在该实施方式中，平面物体2具有底板20。在没有一般性限制的情况下，该底板是功率半导体模块的底板并且由铜或主要成分为铜的合金构成。此外，底板20具有例如由薄镍层构成的可焊接的表面镀层。
两个功率电子衬底22布置在底板20的表面上并且借助未示出的焊料层以材料连接的方式与底板20连接。此外，所述功率电子衬底22按本领域常规方式构造并且分别具有以与底板连接的可焊接的层为起始的层顺序。在该层上连接着由工业陶瓷构成的层，再接着的是导电层，该导电层本身被结构化并因此形成为导体线路。所述功率半导体结构元件24布置在该导体线路上并且以专业领域常见的方式材料连接地与导体线路连接。
所述部件20、22、24、26在此形成第一种平面物体2，其第一主面200通过底板20的背离功率电子衬底22的表面形成。通过底板20、功率电子衬底22和功率半导体结构元件24的露出的表面形成平面物体2的与第一主面相对的第二主面202。因此，第二表面具有一定的表面形状，即，在该示图中未按比例再现的表面轮廓。第一种平面物体2形成功率半导体模块的专业领域常见的部件。
图2示出了第一种平面物体2和根据本发明的装置的第一实施方式，根据本发明的装置在此用于形成底板20与两个功率电子衬底22的材料连接、此处为通过焊接技术的连接，其中在此，功率半导体结构元件24已经通过材料连接与衬底22连接。仅为了清楚可见，使底板20、焊料层26和衬底22间隔开地示出。
根据本发明的第一装置具有冷却装置1，冷却装置在此构造成水冷机构10，其具有示意性示出的冷却通道。该冷却装置10的冷却效果在其整体上可通过穿流过的水的量及其温度来调控。因此在面对底板20、即平面物体2的第一主面200的上侧上产生在常见技术精度方面均匀的温度分布。
冷却装置10可与平面物体2的第一主面200带有间隔但也处于直接热接触中地布置。在该方法中也可有利的是，使冷却装置10为了快速的初始冷却与底板20形成接触以开始冷却并且在稍后的步骤中与该底板间隔开地使用，以便降低冷却功率。该方法步骤的具体实施方式原则上与必需的冷却功率相关。但是在此重要的是，没有对冷却装置10的起作用表面进行局部温度调控。
根据本发明的装置的第一实施方式还具有加热机构4，其在此由红外辐射器40、例如具有最大波长为1.2微米的卤素灯构成，该卤素灯具有凸面镜50和反射镜矩阵52以及未示出的遮光板的组件。从卤素灯40发出的光400通过反射镜和遮光板引导，使得该光出现在功率电子衬底22的边缘区域上。关于效果，在此尤其参见关于图4的描述。
图3示出了根据本发明的装置的第二实施方式以及第二种平面物体2。在该平面物体2的第二实施方式中，该平面物体具有功率电子衬底22。此外，该功率电子衬底22以在本领域中常见的方式构造并且具有以下部金属层开始的层顺序，但是其仅是可选的。在该层上接着由工业陶瓷构造的层或其他电绝缘层，在其上又接着导电层，其本身被结构化并因此构造成导体线路。功率半导体结构元件24布置在该导体线路上并且通过焊接技术与之连接。仅为了清楚可见，使功率电子衬底22、焊料层26和功率半导体结构元件24间隔开地示出。
部件22、24、26在此形成第二种平面物体2，其第一主面200由功率电子衬底22的下侧形成。平面物体2的与第一主面相对的第二主面202由功率电子衬底22和功率半导体结构元件24的露出的表面形成。因此，第二表面202具有一定的表面形状，即表面轮廓，其在该示图中未按比例呈现。该第二种平面物体2同样形成功率半导体模块的专业领域常见的部件。
根据本发明的装置的第二实施方式同样具有冷却装置1，其在此构造成空气冷却装置12，其具有示意性示出的冷却鳍。该冷却装置12的冷却效果总体上非常均匀并且通常低于水冷机构的冷却效果。这对特别良好地冷却平面物体2来说可以是有利的。冷却装置12优选与平面物体2的第一主面200处于直接热接触中地布置。
根据本发明的装置的第二实施方式还具有加热机构4，其在此由多个IR-LED42的组合构成，IR-LED具有0.9微米的最大波长并且分别具有对应的透镜54、例如微透镜网格，以及对应的遮光板56。从IR-LED 42发出的光400经由相应对应的透镜和遮光板引导，使得光射到功率半导体结构元件24的边缘区域上。关于这种加热机构的原理上的效果在此还参见关于图5和图6的描述。
如在该方法的过程中在第二主面202上所设置的那样，加热机构4的效果示意性地通过温度变化曲线600示出。在焊料固化的冷却阶段期间，在功率半导体结构元件24的边缘处分别比在相应的功率半导体结构元件24的中间具有更高的温度。
图4示出了第一种平面物体2的俯视图。在此示出了具有两个功率电子衬底22的底板20，其中，仅示出两个功率半导体结构元件24中的其中一个。
此外示出了加热机构的效果。在此，有阴影线的面相应于第二主面202的第一分面204，第一分面相对于其包围的并且在此例如相对于通过第一分面围住的第二分面206具有较高的温度。
对于加热机构重要的是，该加热机构能够局部地相对于整个面、并且具体来说相对于第二分面206地加热第一分面204。该加热在此以及普遍在本发明中尤其不涉及相对于第二主面的起始温度的绝对加热(即使这在方法开始时短期内是可能的)，而是涉及第一分面204相对于第二分面206的相对加热。换句话说即为，涉及绝对的情况，冷却装置的效果明显超过加热机构的效果。这明显是必需的，以便使整个平面物体以及，尤其是焊料层冷却，从而由液态转变成固态。由此，加热机构与冷却装置相反地作用，使得第一分面比相邻的第二分面冷却得更慢。因此焊料起初在第二分面中固化并且固化前部沿着通过加热机构最强烈加热的方向移动，由此例如明显减少了在焊料层中的气体夹杂、名义上的缩孔。
图5示出了沿着图4的第一种平面物体的剖切线A-A的、第二主面202的表面温度60、602、603、604、605在根据本发明的方法的时间进程期间随时间的变化曲线。分别示出了相对温度。
在方法开始之后的第一时间点(第一曲线)，在功率电子衬底的边缘处的区域比其中间区域稍微更热，中间区域具有与底板相同的温度。
在稍后的时间点(第二曲线)，温度差增加，此外显示出在功率电子衬底之间的底板的温度稍微提高。
在稍后的时间点(第三曲线)，这种效果已经再次加强，但是底板的温度保持在功率电子衬底的边缘区域的温度以下。在此明显地，在工艺过程中第一分面伸展并且第二分面收缩。理想的是，在该时间点焊料开始固化，因为固化区域在此非常受限地位于相应的功率电子衬底的中间。在逐渐冷却的情况下，此时固化前部从功率电子衬底的中间移动到边缘区域。
直至接近冷却结束(其中在稍后的时间点(第四曲线)焊料基本完全固化)，在功率电子衬底的边缘区域中存在相对更高的温度。
在方法开始时典型的温度为250℃。在该温度下，焊料完全为液态。此外，整个平面物体处于热平衡。随着借助冷却装置对第一主面的冷却开始进行冷却。因为在时间上延迟地在第二主面上开始冷却，所以加热机构可在开始冷却第一主面之前不久、与开始冷却第一主面同时地或在开始冷却第一主面之后不久地进行。在此有利的是，第一分面上没有局部地超过起始温度。
冷却过程的在此主要涉及部分结束，在其中，在此示例性假设焊料在平面物体具有200℃的均匀温度时具有固化温度220℃。在从250℃到200℃的这种冷却阶段中，温度差Δθ在2℃和5℃之间，其中，该值尤其保持在从230℃至210℃的冷却阶段的温度范围中。
图6示出了根据本发明的装置的第三实施方式以及第一种平面物体2。在此主要的是，加热机构4可简单且同时多变地构造。加热机构由IR-LED 42的矩阵构成，其可单个地被操控，理想地也可单独地调节其功率并且布置在第二主面的相关区域之上。为了进一步改进效果、尤其使效果均匀可为各个IR-LED 42使用上述的在本领域中常见的射束形成器。
借助该第三种根据本发明的装置，不仅能够描绘局部的加热，而且能够近似任意地分配并且控制局部加热。
因此可决定焊料在其上确定开始固化的第一分面的区域。同样地，固化前部的走向可如其传播速度一样地被单独控制。因此，通过IR-LED的简单的功率调控能够在时间和空间上最高度独立地固化焊料。

Claims (15)

1.用于对平面物体(2)进行非均匀地冷却的装置，所述平面物体具有第一主面(200)和与所述第一主面相对的第二主面(202)，其中，通过冷却装置(1)从所述第一主面(200)的方向冷却所述平面物体(2)，并且其中，在所述第二主面(202)上，加热机构(4)局部地作用在第一分面(204)上，使得所述平面物体(2)在所述第一分面(204)上相对于与所述第一分面(204)相邻的第二分面(206)被加热，使得所述第一分面(204)比所述第二分面(206)更慢地冷却，并因此使得所述平面物体(2)的第二主面(202)在冷却过程期间至少在冷却的部分时段中具有不均匀的温度分布。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面物体(2)是功率半导体模块的底板(20)，所述底板具有布置在其上的功率电子衬底(22)并且在所述底板(20)和相应的衬底(22)之间布置有焊料(26)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面物体(2)是功率电子衬底(22)，所述功率电子衬底具有布置在其上的功率半导体结构元件(24)并且在所述衬底(22)和相应的功率半导体结构元件(24)之间布置有焊料(26)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷却装置(1)构造成水冷机构(10)或空气冷却装置(12)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷却装置(1)在冷却期间与所述平面物体(2)的第一主面(200)热接触或与所述平面物体(2)的第一主面(200)间隔开地设置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷却装置(1)构造成均匀地冷却所述第一主面(200)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热机构(4)与所述第二主面(202)间隔开地布置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热机构(4)构造成黑体辐射器，尤其是卤素灯(40)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热机构(4)构造成LED、尤其是IR-LED(42)。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，为所述加热机构(4)分配附加的射束形成器(50、52、54、56)。
11.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述加热机构(4)的最大波长在0.7微米和10微米之间，优选在0.7微米和3微米之间。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述射束形成器构造成遮光板(54)、遮光板矩阵、滤光片、滤光片矩阵、全息构件、全息构件矩阵、锥镜、锥镜矩阵、反射镜(50)、反射镜矩阵(52)、透镜或透镜矩阵，或它们的组合。
13.用于应用前述权利要求中任一项所述的装置对具有第一主面(200)和与该第一主面相对的第二主面(202)的平面物体(2)进行不均匀冷却的方法，其中：
a.在第一时段，通过冷却装置(1)从所述第一主面(202)的方向对所述平面物体(2)进行冷却，
b.在第二时段，加热机构(4)局部地作用到所述第二主面(202)的第一分面(204)上，使得所述平面物体(2)在所述第一分面(204)上相对于第二分面(206)被加热，并且由此在第三时段，使得所述平面物体(2)在所述第一分面(204)比所述第二分面(206)更慢地冷却，并因此在该第三时段中使得所述平面物体具有不均匀的温度分布。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二时段完全地或部分地处于所述第一时段之前、期间或之后。
15.具有根据权利要求1至12中任一项所述的装置的焊接设备，其中，所述接焊设备构造成具有多个腔室的连续焊接设备，其中，所述装置布置在冷却腔室中。
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