CN108376669A - 共晶焊接组件及共晶焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种共晶焊接组件，该组件包括底座和盖板。盖板盖压于底座上，底座与盖板相对的一面设为上表面，上表面设有第一凹槽，第一凹槽用于收容载体、合金焊料及芯片。第一凹槽的底部设有通孔。底座还包括用于支撑底座的支撑部，支撑部设于与上表面相对的下表面上。盖板包括凸起，凸起所在盖板的一面正对第一凹槽，且凸起沿盖板厚度方向的投影落入第一凹槽内。支撑部和通孔的设置使得底座与水平面相距一定的距离，确保底座有足够的空间进行气体交换，从而在共晶焊接时改善产品空洞率较高的问题，也可提高热能的利用效率，使得共晶焊接组件里面的温度与焊接炉的室内温度的温差更小。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波微组装技术领域，特别是涉及一种共晶焊接组件及共晶焊接方法。
背景技术
真空共晶焊接技术是近几年出现的一种新的焊接方法。与传统的导电银胶贴装工艺相比，共晶焊接技术所采用的共晶焊片比导电胶具有更好的导热性和导电性，更适用于要求散热好的大功率电路芯片或基片、要求接触电阻小的高频电路芯片。目前很多中小企业及研究所采用比较传统的温控加热平台，通过人工操作完成共晶焊接工艺。虽然整个操作过程有氮气保护，但同时也处于暴露在空气的大环境下，存在空洞率较高的问题，导致共晶焊接效果难以保障，成品的合格率较低。也有一些企业或者科研所利用真空烧结炉完成共晶焊接工艺，但由于共晶焊接夹具设计的不合理，也面临着空洞率较高，成品合格率低的问题。
发明内容
基于此，有必要针对空洞率较高的问题，提供一种共晶焊接组件及共晶焊接方法。
一种共晶焊接组件，所述组件包括底座和盖板；所述盖板盖压于所述底座上，所述底座与所述盖板相对的一面设为上表面，所述上表面设有第一凹槽，所述第一凹槽用于收容载体、合金焊料及芯片，所述第一凹槽的底部设有通孔；所述底座还包括用于支撑所述底座的支撑部，所述支撑部设于与所述上表面相对的下表面上；所述盖板包括凸起，所述凸起所在所述盖板的一面正对所述第一凹槽，且所述凸起沿所述盖板厚度方向的投影落入所述第一凹槽内。
在其中一个实施例中，所述底座还设有第二凹槽；所述第二凹槽设置在所述下表面上，且所述第一凹槽与所述第二凹槽通过所述通孔相通。
在其中一个实施例中，所述第一凹槽与所述第二凹槽对应的边均平行设置。
在其中一个实施例中，所述第一凹槽沿所述底座厚度方向的投影与所述第二凹槽沿所述底座厚度方向的投影完全重叠。
在其中一个实施例中，所述第一凹槽设有缺口；所述缺口处于所述第一凹槽每相邻两侧面的交汇处，且所述缺口的深度等于所述第一凹槽的深度。
在其中一个实施例中，所述通孔呈阵列排布。
在其中一个实施例中，所述组件还包括连接件，所述连接件包括连接部和固定部；所述盖板设有第一定位孔，所述第一定位孔沿所述盖板的厚度方向贯穿所述盖板，所述底座沿所述底座的厚度方向设有第二定位孔，所述连接部的一端插入所述第一定位孔中，另一端插入所述第二定位孔中；所述固定部旋进所述连接部中，用于固定所述连接部插入所述第一定位孔或所述第二定位孔的深度。
在其中一个实施例中，所述连接部包括带有螺纹的销钉，所述固定部包括与所述销钉的螺纹相匹配的螺母。
在其中一个实施例中，所述连接部的一端固定于所述第一定位孔中，所述第二定位孔的深度介于所述第一凹槽的深度与所述底座的厚度之间。
一种共晶焊接方法，利用上述的共晶焊接组件，所述方法包括：
将所述共晶焊接组件放置于焊接炉中石墨板的中心位置上；
打开所述组件，依次将载体、合金焊料及芯片层叠放置于所述第一凹槽内；
调整所述载体，所述合金焊料及所述芯片的位置，直至所述载体、所述合金焊料及所述芯片与所述第一凹槽的底部的中心在一条直线上；
调节所述固定部在所述连接部的位置，直至固定部承担一部分盖板的重量；
闭合焊接炉，调整焊接工艺参数，开始进行共晶焊接直至共晶焊接完成。
上述共晶焊接组件包括底座和盖板。盖板盖压于底座上，底座与盖板相对的一面设为上表面，该上表面设有第一凹槽，第一凹槽用于收容载体、合金焊料及芯片，第一凹槽的底部设有通孔。底座还包括用于支撑底座的支撑部，支撑部设于与上表面相对的下表面上，使得底座与水平面相距一定的距离，确保底座有足够的空间进行气体交换，从而在利用焊接炉进行共晶焊接时改善产品空洞率较高的问题，同时也可以提高热能的利用效率，使得共晶焊接组件里面的温度与焊接炉的室内温度的温差更小。盖板包括凸起，凸起所在盖板的一面正对第一凹槽，且凸起沿盖板厚度方向的投影落入第一凹槽内，可以为第一凹槽内的芯片施加一定的压力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为一实施方式提供的共晶焊接组件处于打开状态下的结构示意图；
图2为图1所示实施方式的共晶焊接组件处于闭合状态下的结构示意图；
图3为图1所示实施例的共晶焊接组件处于闭合状态下沿图2所示虚线剖开的其中一个实施例中的结构示意图；
图4为图2所示实施例的共晶焊接组件处于闭合状态下沿图2所示虚线剖开的其中一个实施例中的结构示意图；
图5为图4所示实施例的共晶焊接组件处于打开状态下沿图2所示虚线剖开的其中一个实施例中的结构示意图；
图6为一实施方式提供的共晶焊接方法。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参考图1及图2，一实施方式提供了一种共晶焊接组件。该组件包括底座100和盖板200。该底座100和盖板200的形状、大小均不限。优选地，该底座100和盖板200的形状均呈正方形，且大小完全相同。
盖板200盖压于底座100上，底座100与盖板200相对的一面设为上表面，上表面设有第一凹槽110，第一凹槽110用于收容载体310、合金焊料320及芯片330。具体地，盖板200与底座100依次层叠设置，底座100与盖板200相对的一面为上表面，该上表面设有第一凹槽110。该第一凹槽110的形状不限，且第一凹槽110可位于上表面的任意位置。另外，盖板200的厚度比第一凹槽110的深度也略高1cm～2cm。优选地，该第一凹槽110的形状为正方形，且该第一凹槽110的中心与上表面的中心在一条直线上。
第一凹槽110的底部设有通孔112。具体地，通孔112位于第一凹槽110的底部，通孔112的尺寸大小和数量可根据实际需求进行设定，通孔112的形状不限。该通孔112主要用于将第一凹槽110内的空气可通过该通孔112与外部气体进行交换。优选地，通孔112呈圆柱体。
在一实施例中，通孔112呈阵列排布。优选地，通孔112在第一凹槽110的底部呈3*4阵列排布。
请参考图3，底座100还包括用于支撑底座100的支撑部120，支撑部120设于与上表面相对的下表面上。具体地，支撑部120设置于底座100的下表面上，支撑部120的数量、大小、形状均不限，只要能确保支撑起底座100，使得底座100与水平面相距一定的距离即可。该支撑部120可确保底座100的下表面远离水平面，确保有足够的空间进行气体交换，可在利用焊接炉进行共晶焊接时改善产品空洞率较高的问题，同时也可以提高热能的利用效率，使得共晶焊接组件里面的温度与焊接炉的室内温度的温差更小。优选地，该支撑部120呈长方体，数量为四个，且均沿该长方体的厚度方向对称分布于底座100的下表面的四个角落上，并与底座100一体成型。
盖板200包括凸起210，凸起210所在盖板200的一面正对第一凹槽110，且凸起210沿盖板200厚度方向的投影落入第一凹槽110内。具体地，盖板200正对第一凹槽110的一面设有凸起210，且该凸起210的大小与第一凹槽110的大小相匹配，在盖板200盖压于底座100上时，该凸起210可落于第一凹槽110内，主要为第一凹槽110内的芯片330施加一定的压力。优选地，该凸起210呈长方体，且该凸起210的中心与盖板200的中心在一条直线上，还与盖板200一体成型。
该共晶焊接组件中通孔112和支撑部120的设置，使得底座100与水平面相距一定的距离，确保底座100有足够的空间进行气体交换，从而在利用焊接炉进行共晶焊接时改善产品空洞率较高的问题，同时也可以提高热能的利用效率，使得共晶焊接组件里面的温度与焊接炉的室内温度的温差更小。盖板200包括凸起210，凸起210所在盖板200的一面正对第一凹槽110，且凸起210沿盖板200厚度方向的投影落入第一凹槽110内，可以为第一凹槽110内的芯片330施加一定的压力。
在一实施例中，底座100还设有第二凹槽130。第二凹槽130设置在下表面上，且第一凹槽110与第二凹槽130通过通孔112相通。具体地，第二凹槽130在下表面的位置只要能确保第一凹槽110与第二凹槽130可通过通孔112相通即可，且该第二凹槽130的尺寸大小、形状均不限，该第二凹槽130的作用可为通孔112进行气体交换提供更大的空间，从而在进行共晶焊接时进一步改善空洞率较高的问题。
优选地，第一凹槽110与第二凹槽130对应的边均平行设置。具体地，第一凹槽110与第二凹槽130的形状完全相同，设置在上表面的第一凹槽110与设置在下表面的第二凹槽130的各对应边相互平行。
在一实施例中，第一凹槽110沿底座100厚度方向的投影与第二凹槽130沿底座100厚度方向的投影完全重叠。具体地，设置在上表面的第一凹槽110与设置在下表面的第二凹槽130的尺寸大小完全相同，各对应边也相互平行，且第一凹槽110与第二凹槽130的位置上下相对，可确保第一凹槽110底部所设置的通孔112可完全通过第二凹槽130与外部相同，从而为通孔112进行气体交换而提供更大的交换空间。
在一实施例中，请继续参考图1，第一凹槽110设有缺口114。缺口114处于第一凹槽110每相邻两侧面的交汇处，且缺口114的深度等于第一凹槽110的深度。具体地，由于第一凹槽110需要收容载体310、合金焊料320及芯片330，而这些载体310、合金焊料320及芯片330的大小又恰好与第一凹槽110的尺寸大小相匹配，导致后期在第一凹槽110内几乎没有空间可以调整载体310、合金焊料320及芯片330的位置，而缺口114的设置正是为调整载体310、合金焊料320及芯片330的位置而提供一些空间。该缺口114的形状不限，只要能提供空间即可。优选地，该缺口114呈半圆形。
在一实施例中，请继续参考图1及图3，组件还包括连接件400，连接件400包括连接部410和固定部420。盖板200设有第一定位孔220，第一定位孔220沿盖板200的厚度方向贯穿盖板200，底座100沿底座100的厚度方向设有第二定位孔140，连接部410的一端插入第一定位孔220中，另一端插入第二定位孔140中。固定部420旋进连接部410中，用于固定连接部410插入第一定位孔220或第二定位孔140的深度。
具体地，第一定位孔220可位于盖板200中除凸起210所在位置之外的其他位置，且第一定位孔220沿盖板200的厚度方向贯穿整个盖板200，连接部410的一端插入第一定位孔220中，另一端插入第二定位孔140中，可通过调节固定部420在连接部410的位置，从而确定连接部410插入第一定位孔220或第二定位孔140的深度。
在一实施例中，连接部410的一端未固定于第一定位孔220中，连接部410的另一端固定于第二定位孔140中，可通过调节固定部420的位置，从而改变连接部410插入第一定位孔220的深度，进而改变盖板200施加在芯片330上的压力，从而可以更好的匹配好盖板200的高度，也为以后生产不同高度的样品做好准备。
在一实施例中，连接部410的一端固定于第一定位孔220中，连接部410的另一端未固定于第二定位孔140中，可通过调节固定部420的位置，从而改变连接部410插入第二定位孔140的深度，进而改变盖板200施加在芯片330上的压力，从而可以更好的匹配好盖板200的高度，也为以后生产不同高度的样品做好准备。具体地，请参考图2及图4，第一定位孔220分布于盖板200沿其上表面的一条对角线上，第二定位孔140也分布于底座100上表面的一条对角线上，且连接部410的一端可插入第一定位孔220，另一端可插入第二定位孔140，从而使底座100与盖板200连接起来，同时，由于连接部410的一端固定于第一定位孔220中，则可通过调整固定部420在连接部410的位置，从而改变连接部410插入第二定位孔140的深度，进而可以更好的匹配好盖板200的高度，也为以后生产不同高度的样品做好准备，还可以承担盖板200一部分的重量，避免盖板200的全部重量都压在芯片330表面，尽量让盖板200轻压在芯片330的表面，同时可以让芯片330在同一水平面上受力均匀，从而保证焊接后的芯片330的高度在同一水平面上，也为下一工序金线键合做好准备，保证了同一水平面上的弧高高度统一。
在一实施例中，连接部410的一端固定于第一定位孔220中，第二定位孔140的深度介于第一凹槽110的深度与底座100的厚度之间。具体地，第二定位孔140的深度大于第一凹槽110的深度，小于底座100的厚度，这样设置的目的在于为连接部410向下移动提供一定的空间，这样就可以灵活调整连接部410插入第二定位孔140的深度，从而可以更好的匹配好盖板200的高度，也为以后生产不同高度的样品做好准备，还可以承担盖板200一部分的重量，避免盖板200的全部重量都压在芯片330表面，尽量让盖板200轻压在芯片330的表面，同时可以让芯片330在同一水平面上受力均匀，从而保证焊接后的芯片330的高度在同一水平面上，也为下一工序金线键合做好准备，保证了同一水平面上的弧高高度统一。优选地，第二定位孔140的深度比第一凹槽110的深度的高1cm左右。
在一实施例中，请参考图4及图5，连接部410包括带有螺纹的销钉，固定部420包括与销钉的螺纹相匹配的螺母。具体地，销钉的一端插入第一定位孔220中，销钉的另一端插入第二定位孔140中，通过改变旋进销钉中的螺母的位置，进而改变销钉所插入第一定位孔220或第二定位孔140的深度。
一实施方式提供了一种共晶焊接方法。该共晶焊接方法利用了上述任一种共晶焊接组件。该方法包括：
步骤S110，将共晶焊接组件放置于焊接炉中石墨板的中心位置上。具体地，先将共晶焊接组件放置于焊接炉中，以免后续再将定好芯片330位置的共晶焊接组件从工作台上运送到焊接炉的腔室里面，避免在运送过程中可能造成芯片330轻微的位置移动，从而导致焊接的芯片330不合格。其中，焊接炉可以是真空烧结炉，也可以是回流炉，也可以是其他类型的炉子，只要能实现共晶焊接即可。
在步骤S110之前还需做一些准备工作，在本实施例中，我们所选用的载体310为钼铜载体，即先准备好钼铜载体、金锡合金焊料、镊子、放大镜、铅笔、共晶焊接组件和真空烧结炉等。再用铅笔在钼铜载体上轻轻画上一些栅格，以方便芯片330定位。
步骤S120，打开组件，依次将载体310、合金焊料320及芯片330层叠放置于第一凹槽110内。其中，合金焊料320可以是金锡合金焊料、锡银铜合金焊料、锡铅合金焊料等。
步骤S130，调整载体310、合金焊料320及芯片330的位置，直至载体310、合金焊料320及芯片330与第一凹槽110的底部的中心在一条直线上。具体地，利用镊子、放大镜工具，借助栅格、共晶焊接组件里第一凹槽110中的圆柱体通孔112辅助定位，将钼铜载体、金锡合金焊料、芯片330的位置定好，以等待共晶焊。
步骤S140，调节固定部420在连接部410的位置，直至固定部420承担一部分盖板200的重量。其中，该固定部420可以承担盖板200的一部分重量，避免盖板200的全部重量都压在芯片330表面，尽量让盖板200轻压在芯片330的表面，同时可以让芯片330在同一水平面上受力均匀，从而保证焊接后的芯片330的高度在同一水平面上，也为下一工序金线键合做好准备，保证了同一水平面上的弧高高度统一。
步骤S150，闭合焊接炉，调整焊接工艺参数，开始进行共晶焊接直至共晶焊接完成。其中，在调整烧结工艺温度曲线工艺参数时，需要将融熔温度调节到320～340℃，正负温差为2℃，持续时间为20～35s，因为金锡合金焊料的共晶温度为280℃，所以设备上的温度要比这个温度高40～60℃左右。
利用该共晶焊接组件的共晶焊接方法，在进行共晶焊接时，共晶焊接组件里面的空气可以通过这些通孔112和外面的空气自由的进行交换，即外面的空气可以通过这些通孔112进入组件里面，组件里面的氧气等气体可以通过这些通孔112排出去，设备上的氮气保护气体可以通过这些通孔112进入组件内部空间中。在处于充氮气阶段时，氮气可以通过这些通孔112进入组件内部，填充组件内部空间，把非氮气气体排挤出去，让组件里面的空间保持纯氮气的气氛，这样可以改善产品空洞率较高的现状，提高成品合格率。在处于抽真空阶段时，组件里面的空气可以通过这些通孔112被设备抽取掉，组件里面的空间也会形成一个真空状态，一旦组件里面形成一个真空状态，钼铜载体表面就会通过这些通孔112被牢牢吸附，降低位置偏移的风险。每批次的芯片330成品位置将不会相差太多，几乎保证了每批次芯片330产品的位置整齐划一。除此以外，当芯片330与合金焊料320处于真空状态下，自身重量就变成一个优势，芯片330面积和合金焊料320的面积越大，自身重量优势越明显，它们能够利用自身重量去挤压残存在两者间的氧气等气体，把氧气等气体尽量挤压出去，把空气泡数量降低到更低的水平上，这样可以改善产品空洞率较高的现状，提高成品合格率。在处于高温加热阶段时，炉里的热能能够迅速通过这些通孔112进入组件里面，从而更加有效的对第一凹槽110内的材料进行加热，热能利用效率更高，而且组件里面的温度与炉里的温度之间的温差缩小，两者的温度更加接近，可以更加快速有效的加热材料，而且材料各处的温度差异也更小，几乎接近温度均一的程度，这样更加有利于共晶焊工艺。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种共晶焊接组件，其特征在于，所述组件包括底座和盖板；所述盖板盖压于所述底座上，所述底座与所述盖板相对的一面设为上表面，所述上表面设有第一凹槽，所述第一凹槽用于收容载体、合金焊料及芯片；所述第一凹槽的底部设有通孔；所述底座还包括用于支撑所述底座的支撑部，所述支撑部设于与所述上表面相对的下表面上；所述盖板包括凸起，所述凸起所在所述盖板的一面正对所述第一凹槽，且所述凸起沿所述盖板厚度方向的投影落入所述第一凹槽内。
2.根据权利要求1所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述底座还设有第二凹槽；所述第二凹槽设置在所述下表面上，且所述第一凹槽与所述第二凹槽通过所述通孔相通。
3.根据权利要求2所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述第一凹槽与所述第二凹槽对应的边均平行设置。
4.根据权利要求1所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述第一凹槽沿所述底座厚度方向的投影与所述第二凹槽沿所述底座厚度方向的投影完全重叠。
5.根据权利要求1所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述第一凹槽设有缺口；所述缺口处于所述第一凹槽每相邻两侧面的交汇处，且所述缺口的深度等于所述第一凹槽的深度。
6.根据权利要求1所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述通孔呈阵列排布。
7.根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述组件还包括连接件，所述连接件包括连接部和固定部；所述盖板设有第一定位孔，所述第一定位孔沿所述盖板的厚度方向贯穿所述盖板，所述底座沿所述底座的厚度方向设有第二定位孔，所述连接部的一端插入所述第一定位孔中，另一端插入所述第二定位孔中；所述固定部旋进所述连接部中，用于固定所述连接部插入所述第一定位孔或所述第二定位孔的深度。
8.根据权利要求7所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述连接部包括带有螺纹的销钉，所述固定部包括与所述销钉的螺纹相匹配的螺母。
9.根据权利要求7所述的共晶焊接组件，其特征在于，所述连接部的一端固定于所述第一定位孔中，所述第二定位孔的深度介于所述第一凹槽的深度与所述底座的厚度之间。
10.一种共晶焊接方法，其特征在于，利用权利要求7-9中任一项权利要求所述的共晶焊接组件，所述方法包括：
将所述共晶焊接组件放置于焊接炉中石墨板的中心位置上；
打开所述组件，依次将载体、合金焊料及芯片层叠放置于所述第一凹槽内；
调整所述载体，所述合金焊料及所述芯片的位置，直至所述载体、所述合金焊料及所述芯片与所述第一凹槽的底部的中心在一条直线上；
调节所述固定部在所述连接部的位置，直至固定部承担一部分盖板的重量；
闭合焊接炉，调整焊接工艺参数，开始进行共晶焊接直至共晶焊接完成。
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