CN109920755B - 一种纳米银焊膏低压辅助烧结夹具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米银焊膏压力辅助烧结夹具及方法，夹具包括底座，定位板，压块，压力弹簧，盖板，凹字形卡块和固定销钉；压块为与芯片接触的矩形端和套上压力弹簧的柱端结构；底座上设置有基板和芯片的定位槽，定位板与底座相同位置设置有压块定位孔，盖板相同位置设置有压力弹簧定位孔；定位板高度与压块矩形端上沿同高；在底座的侧壁上设置有定位板卡槽；所述压块定位孔中穿过压块矩形端，所述压块柱端套有压力弹簧，压力弹簧压缩时长度大于压块柱端；压力弹簧上端插入盖板中部的弹簧定位孔中；盖板两端和底座两端嵌入凹字型卡块中并用销钉固定。发明装置及方法可提高纳米银焊膏烧结式模块生产制作效率，推动其发展应用。

Description

一种纳米银焊膏低压辅助烧结夹具及方法

技术领域

本发明涉及一种焊接夹具及方法，尤其涉及一种芯片纳米银焊膏低压辅助烧结夹具及方法。

背景技术

IGBT具有开关速度快，开关损耗小，电流密度大等优点，相比于其他功率器件，IGBT在高电压，高电流和高速三方面存在明显的优势，所以其在需要大功率模块电子器件的混合电动汽车领域中得到了广泛的应用。采用低熔点钎料的传统钎焊连接IGBT芯片和基板的方式，渐渐不能满足模块体积更小，功率密度更大的发展趋势。新出现的低温烧结纳米银焊膏技术，凭借其导电导热性好，熔点高的优点，有望在实际生产中替代传统钎焊方式，更好的提高功率模块性能。

但在使用低温烧结纳米银技术连接大面积芯片时，在焊膏层容易出现空洞缺陷，导致连接性能差，所以在烧结过程中需要附加压力。现有技术中，一般可通过热压机完成此对单个芯片的加压烧结，如申请号为201611120752.7的中国发明专利申请所公开的一种辅助烧结装置，可完成大面积芯片的压力辅助烧结。对于多芯片，申请号为201510354802.7的中国发明专利申请所公开的一种辅助夹具，可以实现不同厚度，多个芯片的加压烧结。但现有技术无法实现多芯片的同步加压，且压力装置拆卸不便。在实际生产中，模块制造要求高效率，这就要求辅助工装夹具在装卸时要尽可能的方便，从而节约时间降低成本。由于现有的施压辅助夹具不易装装配和拆卸，所以需要一种装卸简单，便于批量生产的装置以及方法。

发明内容

本发明提供一种低温烧结纳米银焊膏压力辅助夹具及方法，用以解决现有设备装置装卸复杂且不能实现多芯片同步加压，对功率模块批量生产造成难度的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种纳米银焊膏压力辅助烧结夹具，包括底座、定位板、压块、压力弹簧、盖板、凹字形卡块和固定销钉；其特征是底座上设置有基板和芯片的定位凹槽，定位板与底座相同位置设置有压块定位孔，盖板相同位置设置有压力弹簧定位孔；压块为与芯片接触的矩形端和套上压力弹簧的柱端结构；定位板高度与压块矩形端上沿同高；在底座的侧壁上设置有定位板卡槽；压块定位孔中穿过压块矩形端，压块柱端套有压力弹簧，压力弹簧压缩时长度大于压块柱端；压力弹簧上端插入盖板中部的弹簧定位孔中；盖板两端和底座两端嵌入凹字型卡块中并用销钉固定。

所述定位板和盖板上开设有很多圆形通孔，且盖板上的孔和定位板上的孔轴线重合，位于同一竖直方向上。

所述盖板中部开设有装配压力弹簧的半通孔，压力弹簧与半通孔在同一竖直方向上。

所述定位板上有与芯片大小相同的压块定位孔，压块定位孔垂直位于芯片上方。

所述凹字型卡块为三边结构，平行两边为上翼板和下翼板，垂直边为肋板；凹字型卡块上翼板、下翼板之间的距离大于盖板端部和底座伸出端厚度之和。

所述凹字型卡块的上翼板和盖端部开设有位置、大小相同的销钉定位孔，通孔中插入有一圆柱形固定销钉，用于固定盖板和凹字型卡块。

利用本发明的夹具实现多个不同厚度芯片的同时加压烧结的方法，先将纳米银焊膏连接的芯片和DBC基板置于加热台上干燥，干燥后将芯片和基板放入底座的基板定位凹槽中；将定位板固定在底座上；将压块插入定位板上的定位板定位孔中，方头端与芯片接触；将压力弹簧套入压块圆柱端；将盖板置于压力弹簧上方，使压力弹簧插入盖板中部的弹簧定位孔中；从盖板垂直上方对盖板加压，使盖板下移到指定位置；将凹字型卡块套在盖板和底座两端，销钉定位孔中插入销钉；夹具装配完成后，按照设定工艺进行烧结。

详细说明如下：

所述的定位板和盖板上开设有很多圆形通孔，用于烧结气体流通，且盖板上的孔和定位板上的孔轴线重合，位于同一竖直方向上。

所述盖板中部开设有圆形半通孔，孔的直径比压力弹簧稍大一点，装配时孔与压力弹簧在同一竖直方向上。

所述的定位板上有与芯片大小相同的压块定位方孔，压块定位方孔垂直位于芯片上方。

所述凹字型卡块上翼板、下翼板之间的距离大于盖板端部和底座伸出端厚度之和，在盖板和底座之间留有一定间隙，方便夹具的拆卸。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

借助发明夹具，通过盖板、弹簧和压块对芯片施加压力，能够实现不同厚度多芯片的同步加压，避免了因为加压不同步对焊膏造成的影响；设置多处定位结构提高了压力施加的精确度；未采用螺母和螺栓结构，整体装置结构简单，装卸便利，大大减少了装配时间，适用于纳米银焊膏低压辅助烧结，可提高纳米银焊膏烧结式模块制作效率。

附图说明

图1是本发明夹具的主视图；

图2是所示夹具的底座结构示意图；

图3是所示夹具的定位板结构示意图；

图4是所示夹具的压块结构示意图；

图5是所示夹具的无盖板位置结构示意图；

图6是所示夹具的盖板、弹簧和压块位置结构示意图；

图7是所示夹具的主视剖视图；

图8是所示夹具的凹字形卡块结构示意图；

图9是该发明具体实施方式中采用的一种烧结温度曲线；

图中：1、底座，2、凹字形卡块，3、固定销钉，4、盖板，5、压力弹簧，6、压块，7、定位板，8、基板和芯片，9、定位板卡槽，10、基板定位凹槽，11、底座伸出端，12、定位板通气孔，13、压块定位方孔，14、销钉定位孔，15、盖板通气孔，16、弹簧定位孔，17、下翼板，18、肋板，19、上翼板。

具体实施方式

现在结合附图对本发明方案技术做进一步的说明，说明中相同的标号表示同一个零件。结合附图描述说明的实施例只是对本发明的示例性说明，不能解释为对本发明的限制。

本发明实例提供了一种IGBT功率模块纳米银焊膏压力辅助烧结夹具及方法。如图1所示，夹具包括固定装置、定位装置和压力加载装置，固定装置包括底座1，凹字形卡块2和固定销钉3；定位装置为一定位板7；压力加载装置包括压块6、压力弹簧5和盖板4，使用夹具可对基板和芯片8施加压力。如图2所示，所述底座1上开设有定位板卡槽9，用于固定定位板7，底座1上还开设有基板定位凹槽10，基板定位凹槽10形状和基板形状相同，底座两端为底座伸出端11，两端加高用于和其它结构配合。所述定位板7结构如图3所示，其上开设有压块定位孔13和定位板通气孔12，压块定位孔13大小与芯片相同，定位板通气孔12用于烧结气体流通。压块6结构如图4所示，为矩形端和柱端的两端结构，矩形端大小与芯片相同，柱端长度小于弹簧长度。如图5无盖板位置结构示意图所示，所述底座1上方固定有定位板7，所述定位板7上的压块定位方孔13垂直位于芯片上方，并距离芯片有5mm的距离，目的是在定位板7与芯片之间留有一定空隙，便于在烧结过程中，烧结气体从四周抵达芯片焊膏位置，所述压块定位方孔13中穿过压块6矩形端，所述压块6柱端套有压力弹簧5，所述底座两端套有凹字形卡块2，所述凹字形卡块2上的销钉定位孔14中插入固定销钉3。如图6所示，所述压力弹簧5下端套在压块6柱端上，上端插入盖板4中部的弹簧定位孔16中，所述盖板4上开设有销钉定位孔14和盖板通气孔15，所述销钉定位孔14用于插入销钉，所述盖板通气孔15用于烧结气体流通。如图7所示截面图，所述底座1上放置基板和芯片8，所述基板和芯片8上有压块6并由定位板7定位，所述压块6柱端套有压力弹簧5，压力弹簧5上端插入盖板4中，所述盖板4两端和所述底座1伸出两端分别插入两个“凹”字型卡块2中，所述“凹”字型卡块2上、下翼板之间的距离大于盖板4端部和底座伸出端11厚度之和，目的是在盖板4和底座1之间留有一定间隙，方便夹具的拆卸。如图8所示，所述“凹”字型卡块2为三边结构，平行两边为上翼板19和下翼板17，垂直边为肋板18，所述上翼板开设有销钉定位孔14，用于插入圆柱形固定销钉3，实现盖板4和“凹”字型卡块2的固定，防止在烧结过程夹具材料受热膨胀可能出现的“凹”字型卡块2滑脱的现象。

本发明技术方案中，通过外力对盖板4施加压力，使盖板4下移到指定位置，并用“凹”字型卡块2固定，从而使压力弹簧5压缩压紧压块6，再通过压块对芯片表面产生一定压力作用。采用一个大的整体的盖板4对压力弹簧5施压，可以实现多芯片的同步加压，可以避免因为使用多个螺母螺栓加压可能造成的压力不均匀的问题，同时加压方便，可节约装配时间。采用定位板7实现压块与芯片的对准，可提高压力施加的精确性，同时由于定位板7的存在，压块和芯片便于对准，可节约夹具装配时间，整体装置拆卸方便，便于实际生产使用。

实施例，使用发明装置完成纳米银焊膏低压辅助烧结一种型号为MMG450WE120B6E4N的商用IGBT功率模块。该模块有两个基板，每个基板上分布3个大小12.56mm×12.56mm的IGBT芯片和3个大小9mm×8mm的二极管芯片。使用发明加压装置，可以完成模块内部12个芯片的同时快速加压。

使用发明夹具进行加压烧结时，主要步骤为：先在加热台上将印刷好焊膏并且贴好芯片的基板在100℃下预热10min，再将芯片和基板放入底座1的基板定位凹槽10中；将定位板7固定在底座1上；将压块6插入定位板7上的定位板定位方孔14中，矩形端与芯片接触；将压力弹簧5套入压块柱端；将盖板4置于压力弹簧5上方，使压力弹簧5插入盖板中部的弹簧定位孔16中；从盖板4垂直上方对盖板4加压，使盖板4下移到指定位置；将“凹”字型卡块2套在盖板4和底座1两端，“凹”字型卡块2上的销钉定位孔14和盖板4端部的销钉定位孔14对齐，插入固定销钉3；装配完成后，放入真空炉中开始烧结。烧结时以5℃/min升温速率加热到280℃保温20min，烧结完成后随炉冷却，实施方式中的烧结曲线如图9所示。使用发明夹具及方法，可实现多芯片快速同时加压辅助烧结，提高烧结式模块制作效率。

以上是结合附图对本发明的详细描述，但是上述实例只起示意作用，目的是更好的描述本发明，并不对发明产生限制作用。

Claims (7)

1.一种纳米银焊膏压力辅助烧结夹具，包括底座、定位板、压块、压力弹簧、盖板、凹字形卡块和固定销钉；其特征是底座上设置有基板和芯片的定位槽，定位板与底座相同位置设置有压块定位孔，盖板相同位置设置有压力弹簧定位孔；压块为与芯片接触的矩形端和套上压力弹簧的柱端结构；定位板高度与压块矩形端上沿同高；在底座的侧壁上设置有定位板卡槽；压块定位孔中穿过压块矩形端，压块柱端套有压力弹簧，压力弹簧压缩时长度大于压块柱端；压力弹簧上端插入盖板中部的弹簧定位孔中；盖板两端和底座两端嵌入凹字型卡块中并用销钉固定。

2.如权利要求1所述的夹具，其特征是定位板和盖板上设置有很多个圆形通孔，且盖板上的通孔和定位板上的通孔轴线重合。

3.如权利要求1所述的夹具，其特征是盖板中部开设有装配压力弹簧的半通孔，压力弹簧与半通孔在同一竖直方向上。

4.如权利要求1所述的夹具，其特征是定位板上有与芯片大小相同的压块定位孔，压块定位方孔垂直位于芯片上方。

5.如权利要求1所述的夹具，其特征是凹字型卡块为三边结构，平行两边为上翼板和下翼板，垂直边为肋板；凹字型卡块上翼板、下翼板之间的距离大于盖板端部和底座伸出端厚度之和。

6.如权利要求1所述的夹具，其特征是凹字型卡块的上翼板和盖端部开设有位置、大小相同的销钉定位孔，通孔中插入销钉用于固定盖板和凹字型卡块。

7.利用权利要求1夹具实现多个不同厚度芯片的同时加压烧结的方法，先将纳米银焊膏连接的芯片和DBC基板置于加热台上干燥，干燥后将芯片和基板放入底座的基板定位凹槽中；将定位板固定在底座上；将压块插入定位板上的定位板定位孔中，方头端与芯片接触；将压力弹簧套入压块圆柱端；将盖板置于压力弹簧上方，使压力弹簧插入盖板中部的弹簧定位孔中；从盖板垂直上方对盖板加压，使盖板下移到指定位置；将凹字型卡块套在盖板和底座两端，销钉定位孔中插入销钉；夹具装配完成后，按照设定工艺进行烧结。

Images