CN110587064B

CN110587064B - 一种mcm共晶钎焊工装及共晶钎焊工艺

Info

Publication number: CN110587064B
Application number: CN201910938090.1A
Authority: CN
Inventors: 何峥
Original assignee: Beijing Institute of Radio Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Measurement
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110587064A

Abstract

本发明公开了一种MCM共晶钎焊工装及共晶钎焊工艺，MCM共晶钎焊工装用以对MCM的盒体内AlSiC载体板上端的各微带片、LTCC基板和覆铜介质板分别施加均匀的压力，包括盖设在盒体盒口处盖板，且盖板靠近盒内的一侧通过多个调节件设有多个与盖板相平行的压块，且每个调节件均贯穿盖板，且每个微带片、LTCC基板和覆铜介质板分别对应一个压块，每个压块分别通过与其对应的调节件调节其施加给对应微带片、LTCC基板或覆铜介质板的压力大小，盖板上对应盒体内AlSiC载体板上端裸露的位置设有贯穿其的钎焊孔。其结构简单，且利用该工装可分别对各微带片、LTCC基板和覆铜介质板施加均匀可控的压力，使得盒体内各层之间相互挤压，便于进行共晶钎焊。

Description

一种MCM共晶钎焊工装及共晶钎焊工艺

技术领域

本发明属于多芯片模块(MCM)封装领域，尤其涉及一种MCM共晶钎焊工装及共晶钎焊工艺。

背景技术

现有多芯片模块(MCM)由深腔化微波基作为盒体，盒体内水平钎焊有AlSiC载体板作为中间层载体材料，而中间层上钎焊有热膨胀系数与芯片相匹配、布线集成度高的LTCC基板(LTCC陶瓷基板)和覆铜介质板(Rogers5880覆铜介质板)作为微波传输基板，而微波传输基板表面进行MMIC芯片微组装，AlSiC载体板正面钎焊LTCC基板、微带片和覆铜介质板，背面直接钎焊在盒体底部。

在基于LTCC基板、微波覆铜介质板、大功率微波器件的多层互联基板微组装过程中，采用传统手工分梯度焊接流程繁琐，工艺窗口小难度大，焊接后往往难以达到理想的散热和微波接地效果，传统工艺的流程图具体如图1所示。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的之一在于提供一种结构简单，使用方便，且用以辅助MCM封装的共晶钎焊工装。

为了实现上述目的，本发明的一个技术方案如下：一种MCM共晶钎焊工装，用以对MCM的盒体内AlSiC载体板上端的各微带片、LTCC基板和覆铜介质板分别施加均匀的压力，包括盖设在所述盒体盒口处盖板，且所述盖板靠近盒内的一侧通过多个调节件设有多个与所述盖板相平行的压块，且每个所述调节件均贯穿所述盖板，且每个微带片、LTCC基板和覆铜介质板分别对应一个所述压块，每个所述压块分别通过与其对应的所述调节件调节其施加给对应所述微带片、LTCC基板或覆铜介质板的压力大小，所述盖板上对应所述盒体内AlSiC载体板上端裸露的位置设有贯穿其的钎焊孔。

上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，且利用该工装可分别对各微带片、LTCC基板和覆铜介质板施加均匀可控的压力，使得盒体内各层之间相互挤压，便于进行共晶钎焊。

上述技术方案中每个所述压块对应的所述调节件的个数根据其截面大小而定。

上述技术方案的有益效果在于：有利于使得尺寸较大的压块的各处的受力均匀。

上述技术方案中所述调节件包括螺栓和弹簧，每个所述盖板上分别设有与对应所述调节件相对应且贯穿其的小孔，每个所述压块靠近所述盖板的一侧分别设有对应所述调节件对应的螺孔，且每个所述螺孔均与对应所述螺栓外螺纹相配合，每个所述螺栓的丝端由所述盖板背离所述盒体的一侧穿过对应所述小孔并与对应所述压块上对应所述螺孔螺纹连接，每个所述弹簧分别套设在对应所述螺栓上并位于所述盖板与对应所述压块之间，且其两端分别所述压块和盖板相互靠近的一侧相抵，拧紧或拧松每个所述压块对应的螺栓以调节其对应所述弹簧的压缩量从而调节每个所述压块向其对应所述微带片、LTCC基板或覆铜介质板施加的压力的大小。

上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，通过拧紧或拧松所述螺栓进入到压块内的深度来调节每个所述弹簧施加给压块的弹性张力的大小。

本发明的目的之二在于提供一种步骤简单，封装效率高，次品率低的MCM共晶钎焊工艺。

为了实现上述目的，本发明的另一技术方案如下：一种MCM共晶钎焊工艺，其依次包括如下步骤，

步骤a：按产品构造分别取盒体、LTCC基板、覆铜介质板、AlSiC载体板和微带片，并将LTCC基板、覆铜介质板、AlSiC载体板和微带片依产品构造预置在所述盒体内，并将微带片与盒体上对应的引脚电连接，同时在AlSiC载体板与所述盒体内底壁之间预置第一焊片，并在所述AlSiC载体板与每个所述LTCC基板、覆铜介质板和微带片之间分别预置第二焊片；

步骤b：将所述盖板水平放置在所述盒体的盒口处，且所述压块位于所述盒体内，并拧转每个所述压块对应的螺栓以调节每个所述压块向对应所述LTCC基板、覆铜介质板或微带片施加压力的大小；

步骤c：采用真空共晶钎焊设备将所述盒体内所述第一焊片和多个所述第二焊片熔融以将所述AlSiC载体板分别与盒体、LTCC基板、覆铜介质板和微带片焊接，焊接完成后得到产品；

步骤d:对焊接后的产品进行检验。

上述技术方案的有益效果在于：利用上述工装结合本共晶钎焊工艺可实现对MCM封装工艺的简化，另外其成本低、效率高，且次品率低。

上述技术方案中所述第一焊片的形状与所述AlSiC载体板的形状一致，且其尺寸与所述AlSiC载体板尺寸一致或为按比例内缩10％及以内。

上述技术方案的有益效果在于：如此避免AlSiC载体板与盒体底壁之间共晶钎焊后出现空洞或气泡，而将第一焊片尺寸适当内缩则可避免共晶钎焊时第一焊片的熔融液溢流导致外溢至非焊接区域造成电路报废，或增加返修工作量。

上述技术方案中所述第二焊片的形状与对应所述LTCC基板、覆铜介质板或微带片的形状一致，且其尺寸与对应所述LTCC基板、覆铜介质板或微带片尺寸一致或为按比例内缩10％及以内。

上述技术方案的有益效果在于：如此可避免AlSiC载体板与各LTCC基板、覆铜介质板和微带片之间共晶钎焊后出现空洞或气泡，而将第二焊片尺寸适当内缩则可避免共晶钎焊时第二焊片的熔融液溢流导致外溢至非焊接区域造成电路报废，或增加返修工作量。

上述技术方案中每个所述压块施加给对应所述LTCC基板、覆铜介质板或微带片的压力为0.5-0.75N。

上述技术方案的有益效果在于：使得每个压块下方对应的多层之间的压力均匀，有利于使得第一焊片和第二焊片熔融后在各层之间分布均匀，从而避免空洞气流和熔融液外溢。

上述技术方案中所述第一焊片和第二焊片均为SnPb63/37焊片。

上述技术方案的有益效果在于：具有较低的熔点(183℃)、良好的焊接性能(润湿铺展性好、低表面张力等)和使用性能。

上述技术方案中所述第一焊片和第二焊片的厚度为50-200um。

上述技术方案的有益效果在于：将第一焊片和第二焊片采用适当的厚度可避免第一焊片和第二焊片熔融后出现各层之间的间隔变大，反而使得一来熔融液增加而出现熔融液外溢的现象，二来各层的之间钎焊层厚度难控。

附图说明

图1为现有技术中MCM封装时共晶钎焊的工艺流程图；

图2为本发明实施例1所述MCM共晶钎焊工装的结构简图；

图3本发明实施例1所述MCM共晶钎焊工装与待钎焊的MCM的装配图；

图4为采用本发明实施例2共晶钎焊工艺流程图；

图5为本发明实施例2共晶钎焊后的产品的X-RAY空洞检测图。

图中：11盒体、12AlSiC载体板、13微带片、14LTCC基板、15覆铜介质板、16第一焊片、17第二焊片、2盖板、21钎焊孔、22小孔、3调节件、31螺栓、32弹簧、4压块、41螺孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图2和图3所示，本实施例提供了一种MCM共晶钎焊工装，用以对MCM的盒体11内AlSiC载体板12上端的各微带片13、LTCC基板14和覆铜介质板15分别施加均匀的压力，包括盖设在所述盒体11盒口处盖板2，且所述盖板2靠近盒内的一侧通过多个调节件3设有多个与所述盖板2相平行的压块4，且每个所述调节件3均贯穿所述盖板2，且每个微带片13、LTCC基板14和覆铜介质板15分别对应一个所述压块4，每个所述压块4分别通过与其对应的所述调节件3调节其施加给对应所述微带片13、LTCC基板14或覆铜介质板15的压力大小，所述盖板2上对应所述盒体11内AlSiC载体板12上端裸露的位置设有贯穿其的钎焊孔21。其结构简单，且利用该工装可分别对各微带片、LTCC基板和覆铜介质板施加均匀可控的压力，使得盒体内各层之间相互挤压，便于进行共晶钎焊。

上述技术方案中每个所述压块4对应的所述调节件3的个数根据其截面大小而定，如此有利于使得尺寸较大的压块的各处的受力均匀。

上述技术方案中所述调节件3包括螺栓31和弹簧32，每个所述盖板2上分别设有与对应所述调节件3相对应且贯穿其的小孔22，每个所述压块4靠近所述盖板2的一侧分别设有对应所述调节件3对应的螺孔41，且每个所述螺孔41均与对应所述螺栓31外螺纹相配合，每个所述螺栓31的丝端由所述盖板2背离所述盒体11的一侧穿过对应所述小孔22并与对应所述压块4上对应所述螺孔41螺纹连接，每个所述弹簧32分别套设在对应所述螺栓31上并位于所述盖板2与对应所述压块4之间，且其两端分别所述压块4和盖板2相互靠近的一侧相抵，拧紧或拧松每个所述压块4对应的螺栓31以调节其对应所述弹簧32的压缩量从而调节每个所述压块4向其对应所述微带片13、LTCC基板14或覆铜介质板15施加的压力的大小，如此其结构简单，通过拧紧或拧松所述螺栓进入到压块内的深度来调节每个所述弹簧施加给压块的弹性张力的大小。

该工装设计的理论基础为：为了达到理想的微波接地效果，对被焊件施加压力可以有效克服待焊接面不平整导致的间隙，增强焊料的毛细作用，使得焊料更易铺展和浸润；

焊料在平行间隙的毛细填缝长度L可表达为(现有技术)：

式中：θ—浸润角；

h—芯片和电路间的间隙；

ρ—焊料的密度；

σ_lg—液态焊料的表面张力；

α—重力加速度。

由以上表达式可知施加力F，可以有效减少焊接面间隙，增加填缝长度。压力过小或加压不均匀，可能导致介质板、陶瓷基板及盒体载板间不能紧密贴合，共晶焊时焊料熔化并在毛细作用下铺展时无法形成有效的接触，使得共晶焊后电路片和载板间产生缝隙从而导致空洞率较高，所以共晶焊接工装在结构设计上应能实现对基板和母材的持续施压、定位及压力均匀分布的作用。

实施例2

如图4所示，本实施例提供了一种MCM共晶钎焊工艺，其依次包括如下步骤，

步骤a：按产品构造分别取盒体11、LTCC基板14、覆铜介质板15、AlSiC载体板12和微带片13，并将LTCC基板14、覆铜介质板15、AlSiC载体板12和微带片13依产品构造预置在所述盒体11内，并将微带片13与盒体11上对应的引脚电连接，同时在AlSiC载体板12与所述盒体11内底壁之间预置第一焊片16，并在所述AlSiC载体板12与每个所述LTCC基板14、覆铜介质板15和微带片13之间分别预置第二焊片17；

步骤b：将所述盖板2水平放置在所述盒体的盒口处，且所述压块4位于所述盒体11内，并拧转每个所述压块对应的螺栓31以调节每个所述压块4向对应所述LTCC基板14、覆铜介质板15或微带片13施加压力的大小；

步骤c：采用真空共晶钎焊设备将所述盒体11内所述第一焊片16和多个所述第二焊片17熔融以将所述AlSiC载体板12分别与盒体11、LTCC基板14、覆铜介质板15和微带片13焊接，焊接完成后得到产品；

步骤d:对焊接后的产品进行检验。利用上述工装结合本共晶钎焊工艺可实现对MCM封装工艺的简化，另外其成本低、效率高，且次品率低。

上述技术方案中所述第一焊片16的形状与所述AlSiC载体板12的形状一致，且其尺寸与所述AlSiC载体板12尺寸一致或为按比例内缩10％及以内，如此避免AlSiC载体板与盒体底壁之间共晶钎焊后出现空洞或气泡，而将第一焊片尺寸适当内缩则可避免共晶钎焊时第一焊片的熔融液溢流导致外溢至非焊接区域造成电路报废，或增加返修工作量。

上述技术方案中所述第二焊片17的形状与对应所述LTCC基板14、覆铜介质板15或微带片13的形状一致，且其尺寸与对应所述LTCC基板14、覆铜介质板15或微带片13尺寸一致或为按比例内缩10％及以内，如此可避免AlSiC载体板与各LTCC基板、覆铜介质板和微带片之间共晶钎焊后出现空洞或气泡，而将第二焊片尺寸适当内缩则可避免共晶钎焊时第二焊片的熔融液溢流导致外溢至非焊接区域造成电路报废，或增加返修工作量。

上述技术方案中每个所述压块4施加给对应所述LTCC基板14、覆铜介质板15或微带片13的压力为0.5-0.75N，使得每个压块下方对应的多层之间的压力均匀，有利于使得第一焊片和第二焊片熔融后在各层之间分布均匀，从而避免空洞气流和熔融液外溢。

上述技术方案中所述第一焊片16和第二焊片17均为SnPb63/37焊片，具有较低的熔点(183℃)、良好的焊接性能(润湿铺展性好、低表面张力等)和使用性能。

上述技术方案中所述第一焊片16和第二焊片17的厚度为50-200um，将第一焊片和第二焊片采用适当的厚度可避免第一焊片和第二焊片熔融后出现各层之间的间隔变大，反而使得一来熔融液增加而出现熔融液外溢的现象，二来各层的之间钎焊层厚度难控。

工艺优化：

为实现高质量低空洞率的真空共晶钎焊，主要从共晶曲线设置、压力、焊片厚度、焊片外形等影响因素展开分析并进行了试验对比研究。

首先，真空共晶曲线的选择非常重要，根据产品的结构特点，以理想真空曲线为依据同时借鉴以往经验预置了三条真空共晶曲线(如表1所示)，曲线设置时重点从升温速率、峰值温度及甲酸介入时间等关键参数层面进行考量。

表1实际设置的真空共晶曲线

压力与焊接后的空洞率有密切关系，而适当加压可使母材与焊料形成紧密的接触，有利于排除母材与焊料间隙内的气体从而降低空洞率，压力偏小会导致气体释放不充分、边缘焊料收缩等问题，基板边缘容易出现空洞；压力偏大焊料大量外溢，容易外溢至非焊接区域造成电路报废，或增加返修工作量，因此需要通过试验来确定合适的压力值范围。

焊片厚度主要影响焊缝界面合金层厚度，焊片过厚共晶后焊锡容易漫流到非焊接位置造成污染，焊片过薄则不能填充焊接面间的微小缝隙，毛细作用减弱致使产生空洞，验证过程中分别制备了三种不同厚度的焊片，厚度分别为50μm、100μm及200μm。

焊片外形的选择主要依据AlSiC载体板(对应的为第一焊片)、LTCC基板(对应的为第二焊片)、覆铜介质板(对应的为第二焊片)和微带片(对应的为第二焊片)的外形尺寸，验证过程采用了三种不同的外形尺寸，分别为等尺寸、内缩5％、内缩10％。

根据影响焊接质量的关键因素，采用正交试验，以寻求最佳工艺参数，其中，正交试验的因素表具体见表2，正交试验的试验结果表参阅表3。

表2正交试验因素表

注：其中，共晶曲线中“1”、“2”和“3”分别表示曲线1、曲线2和曲线3。

表3正交实验结果

实验序号	压力	共晶曲线	焊片厚度	焊片外形	钎透率(试验结果)
						1	1	1	1	1	92.4％
2	1	2	2	2	89.5％
						3	1	3	3	3	95.3％
4	2	1	1	1	91.7％
						5	2	2	2	2	98.8％
6	2	3	3	3	88.5％
						7	3	1	1	1	82.6％
8	3	2	2	2	93.8％
						9	3	3	3	3	78.6％

应用效果

通过试验得知，在0.5-0.75N的压力范围内选择厚度为100μm，焊片外形尺寸内缩5％时，得到的真空共晶钎焊效果最佳，既保证了优良钎透率，且达到了理想的焊接外观效果。

根据上述实验研究可知，在0.5-0.75N的压力范围内选择厚度为50μm，焊片外形尺寸内缩5％时，采用自制工装进行真空共晶钎焊，对焊接后的MCM模块进行X-RAY检测钎透率可达到90％以上(如图5所示)，且MCM模块达到了理想的焊接外观效果，无需返工、返修。

在真空环境中进行共晶焊，可以防止焊接过程中氧化物的进一步生成，特别适用于射频专用复合材料、陶瓷等介质板的大面积钎焊，目前该工艺已在多个产品实际生产中稳定应用，解决了手工焊接过程一致性问题，大幅提高了钎焊工序生产效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种MCM共晶钎焊工装，用以对MCM的盒体（11）内AlSiC载体板（12）上端的各微带片（13）、LTCC基板（14）和覆铜介质板（15）分别施加均匀的压力，其特征在于，包括盖设在所述盒体（11）盒口处盖板（2），且所述盖板（2）靠近盒内的一侧通过多个调节件（3）设有多个与所述盖板（2）相平行的压块（4），且每个所述调节件（3）均贯穿所述盖板（2），且每个微带片（13）、LTCC基板（14）和覆铜介质板（15）分别对应一个所述压块（4），每个所述压块（4）分别通过与其对应的所述调节件（3）调节其施加给对应所述微带片（13）、LTCC基板（14）或覆铜介质板（15）的压力大小，所述盖板（2）上对应所述盒体（11）内AlSiC载体板（12）上端裸露的位置设有贯穿其的钎焊孔（21）；

所述调节件（3）包括螺栓（31）和弹簧（32），每个所述盖板（2）上分别设有与对应的所述调节件（3）相对应且贯穿其的小孔（22），每个所述压块（4）靠近所述盖板（2）的一侧分别设有对应的所述调节件（3）对应的螺孔（41），且每个所述螺孔（41）均与对应所述螺栓（31）外螺纹相配合，每个所述螺栓（31）的丝端由所述盖板（2）背离所述盒体（11）的一侧穿过对应所述小孔（22），并与对应所述压块（4）上对应所述螺孔（41）螺纹连接，每个所述弹簧（32）分别套设在对应的所述螺栓（31）上并位于所述盖板（2）与对应的所述压块（4）之间，且其两端分别所述压块（4）和盖板（2）相互靠近的一侧相抵，拧紧或拧松每个所述压块（4）对应的螺栓（31）以调节其对应所述弹簧（32）的压缩量从而调节每个所述压块（4）向其对应所述微带片（13）、LTCC基板（14）或覆铜介质板（15）施加的压力的大小；

采用MCM共晶钎焊工装的共晶钎焊工艺，包括如下步骤：

步骤a：按产品构造分别取盒体（11）、LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）、AlSiC载体板（12）和微带片（13），并将LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）、AlSiC载体板（12）和微带片（13）依产品构造预置在所述盒体（11）内，并将微带片（13）与盒体（11）上对应的引脚电连接，同时在AlSiC载体板（12）与所述盒体（11）内底壁之间预置第一焊片（16），并在所述AlSiC载体板（12）与每个所述LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）和微带片（13）之间分别预置第二焊片（17）；

步骤b：将所述盖板（2）水平放置在所述盒体的盒口处，且所述压块（4）位于所述盒体（11）内，并拧转每个所述压块对应的螺栓（31）以调节每个所述压块（4）向对应所述LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）或微带片（13）施加压力的大小；

步骤c：采用真空共晶钎焊设备将所述盒体（11）内所述第一焊片（16）和多个所述第二焊片（17）熔融以将所述AlSiC载体板（12）分别与盒体（11）、LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）和微带片（13）焊接，焊接完成后得到产品；

步骤d:对焊接后的产品进行检验；

其中，所述步骤c中每个所述压块（4）施加给对应所述LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）或微带片（13）的压力为0.5-0.75N，所述焊片的厚度为100μm，所述第一焊片（16）的形状与所述AlSiC载体板（12）的形状一致，且其尺寸与所述AlSiC载体板（12）尺寸为按比例内缩5%，所述第二焊片（17）的形状与对应的所述LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）或微带片（13）的形状一致，且其尺寸与对应的所述LTCC基板（14）、覆铜介质板（15）或微带片（13）尺寸为按比例内缩5%。

2.根据权利要求1所述的MCM共晶钎焊工装，其特征在于，每个所述压块（4）对应的所述调节件（3）的个数根据其截面大小而定。

3.根据权利要求1所述的MCM共晶钎焊工装，其特征在于，所述第一焊片（16）和第二焊片（17）均为SnPb63/37焊片。