CN110666269B

CN110666269B - 一种组合式共晶焊接装置及其使用方法

Info

Publication number: CN110666269B
Application number: CN201910963589.8A
Authority: CN
Inventors: 李寿胜; 杨宝平; 夏俊生; 肖雷
Original assignee: No 214 Institute of China North Industries Group Corp
Current assignee: No 214 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110666269A

Abstract

本发明提供一种组合式共晶焊接装置及其使用方法，它包括外壳底座（1），在外壳底座（1）上设有非功率基板（2）和功率基板（3），设置与非功率基板（2）和功率基板（3）对应配合的共晶焊接压块组件（5），设置一对与共晶焊接压块组件（5）对应配合的矩形压块（10）。通过共晶焊预处理、共晶预焊、焊片放置、共晶焊等步骤对非功率基板、功率基板和外壳底座进行焊接。本发明结构简单、使用方便、可以一次性实现功率基板、非功率基板和外壳的焊接，功率芯片和功率基板的共晶焊接，简化工艺过程，提高了焊接效率，保证了焊接质量，也为后期组装提供了温度梯度方面的保证。

Description

一种组合式共晶焊接装置及其使用方法

技术领域：

本发明属于厚膜混合集成电路制造工艺技术领域，具体地说就是一种用于中低功率厚膜混合集成电路的组合式共晶焊接装置及其使用方法。

背景技术：

在现有的厚膜混合集成电路基板通常采用96％AL₂O₃氧化铝陶瓷基板，有功率要求的基板常使用氮化铝、氧化铍、覆铜板（DBC）等材料，相比较于96％AL₂O₃氧化铝陶瓷基板，这些功率基板不支持多层印刷、不能或难以淀积厚膜电阻，存在局限性，而普通氧化铝陶瓷基板导热和散热性能相对较弱，因此在厚膜电路结构设计中可以将功率部分和非功率部分分别设计在功率基板和非功率基板上，非功率基板仍然采用氧化铝陶瓷基板按常规工艺制作，然后将功率基板和非功率基板组合在同一只功率外壳上，用于中等或较低功率电路集成，外壳材料常为镀镍10号钢。

为实现上述设计要求，需要在同一块电路中集成2块或2块以上基板，电路功率部分集成在氮化铝、氧化铍、覆铜板等功率基板，非功率部分集成在96％AL₂O₃氧化铝陶瓷基板上，基板与外壳、功率芯片功率基板之间通常采用锡焊焊接，功率基板与非功率基板之间可以采用引线焊接或粗铝丝键合等实现互连。

但是因为锡焊焊接工序易产生多余物，多余物清除也比较困难，多余物不易控制，所以对于上述技术需求，应优先采用焊接过程不产生多余物、免清洗等优点的共晶焊接技术方案。但在现有技术中还没有一种合适的共晶焊接工装能实现功率基板和非功率基板与外壳焊接、功率芯片与基板一体组合共晶焊接。

发明内容：

本发明就是为了克服现有技术中的不足，提供一种组合式共晶焊接装置及其使用方法。

本申请提供以下技术方案：

一种组合式共晶焊接装置，其特征在于：它包括外壳底座，在外壳底座上设有两组引线孔，外壳底座上设有非功率基板，在非功率基板一侧至少设有一个对应配合的功率基板，设置一个与非功率基板和功率基板对应配合的共晶焊接压块组件，设置至少一个与共晶焊接压块组件对应配合的矩形压块，设置一个共晶焊接承片底座，在底座上均布有一组与外壳底座对应配合的安放槽。

在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步的技术方案：

所述的共晶焊接压块组件包括一块与非功率基板对应配合的第一压板，它包括有底部的长板，在长板一端延伸出凸起部，在第一压板凸起部的顶端和长板的底端与左右两端的端面分布设有一个半圆槽；在第一压板凸起部左右两侧分别设有一个与功率基板对应配合的第二压板，在第二压板上设有两个伸出卡爪，在第二压板上的两个卡爪之间的拐角处上设有一个缺口，在第二压板另一个拐角处设有另一个缺口；在第一压板凸起部上设有与卡爪对应配合的第一卡槽，长板上还设有与另一个卡爪对应配合的第二卡槽，在所述的第二压板上还设有一个集成电路放置孔。

在所述的矩形压块上设有提柄。

一种组合式共晶焊接装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤，

（一）共晶预上锡前处理：

对外壳底座焊接面和锡银共晶焊片进行打磨处理、而后进行清洗，将锡银共晶焊片切成与待焊接功率基板和非功率基板相适应的大小；

（二）共晶预上锡前装配：

将外壳底座1放置在共晶焊接承片底座上的安放槽内，然后在外壳内放置与非功率基板和功率基板相对应的锡银共晶焊片，而后将非功率基板和功率基板压在锡银共晶焊片上，再将共晶焊接压块组件压在功率基板和非功率基板上面；

（三）共晶预上锡：

将装配好的共晶焊接承片底座移入气氛共晶炉中，按照共晶焊程序进行金属外壳共晶预上焊；

（四）取件：

将完成共晶焊接的焊接组件从气氛共晶炉内取出，依次卸下第一压板和第二压块、已完成预上锡的外壳底座；

（五）预处理：

对非功率基板和功率基板上表面以及焊接缝处进行打磨处理，而后进行清洗；

（六）焊片的取用：

再取出锡银共晶焊片并将其切成与功率基板或电路芯片尺寸相适应的大小，即锡银共晶焊片面积应在对应功率基板或电路芯片面积的90％～100％以内，而后将裁剪好的锡银共晶焊片覆盖在功率基板上；

（七）外壳和基板放置：

再将外壳底座放置在共晶焊接承片底座上的安放槽内，并且将组合在一起的共晶焊接压块组件放在外壳底座上，对应压住功率基板和非功率基板；

（八）电路芯片放置：

将电路芯片通过第二压板上放置孔放在功率基板上，并压住覆盖在功率基板上的锡银共晶焊片，将矩形压块而后压在电路芯片上；

（九）共晶焊：

将而后将装配好的外壳底座移入气氛共晶炉中，按照共晶焊程序进行共晶焊，将功率基板和芯片焊成一体；

（十）取件：

将完成共晶焊接的外壳底座从气氛共晶炉内取出，依次卸下其上的矩形压块和组合在一起的第一压板和第二压板、从而完成整个焊接。

在上述步骤的基础上，还有以下进一步的步骤：

（一）和（五）中清洗为酒精超声清洗或离子清洗，所述酒精超声清洗时超声波频率30kHz，超声时间3min～5min；所述离子清洗时工作气体为氩气；清洗功率80 W～120W；清洗时间：100 s～160s。

（三）中焊接所要峰值温度为300℃±5℃；峰值温度保温时间：60s±15s。

（九）中的共晶焊峰值温度为250℃±5℃；峰值温度保温时间：100s±10s。

发明优点：

本发明结构简单、使用方便、可以一次性实现功率基板、非功率基板和外壳的焊接，功率芯片和功率基板的共晶焊接，简化工艺过程，提高了焊接效率，保证了焊接质量，也为后期组装提供了温度梯度方面的保证。

附图说明：

图1是本发明实施例1中功率基板和非功率基板组合共晶焊接时的结构示意图；

图2是是本发明实施例2中功率基板和非功率基板组合共晶焊接时的结构示意图；

图3是实施例1中共晶焊接压块组件结构示意图；

图4是本发明中共晶焊接用承片底座的结构示意图；

图5是实施例2中共晶焊接压块组件结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

如图1、3和4所示，一种组合式共晶焊接装置，它包括镀镍的金属制成的外壳底座1，在外壳底座1上设有两组成分布的引线孔1a。所述每组引线孔1a沿外壳底座1长度方向分布，在两组引线孔1a之间的外壳底座1上设有凸字型的非功率基板2，所述的非功率基板2为96瓷基板是电路非功率部分的载体。

在非功率基板2上部的凸出部两侧分别设有一个矩形的功率基板3，所述的功率基板3由氮化铝或其他合适材料制成。在共晶焊接结束后引线可以通过引线孔1a穿入，而后与非功率基板2和功率基板3焊接在一起。

设置一个共晶焊接承片底座4，在底座4上均布有一组与外壳底座1对应配合的安放槽4a，在每个安放槽4a还设有两条与所述两组引线孔1a相对应的长条孔4b。

设置一个与非功率基板2和功率基板3对应配合的共晶焊接压块组件5，所述的共晶焊接压块组件5包括一块与非功率基板2对应配合的第一压板6，所述的第一压板6的外形与非功率基板2外形相同。它包括有底部的长板，在长板一端延伸出凸起部。在第一压板6凸起部的顶端和长板的底端与左右两端的端面分布设有一个半圆槽6a。

在第一压板6凸起部左右两侧分别设有一个与功率基板3对应配合的矩形的第二压板7，在第二压板7上设有两个伸出卡爪8，且两个卡爪8分别分布在第二压板7相邻的两条边上。所述的卡爪8包括向外伸出的卡爪壁8a，在卡爪壁8a的顶端设有圆形的卡头8b。所述的卡爪壁8a、卡头8b以及第二压板7为一体式结构。

在第二压板7上的两个卡爪8之间的拐角处上设有一个方形的缺口9，在第二压板7另一个拐角处设有另一个方形的缺口9，且所述的两个缺口9在同一水平面上为对称分布，且两个缺口9尺寸相同。在所述的第二压板7上还设有一个集成电路放置孔7a。

在第一压板6凸起部左右两侧的端部上设有与卡爪8对应配合的第一卡槽6b，在凸起部左右侧的长板上分别设有一个与另一个卡爪8对应配合的第二卡槽6c。

在每块第二压板7上均设有一个与集成电路放置孔7a对应配合的矩形压块10，在每个矩形压块10均向上伸出有一体成型的提柄10a。

实施例2：

如图2、4和5所示，一种组合式共晶焊接装置，它包括镀镍的金属制成的外壳底座1，在外壳底座1上设有两组成分布的引线孔1a。所述每组引线孔1a沿外壳底座1长度方向分布，在两组引线孔1a之间的外壳底座1上设有矩形的非功率基板2，所述的非功率基板2为96瓷基板是电路非功率部分的载体。

在非功率基板2上部的一侧的拐角处设有一个矩形的缺口，在缺口处设有相对应的一个矩形的功率基板3，所述的功率基板3由氮化铝或其他合适材料制成。在共晶焊接结束后引线可以通过引线孔1a穿入，而后与非功率基板2和功率基板3焊接在一起。

设置一个与非功率基板2和功率基板3对应配合的共晶焊接压块组件5，所述的共晶焊接压块组件5包括一块与非功率基板2对应配合的第一压板6，所述的第一压板6的外形与非功率基板2外形相同。在第一压板6上靠近缺口的顶端边和底端边以及宽度边上分别设有一个半圆槽6a。

设有一个与功率基板3对应配合的矩形的第二压板7，在第二压板7上设有两个伸出卡爪8，且两个卡爪8分别分布在第二压板7相邻的两条边上。所述的卡爪8包括向外伸出的卡爪壁8a，在卡爪壁8a的顶端设有圆形的卡头8b。所述的卡爪壁8a、卡头8b以及第二压板7为一体式结构。

在第一压板6缺口上下两侧的端部上设有与卡爪8对应配合的第一卡槽6b，在凸起部左右侧的长板上分别设有一个与另一个卡爪8对应配合的第二卡槽6c。

在第二压板7上设有一个与集成电路放置孔7a对应配合的矩形压块10，在每个矩形压块10均向上伸出有一体成型的提柄10a。

一种组合式共晶焊接装置的使用方法，它包括以下步骤：

（一）共晶预上锡前处理：

选用镀镍十号钢制成外壳底座1，而后对外壳底座1焊接面进行打磨处理；外购的锡银共晶焊片进行打磨处理、而后对其进行等离子清洗，离子清洗时工作气体为氩气；清洗功率80 W～120W；清洗时间：100 s～160s。

选择锡银共晶焊片是因为锡银共晶焊片中锡成分高，焊片表面光亮不易氧化，方便贮存和使用；熔点为220℃±5℃，与后期锡焊工艺采用外购常规锡铅银焊膏（熔点183℃±5℃）熔点存在温度梯度，以利于后期锡焊组装。

由于镀镍外壳不易上锡，在于基板共晶前需对外壳内底面进行预上锡加工，将锡银共晶焊片切成与待焊接功率基板和非功率基板相适应的大小，锡银共晶焊片面积应为对应基板面积的90％～100％以内。

（二）共晶预上锡前装配：

将外壳底座1放置在共晶焊接承片底座4上的安放槽4a内，然后在外壳内放置与非功率基板2和功率基板3相对应的锡银共晶焊片，而后将非功率基板2和功率基板3压在锡银共晶焊片上。

再将一块第一压板6与两块第二压板7放在最上面，每块第二压板7通过两个卡爪8分别与第一卡槽6b和第二卡槽6c卡接配合，使得第二压板7与第一压板6连接在一起。

通过第二压板7上的缺口9和第一压块6上的半圆槽6a的作用是可以采用拨针及类似工具调整下方功率基板3或非功率基板2的位置，使功率基板3和非功率基板2之间位置或距离符合设计图纸的相关要求。

（三）共晶预上锡：

将装配好的共晶焊接承片底座4移入气氛共晶炉中，按照共晶焊程序进行金属外壳共晶预上焊。预上锡共晶程序设置的主要工艺参数是：峰值温度为300℃±5℃；峰值温度保温时间：60s±15s。这是因为共晶焊片到达温度融合后，由于外壳底座1尺寸大，大量的镍进入后影响到焊料的成分，所以导致共晶的熔点相对升高一些。

（四）取件：

将完成共晶焊接的焊接组件从气氛共晶炉内取出，依次卸下第一压板6和第二压块7、已完成预上锡的外壳底座1。

（五）预处理：

对非功率基板2和功率基板3上表面与焊缝处进行打磨处理；而后进行清洗，所述的清洗为酒精超声清洗，清洗时超声波频率30kHz，超声时间3min～5min。

（六）焊片的取用：

再取出锡银共晶焊片并将其切成与功率基板3或芯片尺寸相适应的大小，即锡银共晶焊片面积应在对应功率基板3或芯片面积的90％～100％以内。而后将裁剪好的锡银共晶焊片覆盖在功率基板3上。

（七）外壳和基板放置：

再将外壳底座1放置在共晶焊接承片底座4上的安放槽4a内，并且将组合在一起的第一压板6和第二压板7，放在外壳底座1上，对应压住功率基板3和非功率基板2。

（八）电路芯片放置：

将电路芯片通过第二压板7上放置孔7a放在功率基板3上，并压住覆盖在功率基板3上的锡银共晶焊片，而后通过镊子或其他适用工具夹住矩形压块10上的提柄10a，将矩形压块10提起，而后压在电路芯片上。

（九）共晶焊：

将而后将装配好的外壳底座1移入气氛共晶炉中，按照共晶焊程序进行共晶焊。将功率基板3和芯片焊成一体。共晶程序设置的主要工艺参数是：峰值温度为250℃±5℃；峰值温度保温时间：100s±10s。

（十）取件：

将完成共晶焊接的外壳底座1从气氛共晶炉内取出，依次卸下矩形压块10和组合在一起的第一压板6和第二压板7、从而完成整个焊接过程。

Claims

1.一种组合式共晶焊接装置，其特征在于：它包括外壳底座（1），在外壳底座（1）上设有两组引线孔（1a），外壳底座（1）上设有非功率基板（2），在非功率基板（2）一侧至少设有一个对应配合的功率基板（3），设置一个与非功率基板（2）和功率基板（3）对应配合的共晶焊接压块组件（5），设置至少一个与共晶焊接压块组件（5）对应配合的矩形压块（10），设置一个共晶焊接承片底座（4），在共晶焊接承片底座（4）上均布有一组与外壳底座（1）对应配合的安放槽（4a）；所述的共晶焊接压块组件（5）包括一块与非功率基板（2）对应配合的第一压板（6），它包括有底部的长板，在长板一端延伸出凸起部，在第一压板（6）凸起部的顶端和长板的底端与左右两端的端面分布设有一个半圆槽（6a）；在第一压板（6）凸起部左右两侧分别设有一个与功率基板（3）对应配合的第二压板（7），在第二压板（7）上设有两个伸出卡爪（8），在第二压板（7）上的两个卡爪（8）之间的拐角处上设有一个缺口（9），在第二压板（7）另一个拐角处设有另一个缺口（9）；在第一压板（6）凸起部上设有与卡爪（8）对应配合的第一卡槽（6b），长板上还设有与另一个卡爪（8）对应配合的第二卡槽（6c），在所述的第二压板（7）上还设有一个集成电路放置孔（7a）；在所述的矩形压块（10）上设有提柄（10a）。

2.一种如权利要求1所述的组合式共晶焊接装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤，

（一）共晶预上锡前处理：

（二）共晶预上锡前装配：

将外壳底座放置在共晶焊接承片底座上的安放槽内，然后在外壳底座内放置与非功率基板和功率基板相对应的锡银共晶焊片，而后将非功率基板和功率基板压在锡银共晶焊片上，再将共晶焊接压块组件压在功率基板和非功率基板上面；

（三）共晶预上锡：

将装配好的共晶焊接承片底座移入气氛共晶炉中，按照共晶焊程序进行金属外壳底座共晶预上锡；

（四）取件：

将完成共晶焊接的焊接组件从气氛共晶炉内取出，依次卸下第一压板和第二压板、已完成预上锡的外壳底座；

（五）预处理：

（六）焊片的取用：

再取出锡银共晶焊片并将其切成与功率基板或电路芯片尺寸相适应的大小，即锡银共晶焊片面积应在对应功率基板或电路芯片面积的90％～100％之间，而后将裁剪好的锡银共晶焊片覆盖在功率基板上；

（七）外壳和基板放置：

（八）电路芯片放置：

将电路芯片通过第二压板上的集成电路放置孔放在功率基板上，并压住覆盖在功率基板上的锡银共晶焊片，而后将矩形压块压在电路芯片上；

（九）共晶焊：

而后将装配好的外壳底座移入气氛共晶炉中，按照共晶焊程序进行共晶焊，将功率基板和电路芯片以及功率基板与外壳底座焊成一体；

（十）取件：

3.根据权利要求2中一种组合式共晶焊接装置的使用方法，其特征在于：（一）和（五）中清洗为酒精超声清洗或离子清洗，所述酒精超声清洗时超声波频率30kHz，超声时间3min～5min；所述离子清洗时工作气体为氩气；清洗功率80 W～120W；清洗时间：100 s～160s。

4.根据权利要求2中一种组合式共晶焊接装置的使用方法，其特征在于：（三）中焊接所要峰值温度为300℃±5℃；峰值温度保温时间：60s±15s。

5.根据权利要求2中一种组合式共晶焊接装置的使用方法，其特征在于：（九）中的共晶焊峰值温度为250℃±5℃；峰值温度保温时间：100s±10s。