CN110678288B - 用于产生焊接连接部的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过加热和熔化焊接材料(16)来在处理室中产生多个部件(12A，12B)之间的焊接连接部的方法，处理室与其周围环境隔离开，焊接材料(16)布置在待接合的部件(12A，12B)之间。待接合的部件(12A，12B)通过粘结材料(18)而暂时接合在一起以形成焊接组(10)，在焊接组(10)中，部件(12A，12B)相对于彼此被适当保持在接合位置中。

Description

用于产生焊接连接部的方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过加热和熔化焊接材料来在处理室中产生多个部件之间的焊接连接部的方法，该处理室与其周围环境隔离(sealed off)，该焊接材料布置在待连接的部件之间。
背景技术
术语“部件”通常是指由金属、陶瓷、塑料或其他材料或材料制成的电路载体、基板、基板载体、底板、工件载体、安装载体等或者材料的任何所需的组合连同待固定至其的部件，例如功率半导体芯片、(半导体)组件等。
所讨论类型的方法特别地用在大面积的焊接操作中，其中，例如半导体部件、微电子部件或功率半导体芯片，例如印刷电路板上的晶体管或二极管、金属化陶瓷基板或其他电路载体上的IGBT、MOSFET或二极管被焊接或焊接在一起，或者其中，金属化陶瓷基板被焊接到金属底板和/或散热器。待连接到散热器的印刷电路板也可以在所讨论类型的焊接装置中被焊接。
为了获得最佳的焊接效果，需要付出努力来以受控的方式且在大于1013mbar的高压下将熔融的焊料连同待连接的部件加热到高于焊料的熔点，并且然后以受控方式进行冷却至焊料的凝固点以下，以便没有空隙地将部件连接在一起。
焊接连接部通常在一个处理室中产生，该处理室与其周围环境隔离，特别是是可抽空的，在该处理室中布置有焊接装置，该焊接装置包括底板和压力板，底板和压力板之间容纳有包括部件和焊接材料的焊接组。底板和压力板关于他们的间距相对于彼此可调节，以在焊接组上施加压力。同时，压力板和/或底板可以加热和/或冷却部件和焊接材料。为此，所述板可以与适当的热源和/或散热器热耦合。
通常，例如以焊接芯片或焊料粉末形式的部件和焊接材料在被引入到处理室中之前被组装以形成堆叠。
然而，当有必要在处理室的外部和/或内部处理部件时，以及还在实际的焊接操作期间，一旦熔融的焊接材料已经凝固，就存在部件相对于彼此没有处在期望位置的风险。关于部件的侧向位置及其他们的相对间距都可能发生偏差。
US 4 801 069 A公开了一种用于在气体气氛中焊接部件的方法和装置，其中在第一步骤中，借助于粘结材料将焊接芯片定位在作为电路载体的印刷电路板上，并且通过加热至少暂时地固定焊接芯片，并且在随后的步骤中，在焊接操作之前，通过施加压力，使用另外的粘结材料将待焊接的部件暂时地固定到焊接芯片和电路载体。该操作具有多个阶段，并且涉及对部件的重复加热和冷却，这意味着处理不仅在能源方面昂贵且涉及暴露于高热负载，而且相对耗时。多级布置步骤很容易导致放错位置。该方法的多阶段性质意味着它不能在真空气氛下实施。
US 2009/0 085 227 A1提出了一种用于将部件的倒装芯片连接到电路载体的方法和装置，其中，通过具有放置架的安装设备实现预定的间距，该放置架在真空抽吸设备的引导下将待连接的部件放置到电路载体上。一旦待连接的部件已经通过放置架定位在电路载体上，就通过加热位于它们之间的焊料粉末树脂来连接部件，其中形成有焊接材料的气体气氛，该气体气氛通过对流除气，从而仅有待连接的接触表面被焊接。这里既没有提出用于暂时对齐和固定的粘结剂，也没有提出在连接操作期间和之后进一步施加压力，以便随后保持相对于彼此的最小间距和取向。
US 5 175 410A公开了一种用于部件的电接触脚的压紧(hold-down)固定装置，该部件待被焊接在电路载体上以用于带式载体上的芯片安装，其中，压紧固定装置在焊接期间将从部件的外围突出的接触脚压到电路载体的表面上。外杆旨在将接触脚的待焊接的端部区域压靠在电路载体的焊盘上，而内杆则直接靠放在待焊接的部件的封装上。因此，仅有待连接的部件的选定区域被直接压到电路载体上，并且无法实现整个焊接组的可预先限定的结构高度，所以，以此方式对部件和电路载体之间的区域进行受控的焊接是不可能的。压紧固定装置仅适用于具有外围的、位于外部的接触脚的部件。
本发明解决的问题是提供一种最初所述类型的方法，其中可以更快且廉价地将部件连接在一起，并且具有提高的尺寸精度。
发明内容
该问题通过本发明提出的方法解决。该方法的有利配置构成本发明的优选实施例。
本发明提出，待连接的部件使用粘结材料而暂时连接在一起以形成焊接组，在该焊接组中，部件相对于彼此固定在接合位置。这防止了在形成焊接组的组装期间和/或在焊接组的处理期间，例如在引入到处理室中时，部件相对于彼此滑动。
部件由粘结材料通过粘合力而有利地暂时连接在一起，该粘合力作用在粘结材料与部件或焊接材料之间的界面上。
根据一种有利的配置，粘结材料被选择成使得其在焊接连接部的产生期间蒸发而没有留下任何残留物。因此，确保了焊接连接部的质量不会被粘结材料的任何残留物损害。
可以在将部件定位在工件载体上之前或期间大面积地喷涂粘结材料，或者有目的地将粘结材料(例如以X-Y绘图仪的方式，以点式、线式或大面积地)施加到部件、基板载体和/或工件载体的为此目的提供的先前确定的点和区域。粘结材料的施加优选是自动的，以便允许高产量的大量生产。
焊接方法优选地用焊接芯片或“预成型件”执行，其中可以省去使用可选地包含助熔剂的焊膏。
根据另一有利的配置，在低于大气压的蒸发压力下，粘结材料的蒸发温度低于焊接材料在大气压或甚至在高于1013mbar的高压下的熔化温度。因此，确保了即使在焊接材料熔化之前，粘结材料也可以完全蒸发。对于该目的来说，粘结材料在大气压下的蒸发温度低于焊接材料的熔化温度并非是绝对必要的，其也可以高于焊接材料的熔化温度。
另一有利的配置提供了，焊接组被加热到低于焊接材料在大气压下或还在高于1013mbar的高压下的熔化温度的中间温度，并且在该中间温度下，处理室中的压力被降低到蒸发压力以下的压力，以使得粘结材料蒸发。仅在焊接组已被加热到中间温度之后，处理室中的压力才可以被有利地降低。但是，即使在达到中间温度之前，也可以降低压力。压力可以被连续或逐步地降低。但是应确保，在焊料熔化之前，粘结材料已经能够蒸发。
另一有利的配置提供了，在中间温度下，首先将处理室中的压力降低至高于粘结材料的蒸发压力的压力，以使得粘结材料尚未蒸发，随后将清洁剂，特别是甲酸、氢气或等离子体引入到处理室中以清洁焊接组，并且随后在该中间温度下将处理室中的压力降低到粘结材料的蒸发压力以下的压力。特别地，将等离子体引入到处理室中还意味着在处理室本身中产生等离子体，其中待电离的合适物质可被可选择地引入处理室中。这种配置的优点在于，即使在清洁操作期间，部件和/或焊接材料之间仍然存在暂时的连接。当在中间温度下处理室中的压力降低到粘结材料的蒸发压力以下的压力时，粘结材料和清洁材料可以从处理室中被共同排出。
然而，替代地，还可以首先使粘结材料蒸发，并且然后才将清洁剂引入到处理室中。
根据另一种有利的构造，在处理室中的压力正降低到粘结材料的蒸发压力以下的压力的同时，中间温度可以被保持在预定的温度值处或在预定的温度范围内，至少直到粘结材料的蒸发完成。所述的温度值或所述的温度范围始终低于在标准压力下或还在高于1013mbar的高压下的融化温度。因此，进一步降低了在焊接材料熔化的同时焊接组上仍然存在粘结材料的风险。
另一有利的配置可提供：粘接材料布置在焊接材料和/或待连接的部件的中心和/或边缘和/或角部的区域中。以这种方式，可以非常简单地施加粘结材料。
一个有利的实施例提供：一旦粘结材料已经蒸发，则焊接材料就熔化，以便防止焊接材料的污染。
另一有利的配置可提供：粘结材料是液体或糊状的，并且特别包括萜烯醇，特别是环己异龙脑酯(isobornyl cyclohexanol)。所期望的液体或糊状物质状态应至少在室温和大气压下存在。
各种物质的适当混合物或溶液也可以用作粘结材料。特别地，还可以将填充剂或增稠剂添加到粘结材料中。然而，应确保即使是粘结材料中的在室温和大气压下可选地为固体的成分也能够在焊接材料熔化之前在符合上述条件的高温和降低的压力下蒸发。
另一有利的配置提供：至少在焊接材料正在熔化的同时，将焊接组容纳在布置在处理室中的焊接装置中，其中，焊接装置具有底板和压力板，在该底板和压力板之间容纳有焊接组，并且该底板和压力板关于它们的间距相对彼此可调节，以在焊接组上施加压力，并且焊接装置具有止挡装置，该止挡装置将底板和压力板之间的间距限制为最小间距，从而使得，一旦焊接材料已经熔化，焊接组便具有预定的厚度。焊接装置确保了部件和焊接材料紧靠彼此被预加载，并且一旦焊接材料已经熔化，则继续压缩部件和焊接材料，因为熔融的焊接材料可以在部件之间进一步铺开并且可选地填充那里存在的任何小的空隙。止挡装置在此限制了压紧的程度，以使得一旦焊接材料已经凝固，焊接组就具有限定的厚度或高度。因此进一步提高了尺寸精度，因为不仅可以可靠地防止横向偏移，而且还可以可靠地防止与部件组装中的预定的厚度或高度的偏差。另外，在如果进行过强压紧，则焊接材料被阻止在部件之间侧向挤出。本发明与常规使用的焊接架的不同之处在于：仅短暂地，即当焊料处于熔融状态时或在凝固阶段开始时，发生直接的物理接触。避免了永久或机械固定的接触，以便避免损坏材料或对其加应力。
止挡装置可以特别有利地用在用于流水线生产的多室系统中。这种系统包括用于预热、连接和冷却的至少两个室，特别是三个室。止挡装置有利地至少设置在冷却室中，以便确保在焊料的凝固期间的机械对齐。此外，止挡装置还可以用在用于连接部件的焊接室中，并且还可以用在预热室中以在接合操作之前对齐。为此，止挡装置可以有利地使用可移位的工件载体被引导通过系统。
根据一种有利的配置，止挡装置布置在底板或压力板上。
根据另一有利的配置，所述止挡装置是可调节的，从而可以设置最小间距。这允许止挡装置可变地适用于不同尺寸或不同数量的待连接部件。
另一有利的配置提供了止挡装置包括多个特别是长度可调节的止挡元件。因此，可以确保在焊接组的整个侧向范围上能够保持尺寸精度。特别地，可以避免压力板和底板相对于彼此倾斜或倾翻。
根据一种有利的配置，止挡元件可以具有调节设备、特别是调节螺纹，其与设置在底板或压力板上的互补的调节设备、特别是互补的螺纹相互作用。因此可以直接实现止挡装置所需的可调节性。
另一有利的配置提供了止挡元件被布置成使得：在达到最小间距时，它们以相应的自由端部靠在焊接组的部件上、靠在承载部件中的其中一个的底架上或靠在底板上。如果止挡元件旨在靠在焊接组的部件上，则所述部件明显应是终止部件，其好像形成部件堆叠的底部或顶部并且侧向突出超过焊接组的其他部件。然而，止挡元件也可以抵靠着其他的组件停下来。比如，例如固定至压力板的止挡元件可以抵靠着用作部件载体的底架停下来，或者甚至抵靠着底板本身停下来。底架例如可以承载作为焊接组的终止部件的电路载体。
焊接和烧结过程中在电气工程和电子学方面的温度管理对产品的质量、可靠性和使用寿命有重大影响。在焊接材料冷却阶段，随着硬化的进行，可能会形成焊料颗粒或岛，其中特定于材料的特性(例如弹性模量)、焊料材料的温度系数和焊料的颗粒形状对齐会对接合处产生重大影响。接合处的疲劳特性基本上取决于焊料颗粒尺寸。在本发明的背景中已经发现，在加热阶段期间，但特别是在冷却阶段期间，通过有目的的温度调节可以有目的地影响颗粒尺寸和对齐。在此，期望的是不仅从部件的下方而且从上方进行温度调节，以便改善过程控制。以这种方式，可以减小在接合的部分之间出现的任何机械应力，改善对齐并且使翘曲的趋势最小化。根据有利的实施例，底板和/或压力板因此是可加热的和/或可冷却的。为此，底板和/或压力板可以具有热源和/或散热器，该热源和/或散热器可以集成到底板或压力板中。底板和/或压力板也可以与热源和/或散热器(例如加热板和/或冷却板)热耦合。特别地，底板和/或压力板可以被构造成使得在与部件接触的区域中，它们具有温度梯度，该温度梯度使得可以以这种方式加热和/或冷却部件：靠近部件的边缘的区域相比远离边缘的区域具有更高的温度。这使得焊接材料可以从内部向外，即朝向边缘，凝固。在冷却过程中，仍然为液体的焊接材料可以继续从外部向内流动。因此，可以避免由于冷却期间焊接材料的体积收缩而在焊接材料中形成空隙和/或空腔。在文件WO 2016/091962 A1中公开了这种设备的一种示例性配置，该文件的全部公开内容通过引用包括在本申请中。以这种方式，可以从上方有目的地控制部件的温度。在这方面，除了提供机械对齐之外，压力板还允许通过有目的地加热和/或冷却部件的顶部来进行温度控制。这尤其可以在烧结、特别是压力烧结期间用作接合技术，从而使得即使在离开烧结压力机之后也能够进行对齐和温度控制。
根据底板和/或压力板的温度调节功能的上述示例性实施例，特别有利的是，通过热流体或通过一个或多个温度调节元件，特别地对压力板或压力板的面向部件顶部的表面区域进行温度调节。所使用的热流体可以是可加热的液体，特别是水或水-乙二醇混合物，优选是在2-3bar或更高的高流体压力下，以便允许快速加热或冷却。同样可以有利地使用电温度调节元件，特别是电加热电阻器或珀耳帖冷却元件等。电气元件在此例如也可以用作加热器和用于冷却的冷却液，反之亦然。同样可以使用例如以红外发射器形式的辐射加热器，并且以此方式，可以通过IR发射器从上方例如加热压力板，有利地还可以通过IR点发射器或通过IR辐射掩模不均匀地从上方加热压力板，IR辐射掩模仅允许红外光在选定位置处穿过并撞击在压力板上。单独的加热和冷却元件可以进行方便地组合。因此，可以在不同的过程阶段和在装置的不同区域进行区域加热，以便接合过程中在部件的底部和顶部上都实现在接合期间端到端的温度控制。
突出的台阶，特别是导热的台阶和突出部，还有凹部和凹陷部，都可以特别有利地形成在温度可调节的压力板上，以便使部件的不同高度暴露于压力并实现良好的热耦合。为此，止挡元件可以直接支承在工件载体或底板上，或者支承在其他的部件部分上，比如夹具、部件架等。盖板的突出部和台阶可以相对于盖板弹簧安装，从而，台阶相对于部件表面的接触压力取决于盖板与部件表面的相对间距。以此方式，可以在最大施加压力之前允许对部件进行提早温度调节，由此可以在施加最大接触压力之前将焊料温度选择性地保持在塑化或液相中。
有利的是，可以提供多个压力板，每个压力板都配备有止挡装置，其是高度可调节的并且单独地或者联合地相对于工件载架可移位。因此，可以将单独的部件可以在压力下被放置并出于随时间偏移进行温度调节的目的而被接触。压力板在每种情况下可以限定单独的温度调节区域，或者被单个温度调节介质或单个温度调节装置设置成使得部件可以根据它们的热容量而从上方进行不同的热处理。如果各个压力板可单独移位，则接触压力可根据部件组而被不同地设置。
止挡装置的止挡元件可以被设置用于与部件的表面区域热耦合，并且其尺寸和形状可以被具体地构造成用于热量的不均匀输入或散发。
根据另一有利的配置，焊接装置具有载体单元，压力板直接或间接地被弹簧支撑或弹簧安装在载体单元上。然而，原则上，底板可以替代地或附加地直接或间接地被弹簧支撑或弹簧安装。弹簧支撑或安装特别地确保了止挡装置(特别是在存在多个止挡元件的情况下)可以被均匀地支撑抵靠着底板的相应的相对表面(即部件)或者抵靠着底架。另外确保了设置用于调节底板和压力板之间的相对位置的调节装置不会施加不允许的高压力，并且因此不会潜在地损坏焊接装置。
另一有利的配置可以提供：可以调节压力板施加在焊接组上的弹簧力。这可以例如通过不同长度和/或具有不同弹簧常数的可互换弹簧来进行。也可以提供例如设置弹簧的有效长度的可调节的弹簧。因此，除了由止挡装置提供的压力限制之外，还可以限制作用在焊接组上的压力。
根据另一有利的配置，底板相对于载体单元是可调节的。因此，例如可以将载体单元支撑在处理室上，而底板可以被调节。然而，还可以想到具有固定底板和可调节的压力板的反向解决方案。
另一有利的配置可提供，压力板的与底板相关联的侧面是平面的，或者具有至少一个突出的(尤其是平面的)台阶，该台阶与焊接组接触。有利地，该突出的台阶在横截面上相比于焊接组或者与该台阶接触的部件较小，从而可以至少在与该台阶直接接触的部件中产生侧向的温度梯度。
本发明的使用在烧结中是特别有利的，优选是在压力烧结中是特别有利的，其中，通过在降低的温度下使用压力可以实现部件的永久连接。通过有目的地使部件相对于彼此对齐并进行高度控制，可以显著减少产品缺陷和不足够的连接部。特别地，通过止挡装置从上方进行的进一步有目的的温度调节能够改善接合过程，从而实现可以有目的地影响和优化另外的过程参数。
附图说明
通过说明书和附图揭示了本发明的进一步有利的实施例。
下面根据示例性实施例并参考附图来描述本发明，在附图中：
图1和图2以侧视图和局部俯视图示出了使用本发明的方法暂时以粘结材料连接的焊接组的示意图；
图3示出了用于执行本发明的根据第一示例性实施例的方法的示意性压力/温度图；
图4示出了用于执行本发明的根据第二示例性实施例的方法的示意性压力/温度图；
图5示出了用于执行本发明的根据第一示例性实施例和/或第二示例性实施例的方法的示意性温度/时间图；
图6和图7示出了本发明的根据第一示例性实施例的焊接设备在各种调节位置中的示意性局部截面侧视图；
图8显示了各种焊接组的侧视图；以及
图9和图10示出了本发明的根据第二示例性实施例和第三示例性实施例的布置在处理室中的焊接设备的示意图；
图11a、图11b示出了本发明的根据第四示例性实施例的焊接设备的示意图；
图12a、图12b示出了本发明的根据第五示例性实施例的焊接设备的示意图；
图13a、图13b示出了本发明的根据第六示例性实施例的焊接设备的示意图；
图14a、图14b示出了本发明的根据第七示例性实施例的焊接设备的示意图。
具体实施方式
图1和图2示出了在焊接材料辅助下待连接在一起的部件12A、12B。焊接材料16在每种情况下均被布置在部件12A和12B之间，焊接材料16例如16是如例如在BGA(球栅阵列)中所使用的一个或多个焊盘的形式。部件12A、12B在每种情况下都堆叠在以电路载体14形式的另一部件上，其中直接位于电路载体14上的部件12B在先前的步骤中可能已经与电路载体14连接或者以尚未融化的形式的焊接材料16也可能已经被提供在此。
部件12B在横截面上与部件12A相同或比部件12A稍大，并且因此可以在所有侧面上超出部件12A略微突出。相反，以焊盘形式布置的焊接材料16在横截面上比部件12A略小，以使得沿着部件12A和12B的边缘存在周向狭窄腔。在部件的角部区域中，以小滴形式的粘结材料18在每种情况下被引入这些腔中，该粘结材料18临时地将这些部件连接起来以形成相应的焊接组10。粘结材料18优选是液体或糊状的，并且尤其包括萜烯醇，特别是环己异龙脑酯。环己异龙脑酯可例如根据日本萜烯化学公司的商品名“Terusolve MTPH”获得。
粘结材料18通过粘附将部件12A、12B相对于彼此固定在接合位置，以使得它们至少在侧向方向上被固定以防止在转移期间例如通过振动而无意滑动或移位到处理室中。
然后将如图1或2所示的焊接组10引入到可包含焊接设备的处理室中。图9和图10示出了下面更详细说明的示例性的处理室。
处理室与其周围环境隔离，并具有相应的设备，该相应的设备能够改变处理室中的压力并且能够分别加热或熔化部件12A、12B和焊接材料16。在处理室中还可存在能够使连接的部件12A、12B冷却下来的另外的设备。或者，可以提供一个或多个另外的处理室，一个或多个焊接组10可以被自动或手动地转移到该一个或多个另外的处理室中，以进行冷却和/或用于进一步的处理步骤。
现在将在下面根据两种不同的配置来描述用于在部件12A、12B之间产生焊接连接部的方法。
图3和图4的压力/温度图(p/t图)使用箭头来示意性地表示压力和温度在各个处理点之间的的变化。液相曲线L表示焊接材料16(例如锡-银-铜焊料)的固态和液态物质之间的相界，并且在约220℃的温度处几乎独立于压力而延伸。相界P表示粘结材料18根据温度和压力从液相到气相的过渡，其中，在曲线的上方和左侧，粘结材料18处于液相中，并且，在曲线的下方和右侧，它处于气相中。
对于作为粘结材料18的环己异龙脑酯来说，在大气压下的沸点在308℃和313℃之间，所示的p/t图建立在环己异龙脑酯的基础上。通过降低处理室中的压力，可以将粘结材料的沸点降低到焊接材料的熔点以下。这使得可以将焊接组10加热到接近焊接材料16的熔点，而粘结材料18尚未蒸发。
从处理点A开始，最初仅将温度升高，直到在处理点B处温度达到约180℃，在处理点A处，存在大气压力和室温。
在根据图3的示例性实施例中，在随后的步骤中，然后降低处理室中的压力，直到达到在180℃处的处理点C，并且达到1至10mbar之间的压力。在从处理点B到处理点C的过渡期间，相界P被越过，以使得粘结材料18蒸发并且可以从处理室被排出。
然后可以将清洁剂(例如甲烷酸或氢气)引入到处理室中，或者可以引入或产生等离子体，以便清洁待连接的部件12A、12B。
在随后的步骤中，然后可以将温度从180℃升高到焊接材料16的220℃的或更高的熔化温度，以使得到达处理点D。
在根据图4的第二示例性实施例中，与根据图3的第一示例性实施例不同，一旦到达处理点B，就仅仅降低压力，直到到达处理点B'，处理点B'仍然刚好高于粘结材料18的相界P之上，即仍在粘结材料的液相内。处理点B'例如位于180℃的温度和10和100mbar之间的压力处。
当到达处理点B'时，如前所述，将清洁剂引入到处理室中，以便从部件12A、12B上清理掉污染物。与第一示例性实施例相反，粘结材料18在处理点B'处尚未蒸发。一旦清洁完成，压力将在基本上恒定的温度下被进一步降低，直到到达具有180°的温度和1和10mbar之间的压力的处理点C。粘结材料18现在开始蒸发，并且与清洁剂一起从处理室中被排出。
然后在近似恒定的压力下，升高焊接组10的温度，直到在处理点D处到达或越过液相曲线L，并且焊接材料18熔化并与部件12A、12B连接。
在这点上应注意，各个处理点A、B、B'、C和D之间的过渡仅是示意性的。因此，温度和压力在至少某些地方还可以被同时改变，以使得状态不一定要等温或等压地变化。然而，在建立使粘结材料18蒸发的条件之前，要付出努力以使得焊接组10的温度尽可能地接近于焊接材料16的液相线温度，以便尽可能地使粘结材料18已经蒸发但部件尚未连接的时间段最小化。
此外，不言而喻的是，在由溶剂或清洁剂和/或粘结材料18的蒸发引起的过程期间还可出现压力偏差，因为出现的任何气体通过处理室中的相应真空装置只有在一段时间延迟之后才能从处理室中被清除。
图5显示了一个示例性的温度/时间图，在该图上，焊接组温度的时间分布由温度曲线T表示。
焊接过程可以细分为图5中相应示出的各个处理阶段P1至P4。在图中还示出了各个区域或时间段，在各个区域或时间段中，处理室中存在特定的大气状态。其中存在氮气气氛的区域用附图标记N表示，其中存在真空(具有不同压力)的区域用附图标记V表示，并且其中存在清洁剂气氛的区域用附图标记R表示。
在预热阶段P1期间，焊接组的温度升高到160℃至180℃。在预热阶段P1的大部分持续时间内都存在氮气气氛N，其中在预热阶段P1结束时短暂地生成真空V。
然后进行清洁阶段P2，在该阶段中，存在清洁剂气氛R，并且最后仅在结束时的短时间内产生真空V。该短的真空阶段表示排出蒸发的粘结材料或清洁剂。在清洁阶段P2期间，温度仅略有变化。
预热阶段P1和清洁阶段P2有利地在多室系统的第一室(预热室)中进行。
然后，在熔化阶段P3期间，温度升高到焊接材料的大约220℃的熔化温度，其中最初存在氮气气氛N，一旦达到熔化温度，就用真空V替代氮气气氛N。在熔化阶段P3结束时，再次将氮气引入处理室中，其中在随后的冷却阶段P4期间也保持该氮气气氛N，在随后的冷却阶段P4中，温度降低到50℃以下。
熔化阶段P3有利地在第二室(焊接室)中进行，且冷却阶段P4在第三室(冷却室)中进行，其中，两个阶段P3和P4也可以在单个室中进行。
各个室可以有利地以气密的方式彼此分开，并且提供了一种用于使工件载体穿过各个室的输送设备，以使得可以在流水线生产中实现更高的产量。
下面参照图6和图7来描述本发明根据第一示例性实施例的焊接装置50。下面描述的止挡装置在冷却阶段P4期间在焊料仍为液体时被有利地至少用在冷却室中。接触压力这里可能会作用在部件的顶部。
焊接设备50包括底架54和与底架54连接的载体单元52。焊接组10的基板14被放置在底架54中，并且通过承受载体单元52的压力弹簧72被朝向底架54预装载。压力板64借助于压力弹簧70被弹簧安装在托架单元52上。压力板64具有止挡装置，该止挡装置具有多个止挡元件68，该多个止挡元件68通过调节螺纹而长度上可调节地被固定至压力板64。能够测量基板14的温度的弹簧加载式的温度传感器被集成在底板66的通孔中。
一旦焊接组10已被放置在底架54和固定到底架54的载体单元52中，包括载体单元52和底架54的单元就可以插入到保持单元56中，其中底架54借助于导辊58、60和保持条62被固定。
焊接装置50还包括高度可调节的底板66，该底板66可通过底部开口的底架54而与基板14直接接触。
焊接装置50可以布置在可抽空的处理室中，如下面将更详细说明的。
底板66和/或压力板64可以与热源和/或散热器(未示出)连接，热源和/或散热片使得可以加热或冷却焊接组10。如果朝着压力板64沿着箭头(图7)方向调节底板66，那么电路载体14(包括安装在其上的组件12A、12B)克服压力弹簧72的力而被抬离底架54。在特定的调节行程之后，上部的部件12B与压力板64A接触，以使得压力被施加到焊接组10，并且部件12A、12B或电路载体14被压缩，直到止挡元件68的自由端与电路载体14接触。在图7所示的位置中，压力板64和底板66已达到其最小间距，从而焊接组10不能再被压缩。结果，根据图8可以生成具有限定高度h的焊接组10。
如果代替电路载体14将辅助载体板(未示出，辅助载体板上仅放置一个或多个部件12A、12B而没有焊接材料，并且进而将焊接材料16放置在部件12A、12B上)放置在底架54上，则在实际产生焊接连接部之前，这些部件12A、12B设置有熔化的焊接材料16的涂层，该涂层也具有限定的高度h(见图8)。为此，压力板64可以在与焊接材料16的接触点处设置有脱模剂涂层。
现在将分别参照图9和图10描述根据第二示例性实施例或第三示例性实施例的焊接装置150、250。焊接装置150、250包括可抽空的处理室74，该处理室74与其环境隔离。在处理室74中，仅示出了示意性表示的保持单元56，其接收或安装底架54。作为两个焊接组10的构成部分的电路载体14进而被安装在底架54中。
焊接装置150(图9)包括安装在处理室74上的压力板64。
焊接装置250(图10)包括压力板64，该压力板以与在第一示例性实施例(图6和7)中类似的方式被安装在底架54上。
焊接装置150、250还包括高度可调节的底板66，其可通过底架54中的开口与基板接触。具有两个焊接组10的基板这里可被压靠在压力板64上。在压力板64上，固定有止挡元件68，一旦达到底板66和压力板64之间的最小间距，该止挡元件68就支承在电路载体14上，从而使得焊接组10不再被进一步压缩并且因此具有限定的高度。
止挡元件68在这里也可以是高度可调节的构造。
压力板64可以是平面的(图6、7和10)，或者根据一种变型，具有与焊接组10接触的一个或多个突出台阶76(图9)。如图9所示，台阶76可以具有稍微较小的横截面，以使得它们仅与最上面的部件的表面的一部分接触。因此，可以在部件内产生温度梯度。
有利的是，在水平对齐的情况下，通过压力板可以实现各种选择性的冷却方案。在完成焊接操作之后的选择性冷却在现有技术中是已知的，例如，涉及将焊接好的物品暴露于来自底部的冷却剂蒸汽或使其与冷却销机械接触的方案。因此确保了在凝固期间，焊剂从内向外以限定的方式凝固，并且因此在焊料的微观结构中没有形成空隙和缺陷。其余的图11至图14(在每种情况下都具有远距离且施加的压力板)示出了用于使冷却或加热设备与部件的顶部机械接触的各种方案，以便允许以如下方式对加热或冷却进行选择性的控制：焊剂的凝固过程还可以通过压力板的机械连接从上方被选择性地影响。
图11至图14显示了不同的实施例，这些实施例示出了用于从顶部均匀地或不均匀地选择性地冷却或加热焊接组的各种选择：
在图11a中(带有隔开的压力板64)，压力板64的台阶76(该台阶是可冷却的或可加热的)正朝着堆叠组件12的焊接组10前进以便从上方提供冷却/加热，该堆叠组件通过焊接材料16连接在一起，参见图11b。压缩行程被支承在部件架82或夹具的顶部上的止挡元件68限制。止挡板64由用作压力板64的框架的压力装置保持架84引导，其中，保持架84通过用于热流体的端口78被选择性地加热或冷却。热流体可以是加压的水和乙二醇的混合物，其允许快速设置压力板的温度。承载电路载体14的基板66同样可以通过端口78由热流体进行加热或冷却，以使得能够从上方和下方设定温度。在施加压力之前，焊接材料16不均匀地分布在焊接组10下方，以使得焊接组10相对于电路载体14歪斜，从而导致可变的焊料分布。在图11b中施加压力后，可以实现水平对齐，并且焊接材料均匀分布在焊接组10内和焊接组10下方。
在图12a(隔开的压力板64)和图12b(将压力施加到焊接组10上)中的示例性实施例的相对于图11进行修改的构造中，包括多个部件12a至12d的整个焊接组10被单个压力板64压缩。压力板64的温度进而由保持架84调节，流体穿过该保持架84，并且布置在焊接组10下面的底板66的温度也可以通过电路载体14调节。焊接组包括多个相邻的部件12c、12d，它们被作为底部和盖子的较大的部件12a、12b夹在中间。对齐较大的部件12a、12b，例如冷却板和背板，使较小的部件12c、12d对齐。
在图13a、13b(分别表示为打开和压缩)中所示的止挡装置的实施例中，提供了多个压力板64a、64b，它们可以分开并且单独地移位，但是也可以在保持架84上联合地移位。压力板64a、64b在每种情况下都包括可单独设置的压力元件68，压力元件68例如可以具有不同的高度，并且通过流体端口78可分开地或共同地进行温度调节。由于台阶76，可以以适应于表面的高度和尺寸的方式来在基板载体14上压缩不同的焊接组10a、10b。以这种方式，可以选择性地冷却和对齐不同高度的焊接物品10。可以在不同的压力元件上单独设置加热或冷却能力。各种止挡元件76确保压力板64a、64b的可单独设置的止挡高度。
最后，在图14a，14b(打开和压缩状态)中所示的实施例示出了没有其自身的冷却设备或加热设备的压力板64。压力板64的温度可以通过侧向布置的冷却装置或加热装置间接地调节，该冷却装置或加热装置集成在压力板64的保持架84中。压力板64因此可以例如集成在压紧设备中，和/或可通过布置在焊接物品下面的冷却设备或加热设备来调节其温度。竖直台阶76布置在压力板上，该压力板能够选择性地支承在焊接组10的各个表面区域上并且能够选择性地引入或去除热量。台阶76同时用作止挡元件68。各部件12a这里可以被压缩和进行温度调节，而焊接组10的其他压敏部件12b、12c则保持自由。
图11至图14所示的实施例可以单独使用或组合使用，并且可以协同互补并相互组合或单独地发挥它们的有益效果。
在焊接装置50、150、250(图6至图14)的所有实施例中，部件12A、12B可以通过粘结材料18暂时地与彼此连接，以参照图1至图5所描述的方式与焊接材料16和/或与电路载体或基板14连接。
附图标记列表
10 焊接组
12A、12B 部件
14 基板/电路载体
16 焊接材料
18 粘结材料
50、150、250 焊接装置
52 载体单元
54 底架
56 保持单元
58、60 导辊
62 保持条
64 压力板
66 底板
68 止挡元件
70、72 压力弹簧
74 处理室
76 台阶
78 温度可调节的流体端口
82 部件架
84 压力装置保持架
A、B、B'、C、D 处理点
L 液相曲线
N 氮气气氛
P 相界
P1 预热阶段
P2 清洁阶段
P3 熔化阶段
P4 冷却阶段
R 清洁剂气氛
T 温度曲线
V 真空

Claims (22)

1.一种用于通过加热和熔化焊接材料（16）而在处理室（74）中产生多个部件（12A，12B）之间的焊接连接部的方法，所述处理室（74）与其周围环境隔离，所述焊接材料（16）布置在待连接的所述部件（12A，12B）之间，使用粘结材料（18）将待连接的所述部件（12A，12B）暂时地连接起来以形成焊接组（10），在所述焊接组（10）中，所述部件（12A，12B）相对于彼此固定在接合位置中，
其特征在于，在大气压下将所述焊接组（10）加热至低于所述焊接材料（16）的熔化温度的中间温度，并且在于，在所述中间温度下，将所述处理室（74）中的压力降低到所述粘结材料（18）的蒸发压力以下，以使得所述粘结材料（18）蒸发，
其中，在所述中间温度下，首先将所述处理室（74）中的压力降低至高于所述粘结材料（18）的所述蒸发压力的压力，以使得所述粘结材料（18）尚未蒸发，随后将清洁剂引入到所述处理室（74）中，以清洁所述焊接组（10），随后在所述中间温度下将所述处理室（74）中的压力降低到所述粘结材料（18）的所述蒸发压力以下的压力，以使所述粘结材料（18）和所述清洁剂能够从所述处理室（74）中被共同排出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘结材料（18）被选择成使得其在所述焊接连接部的产生期间蒸发。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在低于大气压的蒸发压力下，所述粘结材料（18）的蒸发温度低于所述焊接材料（16）在大气压下的熔化温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述处理室（74）中的压力被降低到所述粘结材料（18）的所述蒸发压力以下的压力时，所述中间温度被保持在预定的温度值处或预定的温度范围内，至少直到所述粘结材料（18）的蒸发完成。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述粘结材料（18）布置在所述焊接材料（16）和/或待连接的所述部件（12A，12B）的中心和/或边缘和/或角部的区域中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一旦所述粘结材料（18）已经蒸发，所述焊接材料（16）就熔化。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘结材料（18）是液体或糊状的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粘结材料（18）包括萜烯醇。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粘结材料（18）包括环己异龙脑酯。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少在所述焊接材料（16）正在熔化的同时，所述焊接组（10）被容纳在布置于所述处理室（74）中的焊接装置（50，150，250）中，其中，所述焊接装置（50，150，250）具有底板（66）和压力板（64），所述焊接组（10）被容纳在所述底板（66）和所述压力板（64）之间，并且所述底板（66）和所述压力板（64）能够关于其间距而相对于彼此调节，用于在所述焊接组（10）上施加压力，并且所述焊接装置（50，150，250）具有止挡装置，所述止挡装置将所述底板（66）和所述压力板（64）之间的所述间距限制成最小间距，以使得：一旦所述焊接材料（16）已经熔化，所述焊接组（10）就具有预定的厚度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述止挡装置布置在所述底板（66）或所述压力板（64）上。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述止挡装置是能够调节的，以使得能够设置所述最小间距。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述止挡装置包括多个止挡元件（68）。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述止挡元件（68）是长度能够调节的。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，每个止挡元件具有调节设备。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述调节设备与设置在所述底板（66）或所述压力板（64）上的互补调节设备相互作用。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述止挡元件（68）被布置成使得：在达到所述最小间距时，所述止挡元件（68）以相应的自由端抵靠在所述焊接组（10）的部件（12A，12B，14）上、抵靠在承载所述部件（12A，12B，14）中的一个的底架（54）上或者抵靠在所述底板（66）上。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述底板（66）和/或所述压力板（64）是能够加热的和/或能够冷却的。
19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述焊接装置（50，150，250）具有载体单元（52），所述压力板（64）被直接或间接地弹簧支撑或弹簧安装在所述载体单元（52）上。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，能够设置所述压力板（64）施加在所述焊接组（10）上的弹簧力。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述底板（66）相对于所述载体单元（52）是能够调节的。
22.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述压力板（64）的与所述底板（66）相关联的一侧是平面的或者具有至少一个突起的台阶（76），所述台阶（76）与所述焊接组（10）接触。
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