CN111037139B - 一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法 - Google Patents

一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法，属于电路密封工艺技术领域。该方法是在大尺寸电路封装过程中，采用垫片和弹簧夹对装配结构进行夹紧固定，包括：(1)准备封装原材料以对封装原材料进行预处理：所述封装原材料包括盖板和管壳；对所述管壳的预处理为依次进行的预烘焙和清洗处理，对盖板的预处理为清洗处理；(2)通过预装配形成装配结构，所述装配结构包括盖板、焊料环和管壳，所述垫片置于管壳下方，通过弹簧夹和垫片实现对所述装配结构的夹紧固定；(3)低温烧结封盖。本发明同时采用多个弹簧夹对管壳、盖板施压，从而使焊料均匀的浸润管壳焊封区，控制空洞率在20％以下。

Description

一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法
技术领域
本发明涉及电路密封工艺技术领域，具体涉及一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法。
背景技术
现有的烧结密封技术中，一般通过使用弹簧夹夹住管壳、盖板的方式进行装配。然后将装配好的管壳、盖板放入烧结炉中进行烧结工艺。对于有空洞率要求的电路一般采用力量更大的弹簧夹，在密封过程中施加更大的压力，增强焊料的浸润性，以减小空洞率。
但是对于尺寸较大的管壳、盖板(焊封区周长在80mm以上)，由于盖板本身很薄，在较大压力下容易产生形变，导致压力不能均匀向下施加在焊料上，使得焊料环内侧压力比外侧压力更大，进而导致焊料向外侧溢出，空洞率不合格。
发明内容
本发明公开了一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法，采用多个弹簧夹对每个压力源实现精确控制(包括位置和压力大小)，并且与传统的中间施加压力的方法相比，本发明的压力施加可以直接作用在焊料环上方，对焊料的浸润性提高更加直接。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法，该方法是在大尺寸电路封装过程中，采用垫片和弹簧夹对装配结构进行夹紧固定，从而将大尺寸电路的密封空洞率控制20％以下；该方法包括如下步骤：
(1)准备封装原材料以对封装原材料进行预处理：所述封装原材料包括盖板和管壳；对所述管壳的预处理为依次进行的预烘焙和清洗处理，对盖板的预处理为清洗处理；
(2)通过预装配形成装配结构，所述装配结构包括盖板、焊料环和管壳，所述垫片置于管壳下方，通过弹簧夹和垫片实现对所述装配结构的夹紧固定；
(3)低温烧结封盖。
上述步骤(1)中，对管壳进行预烘焙的过程在烘箱中完成，预烘焙温度100℃～150℃，预烘焙时间1～4小时；预烘焙完成后，先降温到50℃～80℃，再取出装配体。
上述步骤(1)中，对管壳采用等离子清洗，清洗频率13.5MHz，采用氩气作为反应气体，清洗时间3min～10min。
上述步骤(1)中，对盖板采用等离子清洗，清洗频率2.56GHz，清洗采用氢气作为反应气体，清洗时间3min～10min。
上述步骤(2)中，所述装配结构中，管壳、焊料环和盖板依次叠装，所述弹簧夹为五个，各弹簧夹的一个自由端分别置于盖板的中心位置和四角位置，另一个自由端置于垫片底部相应位置，从而实现对盖板和管壳的中心位置及四角位置的夹紧。
所述垫片的材质为陶瓷或金属，垫片为长方体、立方体或圆柱体；所述弹簧夹为5个，夹在盖板四角的四个弹簧夹相同；所述弹簧夹的材质为钢。
上述步骤(2)中，所述预装配过程具体如下：
将盖板、管壳和垫片叠装在一起的过程为：首先将垫片平放在水平工作台上，再将管壳平放在垫片上，然后在管壳的密封区域上放置好盖板，形成装配结构；
然后用一个弹簧夹夹住装配结构的中心，再分别用四个相同的弹簧夹夹住盖板四角；最后，将夹住装配结构的中心的弹簧夹卸下来，完成预装配过程。
上述步骤(3)中，所述低温烧结封盖过程，包括如下步骤(A)-(G)：
(A)抽真空-充氮气：在室温条件下，将真空烧结炉腔体内抽真空至真空度为0.1mbar～1.5mbar，然后充入氮气，使腔体内真空度达到500mbar～1500mbar；所充入氮气的纯度为99.99％以上；
(B)升温Ⅰ：所述升温Ⅰ过程是对焊接腔体进行加热的过程，将腔体从室温加热到预热温度T1，T1＝220～270℃；所述升温Ⅰ过程的升温速率为20～50℃/min；
(C)保温-管壳腔体气体置换：先进行保温过程，然后进行管壳腔体置换；其中：保温过程温度为T1，保温时间为8min以上；管壳腔体气体置换过程是进行的一次或多次的抽真空-充氮气过程，抽真空后腔体内真空度为0.1mbar～1.5mbar，充氮气后腔体内真空度为100mbar～1500mbar，所充入氮气的纯度为99.99％以上；
(D)升温Ⅱ：升温Ⅱ过程是对焊接腔体进行加热的过程，将腔体从预热温度T1加热到焊接温度T2，T2＝320℃～340℃；所述升温Ⅱ过程的升温速率为20～50℃/min；
(E)反应：所述反应过程是保持焊接腔体内温度持续为T2，反应过程的时间为8min以上；
(F)急速冷却：所述急速冷却过程是将腔体温度从T2降低到T3，T3＝60～100℃；所述急速冷却过程的降温速率为10～30℃/min；
(G)缓慢冷却：所述缓慢冷却过程是将腔体温度从T3降到T4，T4＝30～60℃；所述缓慢冷却过程的降温速率为10～30℃/min。
步骤(1)对管壳的预烘焙过程完成后，需在4小时内完成步骤(3)的低温烧结封盖过程。
本发明设计原理及有益效果如下：
本发明通过采用多个弹簧夹对管壳、盖板施压，同时配合封装过程中的特定工艺，使焊料均匀的浸润管壳焊封区，来达到控制大尺寸电路密封空洞率的效果。最终控制空洞率在20％以下。
附图说明
图1为本发明方法中的装配结构示意图；其中：(a)和(b)弹簧夹夹在盖板中心；(c)弹簧夹夹在盖板四角。
图2为本发明大尺寸电路密封空洞率的控制方法的流程图。
图3为本发明控制方法中低温烧结封盖温度曲线。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
本实施例为对大尺寸电路密封空洞率的控制方法，该方法是在大尺寸电路封装过程中，采用垫片和弹簧夹对封装结构进行夹紧固定，从而控制大尺寸电路的密封空洞率，具体包括如下步骤(1)-(3)：
(1)准备封装原材料以对封装原材料进行预处理：所述封装原材料包括盖板和管壳；对所述管壳的预处理为依次进行的预烘焙和清洗处理，对盖板的预处理为清洗处理。
对管壳进行预烘焙的过程在密闭充氮气烘箱中完成，预烘焙温度125℃，预烘焙时间2小时；预烘焙完成后，降温到55℃左右，取出装配体。对管壳进行预烘焙的作用是去除管壳镀层吸附的水汽等气体，减少后面低温烧结封盖过程中管壳镀层吸附气体挥发导致的焊接层空洞。
所述预烘焙过程完成后，须在4小时内完成后续低温烧结封盖过程。
对管壳采用等离子清洗，清洗频率13.5MHz，采用氩气作为反应气体，清洗时间5min。对盖板采用等离子清洗，清洗频率2.56GHz，清洗采用氢气作为反应气体，清洗时间5min。
对管壳和盖板清洗的作用是去除管壳、盖板表面氧化物及沾污物。
(2)通过预装配形成装配结构，所述装配结构包括依次叠装的盖板、焊料环和管壳，所述垫片置于管壳下方，所述弹簧夹为五个，各弹簧夹的一个自由端分别置于盖板的中心位置和四角位置，弹簧夹另一个自由端置于垫片底部相应位置，从而实现对盖板和管壳的中心位置及四角位置的夹紧。
所述垫片的作用是使弹簧夹在夹住盖板、管壳和垫片的同时，不碰到管壳引脚。垫片材质可以是陶瓷或金属，优选为陶瓷垫片；垫片可以是长方体，立方体或圆柱体，优选为长方体。
所述弹簧夹为5个，夹在盖板中心的弹簧夹的作用是固定盖板、管壳和垫片，为后续用四个相同弹簧夹夹住盖板四角做准备。
盖板四角的4个弹簧夹的作用是固定盖板、管壳和垫片并且对盖板四边的焊料环均匀施压，进而使得烧结时焊料能够均匀流淌。弹簧夹的材质为钢。
所述预装配过程中，将盖板、管壳和垫片叠装在一起的过程是：
先将垫片平放在水平工作台上，再将管壳平放在垫片上，然后在管壳的密封区域上放置好盖板；
进一步，用一个弹簧夹夹住装配结构(盖板-管壳-垫片组成整体)的中心，整个操作过程需佩戴防静电手环和橡胶指套，以防止静电击穿电路和沾污电路；
进一步，分别用四个相同的弹簧夹夹住盖板四角。
最后，将夹住装配结构(盖板-管壳-垫片组成整体)的中心的弹簧夹卸下来，完成预装配过程。
(3)进行低温烧结封盖，包括如下步骤(A)-(G)：
(A)抽真空-充氮气：在室温条件下，进行抽真空-充氮气的过程3次(即，抽真空-充氮气-抽真空-充氮气-抽真空-充氮气)，通过抽真空使真空烧结炉腔体内真空度为1mbar，通过充氮气使腔体内真空度达到1000mbar；所充入氮气的纯度为99.999％。所述抽真空-充氮气过程的作用是尽量排除焊接炉腔体内的空气，形成以惰性气体为主的焊接环境。
(B)升温Ⅰ：所述升温Ⅰ过程是对焊接腔体进行加热的过程，将腔体从室温加热到预热温度T1＝260℃，升温Ⅰ过程的升温速率为30℃/Min。
(C)保温-管壳腔体气体置换：先进行保温过程，然后进行管壳腔体置换；其中：保温过程是在T1时保持10min；管壳腔体气体置换过程是进行3次抽真空-充氮气过程，抽真空后腔体内真空度为1mbar，充氮气后腔体内真空度1000mbar，所充入氮气的纯度99.999％。所述的抽真空-充氮气过程的作用是尽量排除焊接炉腔体内的空气，形成以惰性气体为主的焊接环境。
所述保温-管壳腔体气体置换过程是为了使所有被焊接元器件都能达到统一温度，并且用氮气置换管壳腔体内的气氛，保证后续焊料环反应过程中腔体内的气体不会与焊料环反应形成空洞。
(D)升温Ⅱ：升温Ⅱ过程是对焊接腔体进行加热的过程，将腔体从预热温度T1加热到焊接温度T2＝330℃，升温Ⅱ过程的升温速率为30℃/Min。
(E)反应：所述反应过程是保持焊接腔体内温度持续为T2，确保焊料环充分熔化，在盖板镀层、管壳密封区镀层上充分铺展，并与盖板镀层、管壳密封区镀层完成共晶反应，形成共晶体，所述的共晶体在本过程中是液态。所述反应过程的时间为10min。
(F)急速冷却：所述急速冷却过程是对焊接腔体进行降温的过程，目的在于细化晶粒，提高焊接强度，将腔体温度从T2降低到T3，T3＝80℃。
所述急速冷却过程的降温速率为20℃/Min。
(G)缓慢冷却：所述缓慢冷却过程是对焊接腔体进行降温的过程，目的在于降低焊接面的残余应力，将腔体温度从T3降低到T4，T4＝40℃。
所述缓慢冷却过程的降温速率为20℃/Min。
上述(A)-(G)7个过程形成统一的整体，目的在于控制烧结过程中焊料区域的工艺温度曲线。
本实施例最终控制空洞率在20％以下。

Claims (5)

1.一种大尺寸电路密封空洞率的控制方法，其特征在于：该方法是在大尺寸电路封装过程中，采用垫片和弹簧夹对装配结构进行夹紧固定，从而将大尺寸电路的密封空洞率控制20%以下；该方法包括如下步骤：
（1）准备封装原材料以对封装原材料进行预处理：所述封装原材料包括盖板和管壳；对所述管壳的预处理为依次进行的预烘焙和清洗处理，对盖板的预处理为清洗处理；
（2）通过预装配形成装配结构，所述装配结构包括盖板、焊料环和管壳，所述垫片置于管壳下方，通过弹簧夹和垫片实现对所述装配结构的夹紧固定；所述装配结构中，管壳、焊料环和盖板依次叠装，所述弹簧夹为五个，各弹簧夹的一个自由端分别置于盖板的中心位置和四角位置，另一个自由端置于垫片底部相应位置，从而实现对盖板和管壳的中心位置及四角位置的夹紧；所述垫片的材质为陶瓷或金属，垫片为长方体、立方体或圆柱体；所述弹簧夹的材质为钢，夹在盖板四角的四个弹簧夹相同；先用一个弹簧夹夹住装配结构的中心，再分别用四个相同的弹簧夹夹住盖板四角，最后将夹住装配结构的中心的弹簧夹卸下来，完成预装配过程；
（3）低温烧结封盖。
2.根据权利要求1所述的大尺寸电路密封空洞率的控制方法，其特征在于：步骤（1）中，对管壳进行预烘焙的过程在烘箱中完成，预烘焙温度100℃~150℃，预烘焙时间1~4小时；预烘焙完成后，先降温到50℃~80℃，再取出装配体。
3.根据权利要求1所述的大尺寸电路密封空洞率的控制方法，其特征在于：步骤（1）中，对管壳采用等离子清洗，清洗频率13.5MHz，采用氩气作为反应气体，清洗时间3min~10min。
4.根据权利要求1所述的大尺寸电路密封空洞率的控制方法，其特征在于：步骤（1）中，对盖板采用等离子清洗，清洗频率2.56GHz，清洗采用氢气作为反应气体，清洗时间3min~10min。
5.根据权利要求1所述的大尺寸电路密封空洞率的控制方法，其特征在于： 步骤（1）对管壳的预烘焙过程完成后，需在4小时内完成步骤（3）的低温烧结封盖过程。
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