CN111570954A - 一种to型金属封装的钎焊密封工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TO型金属封装的钎焊密封工艺，属于电子设备装配技术领域。本发明采用钎焊对盖板密封面和基板密封面通过钎焊进行气密封装，钎料融化后，由于盖板密封面和基板密封面之间间隙较小，通过毛细作用进入盖板密封面与基板密封面之间，形成合金层，冷凝后形成钎焊焊缝，形成的钎焊焊缝是通过高温和熔融形成的，结合力、连接力、致密度、耐冲击度等方面均较好，在产品后续使用过程中不容易出现盖板脱落等风险，同时，钎焊焊缝气密性较好，能够达到相应的要求，产品最终的质量能够得到保证，在钎焊焊接之前，在盖板密封面和基板密封面进行搪锡处理，用于提高焊接质量，使盖板和基板之间的气密封装连接更可靠。

Description

一种TO型金属封装的钎焊密封工艺
技术领域
本发明涉及电子设备装配技术领域，具体涉及一种TO型金属封装的钎焊密封工艺。
背景技术
TO(Transistor outline Package)，即晶体管外形封装，简称TO，是晶体管以及小规模集成电路的封装规格的一个类别。TO型封装结构通常分为圆形和矩形，其包括两部分，一部分为金属材质的基板(或载板)，采用烧结玻璃绝缘子作为输入输出及接地等端口，另一部分为盖板，盖板的材质可以是金属或者非金属，盖板扣合在基板上并通过粘接或焊接等方式进行密封连接。盖板的材质采用金属时，即为TO型的金属封装。
TO型进行金属封装时，通常采用储能焊工艺进行气密封装，储能焊是利用电荷储存在一定容量的电容里，使焊炬通过焊材与工件的瞬间，以每秒2-3次的高频脉冲放电，从而使焊材与工件在瞬间接触点部位达到冶金结合的一种焊接技术。但是储能焊存在诸多问题，其表现在于：
1、以点接触的形式放电形成宏观的“焊层”，这种没有通过整体熔融的“焊层”和真正通过高温和整体熔融的焊层或使用焊料填充的两种母材之间的焊层是完全不同的，其缺点是结合力、连接力、致密度、耐冲击度等方面均较差，在产品后续使用过程中容易出现盖板脱落等风险；
2、焊层密布针状砂眼，这是由于焊接时无法达到所有焊缝处均处于100％熔融状态的饱和焊接，所以会形成一定的密布整个焊层的孔隙位置，表现为焊层外观存在针孔状砂眼，导致产品气密性不能达到相应要求；
3、经储能焊封盖后的产品，一旦出现性能故障，大多采用机械的方式进行开盖处理，通过机械开盖的盖板不能再次使用，需重新焊接新的盖板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TO型金属封装的钎焊密封工艺，以解决现有TO型的金属封装采用储能焊工艺进行气密封装，导致产品的质量差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种TO型金属封装的钎焊密封工艺，包括：S1：预处理，其包括以下步骤；
S11：清洗盖板和基板；
S12：在盖板密封面和基板密封面搪锡，然后对盖板密封面和基板密封面进行清洗；
S2：钎焊，其包括以下步骤：
S21：将盖板和基板放置在热台上预热，然后将盖板扣合在基板上，使盖板密封面和基板密封面接触；
S22：将扣合有盖板的基板放置在热台上，并对盖板密封面与基板密封面之间的接缝位置进行钎焊。
钎焊是借助于比母材熔点低的液态钎料填满固态母材间的间隙，并相互扩散形成冶金结合的一类连接同种/不同材料的焊接方法。钎焊的焊接过程为：把钎焊焊料放置在结合间隙附近或直接放置在结合间隙中，当工件与钎焊焊料一起加热到稍高于焊料的熔化温度后，焊料将熔化并浸润焊件表面。液态焊料借助毛细作用，将沿焊接缝流动铺展，于是被钎焊焊接金属和焊料之间进行相互溶解相互渗透，形成合金层，冷凝后即形成钎焊焊接。较之熔焊，钎焊时母体不熔化，仅钎料融化。较之压焊，钎焊时不对焊件施加压力，不损伤焊件内部元器件。
钎焊的特征在于：
1)钎料熔点低于母材，钎焊时母材不熔化；
2)钎料与母材的成分有很大差别；
3)熔化的钎料靠润湿和毛细作用吸入并保持在母材间隙内；
4)依靠液态钎料与固体母材的相互扩散而形成冶金结合。
与此同时，钎焊的优点在于：
1)钎料的熔点低于母材，对母材的组织性能影响小；
2)应力与变形小，适合于高精度、复杂零部件或结构的连接；
3)生产率高，诸多连接缝可一次完成；
4)广泛的适用性，可焊金属及异种金属；
5)接头表面质量好。
本发明采用钎焊对盖板密封面和基板密封面通过钎焊进行气密封装，钎料融化后，由于盖板密封面和基板密封面之间间隙较小，通过毛细作用进入盖板密封面与基板密封面之间，形成合金层，冷凝后形成钎焊焊缝，形成的钎焊焊缝是通过高温和熔融形成的，结合力、连接力、致密度、耐冲击度等方面均较好，在产品后续使用过程中不容易出现盖板脱落等风险，同时，钎焊焊缝气密性较好，能够达到相应的要求，产品最终的质量能够得到保证。
相较于常规钎焊，本发明在钎焊焊接之前，在盖板密封面和基板密封面进行搪锡处理，用于提高焊接质量，使盖板和基板之间的气密封装连接更可靠，搪锡之后、焊接之前对各密封面进行清洗，在钎焊时不具有常规钎焊必须所采用的助焊剂，直接焊接钎料即可，降低了助焊剂对TO封装内部芯片、键合金丝/带的腐蚀，提高产品的可靠性，同时，在焊接过程中，使用热台辅助加热，有效降低焊接温度，保护TO封装内部芯片抗热冲击能力，提升产品质量。
此外，由于钎料熔点低于盖板和基板材质的熔点，在焊接时，仅钎料熔化，盖板和基板不会熔化，在出现性能故障时，将焊层进行融化，即可完成开盖操作，开盖后的盖板和基板不会被损坏，不但能解决开盖返修困难的问题，还能避免采用新的盖板来控制成本。
进一步地，步骤S11的具体过程为：将盖板浸泡在酒精中或将盖板浸泡在酒精中并通过超声对盖板进行清洗；用酒精对基板密封面擦洗；盖板和基板清洗完成后，放入烘箱中烘干。
本发明将盖板侵泡在酒精中，用于对盖板表面的清洗。通过将盖板侵泡在酒精中并通过超声进行清洗，对盖板的清洗更加彻底。由于基板上连接有绝缘子，为了避免酒精进入基板的内部，采用擦洗的方式进行清洗。
进一步地，步骤S11中，盖板侵泡在酒精中的时间为3-5分钟；对基板密封面擦洗的次数为3-5次；烘箱内的温度为100℃-120℃，烘干时间为1-2分钟。
进一步地，步骤S12中搪锡具体过程为：采用环氧分配器在盖板密封面和基板密封面涂抹助焊剂，将盖板和基板放置在热台上，用烙铁对盖板密封面和基板密封面搪锡。
本发明在搪锡之前，在盖板密封面和基板密封面上涂抹助焊剂，用以去除各密封面上的氧化膜，使得锡能够均匀、牢固地连接在各密封面上。
进一步地，步骤S12中清洗的具体过程为：将盖板浸泡在酒精中对盖板进行清洗，或将盖板浸泡在酒精中并通过超声对盖板进行清洗；用酒精对基板密封面擦洗。
本发明在搪锡后，对各密封面进行清洗，用于除去密封面上的助焊剂。
进一步地，步骤S12中，热台的温度为100℃-120℃；搪锡后的盖板的清洗时间为3-5分钟；搪锡后的基板的擦洗的次数为3-5次。
进一步地，步骤S21和步骤S22中，热台的温度为100℃-120℃。
进一步地，步骤S22的具体过程为：将焊锡丝放置在盖板密封面与基板密封面的接缝位置，使烙铁接触焊锡丝，将焊锡丝和烙铁沿同一方向一起运动，直到围绕盖板密封面与基板密封面的接缝位置一周，完成钎焊操作。
本发明采用烙铁即可对盖板和基板进行钎焊焊接，焊接方式简单、焊接过程简便。
进一步地，钎焊完成后，将产品的钎焊焊缝浸泡在酒精中或采用酒精擦洗钎焊焊缝。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用钎焊对盖板密封面和基板密封面通过钎焊进行气密封装，形成的钎焊焊缝在结合力、连接力、致密度、耐冲击度等方面均较好，在产品后续使用过程中不容易出现盖板脱落等风险，同时，钎焊焊缝气密性较好，能够达到相应的要求，产品最终的质量能够得到保证。
(2)通过本发明的钎焊密封工艺对盖板和基板进行气密封装后，不但能解决开盖返修困难的问题，还能避免采用新的盖板来控制成本。
附图说明
图1为本发明的盖板限位板的结构示意图；
图2为本发明的基板限位块的结构示意图。
图中：10-盖板限位板；11-限位槽；12-凸台；20-基板限位块；21-凸块；22-台阶面；23-条形槽；24-夹持孔；25-减重槽。
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
一种用于TO型封装的夹具组件，包括两部分：一是用于对盖板进行限位的盖板限位板10，二是用于对基板(或载板)进行限位的基板限位块20。
盖板限位板10的顶部设有多个按矩阵排列的限位槽11，限位槽11的截面形状和大小与盖板相匹配，一次性对多个盖板进行限位。限位槽11延伸至盖板限位板10的底壁，即限位槽11贯穿盖板限位板10。限位槽11的内侧壁设有凸台12，盖板放置在限位槽11中时，呈倒置状态，并通过凸台12进行支撑，由于盖板的外侧呈台阶状，其通过限位槽11的侧壁以及凸台12的顶壁进行限位、支撑，避免盖板的滑动。盖板被限位后，盖板密封面朝上并暴露在外，便于对盖板密封面进行清理、清洗以及其他预处理操作。
基板限位块20呈矩形，其顶部设有凸块21，凸块21的形状和大小与基板的形状和大小相匹配，基板放置在凸块21上时，基板密封面的边缘位于凸块21的边缘。凸块21使基板限位块20的顶部边缘形成台阶面22，台阶面22的存在为连接工具，如烙铁等留出操作空间，便于基板与盖板之间的密封连接操作。凸块21沿竖直方向设有条形槽23，条形槽23沿竖直方向设置并贯穿基板限位块20。基板放置在基板限位块20上时，绝缘子伸入条形槽23中，用于保护绝缘子，避免绝缘子弯折、损坏。基板被限位后，基板密封面朝上并暴露在外，便于对基板密封面进行清理、清洗以及其他预处理操作。
基板限位块20的侧面均设有夹持孔24，用于镊子等工具的伸入，便于对基板限位块20的固定，夹持孔24的数量根据基板限位块20的具体结构和大小，并以便于对基板限位块20进行夹持为准。同时，基板限位块20在预热时(预热温度100℃至120℃)或焊接操作时，通过镊子等工具进行夹持时，避免操作者被烫伤。在本实施例中，基板限位块20面积较大的两侧(与长边对应的两侧)分别设有两个夹持孔24，基板限位块20面积较小的两侧(与宽边对应的两侧)分别设有一个夹持孔24。
为了减轻基板限位块20的重量，方便方便镊子等工具进行夹持，凸块21沿竖直方向设有贯穿基板限位块20的减重槽25。
为了满足单列直插、双列直插、三列直插、矩阵式的TO型封装结构，条形槽23的数量可以是1、2、3、4等，并且条形槽23之间相互平行。在本实施例中，条形槽23的数量为2，满足双列直插的TO型封装结构，减重槽25位于2个条形槽23之间。
盖板与基板在进行密封操作时，基板放置在基板限位块20上，盖板放置在基板上，并使盖板密封面与基板密封面接触。为了保证基板密封面的边缘和盖板密封面的边缘均位于凸块21的边缘处，便于基板与盖板之间的密封连接，限位槽11和凸块21的横截面形状和大小相匹配。为了满足对呈矩形或圆形的TO型封装结构进行夹持，限位槽11和凸块21的横截面形状均呈矩形或圆形。在本实施例中，限位槽11和凸块21的横截面形状均呈矩形。
实施例2
一种TO型金属封装的钎焊密封工艺，包括步骤S1：预处理和步骤S2：钎焊。
S1：预处理，其包括以下步骤：
S11：清洗盖板和基板；将盖板浸泡在酒精中对盖板进行清洗，浸泡时间为3-5分钟，将盖板表面的杂质清洗干净；用酒精对基板密封面擦洗，擦洗次数为3-5次，将基板密封面上的杂质清洗干净；盖板和基板清洗完成后，放入温度为100℃-120℃的烘箱中1-2分钟，将酒精烘干；为了对盖板的表面杂质清洗更加彻底，将盖板浸泡在酒精中的同时，通过超声对盖板进行清洗；
S12：在盖板密封面和基板密封面搪锡；采用环氧分配器在盖板密封面和基板密封面涂抹助焊剂，将盖板和基板放置在温度为100℃-120℃的热台上，用烙铁对盖板密封面和基板密封面搪锡；搪锡完成后，将盖板浸泡在酒精中对盖板进行清洗，浸泡时间为3-5分钟，用酒精对基板密封面擦洗，擦洗次数为3-5次，将盖板密封面和基板密封面上的助焊剂清洗干净；为了对盖板密封面的助焊剂清洗更加彻底，将盖板浸泡在酒精中的同时，通过超声对盖板进行清洗；
S2：钎焊，其包括以下步骤：
S21：将盖板和基板放置在温度为100℃-120℃的热台上预热，然后将盖板扣合在基板上，使盖板密封面和基板密封面接触；
S22：将扣合有盖板的基板放置在热台上，并对盖板密封面与基板密封面之间的接缝位置进行钎焊；具体钎焊过程为，将焊锡丝放置在盖板密封面与基板密封面的接缝位置，使烙铁接触焊锡丝，将焊锡丝和烙铁沿同一方向一起运动，直到围绕盖板密封面与基板密封面的接缝位置一周，完成钎焊操作。
钎焊完成后，将产品的钎焊焊缝浸泡在酒精中或采用酒精擦洗钎焊焊缝。
采用上述钎焊密封工艺方法后，解决了TO型金属封装产品采用常规储能焊进行焊接时出现的质量合格率低、返修性差、生产周期长等缺点。经过该方法钎焊的TO型金属封装产品，单只产品钎焊密封平均花费时间2-3分钟。以100只产品为例，原工艺储能焊密封工作耗时约2天，应用上述钎焊密封工艺方法后，平均总耗时5小时，提升生产效率320％，气密合格率由60％提升至98％。
实施例3
采用实施例1的夹具组件的钎焊密封工艺，包括预处理和钎焊：
预处理包括以下步骤：
S11：清洗盖板和基板；将盖板浸泡在酒精中，并放入超声机中，对盖板进行清洗，浸泡时间为3-5分钟，将盖板表面的杂质清洗干净；
将基板放置在基板限位块20的凸块21上，使绝缘子伸入条形槽23中，手持基板限位块20并用酒精对基板密封面擦洗，擦洗次数为3-5次，将基板密封面上的杂质清洗干净；
盖板和基板清洗完成后，放入温度为100℃-120℃的烘箱中1-2分钟，将酒精烘干；
S12：在盖板密封面和基板密封面搪锡；将盖板以倒置的方式放置在盖板限位板10的限位槽中，将基板放置在基板限位块20的凸块21上，此时，盖板密封面和基板密封面均朝上暴露在外，采用环氧分配器在盖板密封面和基板密封面涂抹助焊剂，将盖板限位板10和基板限位块20放置在温度为100℃-120℃的热台上，用烙铁对盖板密封面和基板密封面搪锡；
搪锡完成后，将盖板浸泡在酒精中，并放入超声机中，对盖板进行清洗，浸泡时间为3-5分钟，用酒精对基板密封面擦洗，擦洗次数为3-5次，将盖板密封面和基板密封面上的助焊剂清洗干净；
钎焊包括以下步骤：
S21：将盖板限位板10和基板限位块20放置在温度为100℃-120℃的热台上，对盖板和基板预热，然后将盖板扣合在基板上，使盖板密封面和基板密封面接触；
S22：将扣合有盖板的基板放置在热台上，并对盖板密封面与基板密封面之间的接缝位置进行钎焊；具体钎焊过程为，将焊锡丝放置在盖板密封面与基板密封面的接缝位置，手持烙铁，使烙铁接触焊锡丝，将焊锡丝和烙铁沿同一方向一起运动，直到围绕盖板密封面与基板密封面的接缝位置一周，完成钎焊操作。为了保证烙铁与焊锡丝有效地接触，在进行钎焊时，烙铁放置在台阶面上，通过台阶面的支撑和导向作用，使得烙铁与焊锡丝能够有效地接触。
钎焊完成后，将产品倒置浸泡在酒精中，此时，盖板和钎焊焊缝完全浸泡在酒精中，而绝缘子位于酒精外，避免酒精进入基板的内部。为了确保酒精不进入基板的内部，还可以采用擦洗的方式清洗钎焊焊缝。
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 (9)

1.一种TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，包括：S1：预处理，其包括以下步骤：
预处理包括以下步骤：
S11：清洗盖板和基板；
S12：在盖板密封面和基板密封面搪锡，然后对盖板密封面和基板密封面进行清洗；
S2：钎焊，其包括以下步骤：
S21：将盖板和基板放置在热台上预热，然后将盖板扣合在基板上，使盖板密封面和基板密封面接触；
S22：将扣合有盖板的基板放置在热台上，并对盖板密封面与基板密封面之间的接缝位置进行钎焊。
2.根据权利要求1所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，步骤S11的具体过程为：将盖板浸泡在酒精中或将盖板浸泡在酒精中并通过超声对盖板进行清洗；用酒精对基板密封面擦洗；盖板和基板清洗完成后，放入烘箱中烘干。
3.根据权利要求2所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，步骤S11中，盖板侵泡在酒精中的时间为3-5分钟；对基板密封面擦洗的次数为3-5次；烘箱内的温度为100℃-120℃，烘干时间为1-2分钟。
4.根据权利要求1所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，步骤S12中搪锡的具体过程为，采用环氧分配器在盖板密封面和基板密封面涂抹助焊剂，将盖板和基板放置在热台上，用烙铁对盖板密封面和基板密封面搪锡。
5.根据权利要求4所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，步骤S12中清洗的具体过程为：将盖板浸泡在酒精中对盖板进行清洗，或将盖板浸泡在酒精中并通过超声对盖板进行清洗；用酒精对基板密封面擦洗。
6.根据权利要求5所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，步骤S12中，热台的温度为100℃-120℃；搪锡后的盖板的清洗时间为3-5分钟；搪锡后的基板的擦洗的次数为3-5次。
7.根据权利要求1所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，步骤S21和步骤S22中，热台的温度为100℃-120℃。
8.根据权利要求1所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，步骤S22中钎焊的具体过程为：将焊锡丝放置在盖板密封面与基板密封面的接缝位置，使烙铁接触焊锡丝，将焊锡丝和烙铁沿同一方向一起运动，直到围绕盖板密封面与基板密封面的接缝位置一周，完成钎焊操作。
9.根据权利要求1至8任一项所述的TO型金属封装的钎焊密封工艺，其特征在于，钎焊完成后，将产品的钎焊焊缝浸泡在酒精中或采用酒精擦洗钎焊焊缝。
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