CN112151399B - 一种共晶有功率芯片的载体焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例适用于微波组装工艺技术领域，提供了一种共晶有功率芯片的载体焊接方法，盒体、印刷电路板和共晶有功率芯片的载体装配组成产品结构，印刷电路板预先焊接固定于盒体上，载体焊接于盒体上的载体焊接区域并与印刷电路板电连接，该焊接方法包括以下步骤：根据载体的尺寸大小制作焊片；对盒体中的载体焊接区域和焊片进行清洗；将盒体放入真空烧结炉中，并依次层叠放置焊片以及载体；对真空烧结炉抽真空并填充氮气，直至真空烧结炉中的空气完全排出；在真空环境下对真空烧结炉加热升温，通过熔融焊片将载体焊接于载体焊接区域。本发明可解决现有技术用镊子进行载体和盒体的摩擦焊接操作困难而且存在性能和质量隐患的问题。

Description

一种共晶有功率芯片的载体焊接方法
技术领域
本发明属于微波组装工艺技术领域，尤其涉及一种共晶有功率芯片的载体焊接方法。
背景技术
在微波毫米波微组装工艺技术中，微波接地对载体最基本的要求是：导电、导热。微波毫米波频率下，必须尽可能降低芯片、基片与载体间的电阻，特别是表面电阻，以降低电路衰减和串扰，一般采用导电胶粘接的方式进行贴装即可满足接地要求。但对于功率模块，尤其是在采用多芯片合成时，大部分直流功率能量都转换为热量，散热问题必须考虑，这就要求使功率芯片和散热片间的导热通道具有最小的热阻。其中共晶有功率芯片的载体的装配对功率芯片的散热至关重要，其对实现功率组件小型化，提高固态功率组件的研制技术水平、推广固态功率合成组件的应用领域具有非常重要的意义。
目前共晶有功率芯片的载体装配方式主要有：导电胶粘接和使用镊子和低温焊料进行手动摩擦焊接。然而目前市面上的导电胶热导率较低，无法满足功率芯片的散热要求。而使用镊子和低温焊料进行手动摩擦焊接时，由于固态大功率芯片的外形一般具有典型的尺寸大和厚度薄的特点，很多外形尺寸已经达到4mm以上，大大超过了手动镊子焊接的可控夹持范围3mm的上限，无法进行摩擦焊接，具有相当的技术风险，不能保证低空洞率，导致热阻大，功放组件存在性能和质量隐患；其次，随着模块和组件小型化程度和封装效率的提高，一个功放组件上往往需要同时焊接的载体数目众多，多功率芯片组件没有足够的操作空间和余量，导致用镊子手动焊接操作困难。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种共晶有功率芯片的载体焊接方法，旨在解决现有技术用镊子进行载体和盒体的摩擦焊接操作困难而且存在性能和质量隐患的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种共晶有功率芯片的载体焊接方法，盒体、印刷电路板和共晶有功率芯片的载体装配组成产品结构，所述印刷电路板预先焊接固定于所述盒体上，所述载体采用该焊接方法焊接于所述盒体上的载体焊接区域并与所述印刷电路板电连接，其特征在于，该焊接方法包括以下步骤：
步骤1：根据所述载体的尺寸大小制作焊片；
步骤2：对所述盒体中的所述载体焊接区域和所述焊片进行清洗；
步骤3：将所述盒体放入真空烧结炉中，并依次层叠放置所述焊片以及所述载体；
步骤4：对所述真空烧结炉抽真空并填充氮气，直至所述真空烧结炉中的空气完全排出；
步骤5：在真空环境下对所述真空烧结炉加热升温，通过熔融所述焊片将所述载体焊接于所述载体焊接区域。
进一步地，所述步骤3将所述载体放置在所述焊片上后并在进行步骤4抽真空之前，在所述载体的顶面上放置压块。
进一步地，所述压块的顶面开设有两个通孔，在放置所述压块时采用镊子通过两个所述通孔进行夹取放置。
进一步地，所述功率芯片设置在所述载体的顶面的中间区域，所述压块包括主体部以及设置在所述主体部底面的两个压紧部，两个所述压紧部间隔设置，且两个所述压紧部之间形成观察口，当所述压块放置在所述载体的顶面上时，所述功率芯片位于两个所述压紧部之间，并通过所述观察口观察所述功率芯片与两个所述压紧部之间的相对位置以防止所述压紧部碰撞所述功率芯片。
进一步地，所述步骤2的所述清洗包括湿法清洗和等离子清洗，所述焊片的正反两面各进行一次等离子清洗。
进一步地，所述步骤5的焊接温度范围设置为215℃～225℃，焊接时间范围为10～50秒。
进一步地，所述步骤4重复对所述真空烧结炉抽真空并填充氮气至少两次。
进一步地，执行步骤4过程中重复对所述真空烧结炉抽真空并填充氮气时，所述真空烧结炉内进行预备和预热升温，温度升高到150℃～170℃后进行保温，保温时间范围为20～60秒。
进一步地，所述共晶有功率芯片的载体焊接方法还包括：
焊接完成后，对焊接完成的组件进行外观检测和空洞率检测。
本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明将焊片和共晶有功率芯片的载体依次放置在盒体上，并在真空烧结炉内进行真空焊接，只需调控真空烧结炉内的温度，焊片变为熔融焊料即可实现焊接，操作简便，避免了人工直接操作的不便利性，并且可形成有效的散热通道和可靠的焊接结构，保证焊接质量。
附图说明
图1是本发明实施例的微波功率芯片组件的剖视结构示意图；
图2是本发明实施例的微波功率芯片组件的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例的压块的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例的焊接流程示意图；
图5是本发明实施例焊接过程的温度曲线图。
在附图中，各附图标记表示：
1、盒体；2、压块；3、印刷电路板；4、焊片；5、载体；6、功率芯片；11、容置腔；111、腔壁；21、主体部；22、压紧部；23、通孔；24、观察口；31、定位槽；32、半圆槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2和图5所示，是本发明实施例提供的一种共晶有功率芯片的载体焊接方法，盒体1、印刷电路板3和共晶有功率芯片6的载体5装配组成产品结构，印刷电路板3预先焊接固定于盒体1上，载体5采用该焊接方法焊接于盒体1上的载体焊接区域并与印刷电路板3电连接，该焊接方法包括以下步骤：
步骤1：根据载体5的尺寸大小制作焊片4；
步骤2：对盒体1中的载体5焊接区域和焊片4进行清洗；
步骤3：将盒体1放入真空烧结炉中，并依次层叠放置焊片4以及功率芯片载体5；
步骤4：对真空烧结炉抽真空并填充氮气，直至真空烧结炉中的空气完全排出；
步骤5：在真空环境下对真空烧结炉加热升温，通过熔融焊片4将载体5焊接于载体5焊接区域。
具体的，步骤1中，焊片4的长度和宽度与载体5的长度和宽度相等，厚度为0.4mm，焊片4的材料为Sn63Pb37。
具体的，在进行步骤2时，对载体5焊接区域和焊片4的清洗包括湿法清洗和氩氢等离子清洗，其中，焊片4的正反两面各进行一次氩氢等离子清洗，等离子清洗不会对焊片4造成损伤，同时又能保证清洁力度，除去表面氧化物，降低空洞率。
优选的，在完成步骤3之后，进行步骤4之前，可在载体5的顶面上放置压块2。具体的，盒体1包括向下凹陷的容置腔11，印刷电路板3焊接在容置腔11的底面上，印刷电路板3的顶面开设有定位槽31，焊片4以及载体5依次层叠放置在定位槽31中，定位槽31的槽壁对载体5进行限位，防止放置载体5时发生偏位。功率芯片6设置在载体5的顶面的中间区域，如图3所示，压块2包括主体部21以及设置在主体部21底面的两个压紧部22，两个压紧部22间隔设置，当压块2放置在载体5的顶面上时，功率芯片6位于两个压紧部22之间，并且容置腔11的腔壁111对压块2进行限位，避免压块2压到功率芯片6从而损坏功率芯片6。两个压紧部22向下压紧载体5上功率芯片6旁边的区域，可增大受压面积，使得载体5在焊接时受压均匀。在其他实施方式中，也可以在主体部21的底部设置多个柱脚压在载体5的表面上，注意设置柱脚的位置对称，保证载体5受压均匀。可选的，压块2的材料为不锈钢，密度较大，不易变形而且热导率较小，压块2对载体5的表面压力为0.001N/mm2～0.003N/mm2，压块2的重量以此为基准设计。
在本实施例中，定位槽31的槽壁与载体5的侧面预留0.1～0.2mm的缝隙，压紧部22靠近功率芯片6的边缘距离功率芯片6约为0.4mm，而容置腔11的腔壁与压块2的侧面预留0.1～0.2mm的缝隙。为了观察功率芯片6与两个压紧部22之间的相对位置以防止压紧部22碰撞功率芯片6，两个压紧部22之间还开设有观察口24。另外，压块2的顶面还开设有两个通孔23，在放置压块2时采用镊子通过两个通孔23进行夹取放置，两个通孔23的直径为2mm，深度为4mm，间距为6mm。定位槽31的两侧还开设有两个直径为1mm的半圆槽，便于镊子夹取放置载体5到定位槽31中。
优选的，在步骤4中，重复对真空烧结炉抽真空并填充氮气至少两次，将炉内的空气排干净，并使得炉内处于纯氮气氛围，防止焊片4等焊接面氧化，无需引入额外的助焊剂，焊接后无需进行湿法清洗。
结合图4，是焊接的温度曲线图，在本实施例中，执行重复对真空烧结炉抽真空并填充氮气过程中在预备和预热升温阶段进行，温度升高到160℃之后进行保温，保温时间约为40秒，之后再升高炉内的温度至焊接温度220℃，焊接时间约为30秒。焊接完成后，降温冷却后取件。根据不同的焊接对象的特点，焊接温度和焊接时间等也不相同。如对于放置在真空烧结炉内不同大小的盒体1，焊接温度存在差别。其中，焊接温度范围设置为215℃～225℃，焊接时间范围为10～50秒，而保温的温度范围设置为150℃～170℃，保温时间范围为20～60秒。根据不同的焊接对象，通过设定合理的工艺曲线，利用专用施压工装，精确控制真空以及可控气氛烧结炉炉腔内的环境(包括温度和时间、真空度、充气气体流量和时间等工艺条件)，可保证焊接焊料在焊接界面内形成有效的散热通道和可靠的冶金焊接结构，保证焊接工艺和产品的可靠性和一致性。优选的，在焊接完成后，对焊接完成的组件进行外观检测和X光空洞率检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种共晶有功率芯片的载体焊接方法，盒体(1)、印刷电路板(3)和共晶有功率芯片（6）的载体(5)装配组成产品结构，所述印刷电路板(3)预先焊接固定于所述盒体(1)上，所述载体(5)采用该焊接方法焊接于所述盒体(1)上的载体（5）焊接区域并与所述印刷电路板(3)电连接，其特征在于，该焊接方法包括以下步骤：
步骤1：根据所述载体(5)的尺寸大小制作焊片(4)；
步骤2：对所述盒体(1)中的所述载体（5）焊接区域和所述焊片(4)进行清洗；
步骤3：将所述盒体(1)放入真空烧结炉中，并依次层叠放置所述焊片(4)以及载体(5)；在所述载体(5)的顶面上放置压块(2)；所述功率芯片(6)设置在所述载体(5)的顶面的中间区域，所述压块(2)包括主体部(21)以及设置在所述主体部(21)底面的两个压紧部(22)，两个所述压紧部(22)间隔设置，且两个所述压紧部(22)之间形成观察口(24)，当所述压块(2)放置在所述载体(5)的顶面上时，所述功率芯片(6)位于两个所述压紧部(22)之间，并通过所述观察口(24)观察所述功率芯片(6)与两个所述压紧部(22)之间的相对位置以防止所述压紧部(22)碰撞所述功率芯片(6)；
步骤4：对所述真空烧结炉抽真空并填充氮气，直至所述真空烧结炉中的空气完全排出；
步骤5：在真空环境下对所述真空烧结炉加热升温，通过熔融所述焊片(4)将所述载体(5)焊接于所述载体（5）焊接区域。
2.如权利要求1所述的共晶有功率芯片的载体焊接方法，其特征在于，所述压块(2)的顶面开设有两个通孔(23)，在放置所述压块(2)时采用镊子通过两个所述通孔(23)进行夹取放置。
3.如权利要求1所述的共晶有功率芯片的载体焊接方法，其特征在于，所述步骤2的所述清洗包括湿法清洗和氩氢等离子清洗，所述焊片(4)的正反两面各进行一次等离子清洗。
4.如权利要求1所述的共晶有功率芯片的载体焊接方法，其特征在于，所述步骤5的焊接温度范围设置为215℃～225℃，焊接时间范围为10～50秒。
5.如权利要求1所述的共晶有功率芯片的载体焊接方法，其特征在于，所述步骤4重复对所述真空烧结炉抽真空并填充氮气至少两次。
6.如权利要求5所述的共晶有功率芯片的载体焊接方法，其特征在于，执行步骤4过程中重复对所述真空烧结炉抽真空并填充氮气时，所述真空烧结炉内进行预备和预热升温，温度升高到150℃～170℃后进行保温，保温时间范围为20～60秒。
7.如权利要求1所述的共晶有功率芯片的载体焊接方法，其特征在于，所述共晶有功率芯片的载体焊接方法还包括：
焊接完成后，对焊接完成的组件进行外观检测和空洞率检测。
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