CN112289695B - 一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置及共晶方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，包括方形上组合体与下盘，所述下盘表面阵列分布有多个L型断开结构，用于自动微组装设备的识别和焊件的阵列摆放，以及四角分布设有定位孔，每个L型断开结构包围有通孔，用于固定焊件；所述上组合体包括上盘、中盘、定位销钉及多个焊件定位结构，上盘与中盘重叠固定设置，定位销钉设置在中盘下表面四角与下盘定位孔对应；所述多个焊件定位结构阵列设置于中盘下表面与L型断开结构对应。采用本发明的方案在多焊件的自动微组装流程中，有效实现了单边0.4mm以上任意尺寸，不同形状，不同位置的金属盒体、电路基板及芯片间的自动共晶，适用于多品种，小批量生产的自动共晶流程。

Description

一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置及共晶方法
技术领域
本发明涉及共晶焊接技术领域，特别涉及一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置及共晶方法。
背景技术
在微波毫米波电路中，普遍使用共晶焊接技术实现金属盒体(CuMoCu热沉等)、电路基板(陶瓷基板，微波印制基板等)、芯片(GaAs、GaN等)之间的结合，通常这些焊件单边尺寸都≥0.4mm。在共晶焊接中，为保证共晶时焊件固定不移动和共晶后焊件间焊料的低空洞率，都需要使用专用工装装置对焊件均匀施加压力。针对多品种、小批量的产品，共晶用的专用工装装置结构各异，限制了微波毫米波电路的自动微组装批量化生产(工序通常为点涂、贴片、共晶、清洗等)；此外，共晶用的专用工装装置数量多、成本高、加工周期长、加工难度高、不易管理。
实用新型申请号201120514646.3公开了一种用于多颗LED集成封装的共晶夹具，该夹具可用于多颗LED的集成封装，其芯片载体为共烧陶瓷，但该共烧陶瓷无法大面积加工，无法实现多件大面积焊件的共晶，且一件产品只能共晶一颗芯片，无法实现不同尺寸，不同位置的多焊件共晶。
发明专利申请号201310610874.4公开了一种对芯片共晶焊接的方法，但该共晶压合装置加工复杂，一种共晶压合装置只能对应一种尺寸的芯片，无法实现不同尺寸，不同位置的多焊件共晶。
发明专利申请号201610104163.3公开了一种CSP共晶焊接方法，该方法能够缩短芯粒共晶时间、提高芯粒共晶精度及CSP成品性能，对焊件施加的压合压力可控，但对芯粒施加的压合压力过大(8g/s-12g/s的速度逐渐增加压合压力，压合时间为40s，压合压力最大时为320-480gf，且一件产品只能共晶一颗芯片，无法实现不同尺寸，不同位置的多焊件共晶。
实用新型申请号201721012320.4公开了一种共晶芯片的放置装置，解决了现有的共晶芯片因与底座接触不好存在空隙导致共晶芯片空洞率过高的问题，但只能对固定尺寸的芯片进行共晶，无法实现不同尺寸，不同位置的多焊件共晶。
发明专利申请号201810059738.3公开了一种多芯片共晶石墨工装及装配方法，能够准确确定芯片位置，一次性完成多芯片的装载共晶操作，共晶受热均匀。但该方法只能对固定位置的芯片进行共晶，无法实现不同尺寸，不同位置的多焊件共晶。
基于此，有必要针对上述问题，提供一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置及共晶方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微波毫米波电路多焊件通用共晶装置及自动共晶方法，可实现不同位置，不同尺寸(单边≥0.4mm)的金属热沉、电路基板、芯片之间的自动共晶方法。
本发明采用的技术方案如下：一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，包括方形上组合体与下盘，所述下盘表面阵列分布有多个L型断开结构，用于自动微组装设备的识别和焊件的阵列摆放，以及四角分布设有定位孔，每个L型断开结构包围有通孔，用于固定焊件；所述上组合体包括上盘、中盘、定位销钉及多个焊件定位结构，上盘与中盘重叠固定设置，定位销钉设置在中盘下表面四角与下盘定位孔对应；所述多个焊件定位结构阵列设置于中盘下表面与L型断开结构对应，所述下盘与自动设备操作台面相连，通过吸气负压来固定焊件。
进一步的，所述焊件定位结构包括多个阵列设置定位柱与弹簧组合结构，定位柱一端与弹簧连接固定于中盘内部，另一端外露，用于定位和固定焊件，所述弹簧为耐高温弹簧材质SUS301，可承受450℃的共晶温度。
进一步的，所述上组合体还包括多个高头螺钉，所述高头螺钉螺帽向下，穿过中盘与上盘设置；高头螺钉分布设置在上组合体的四条边上，用于调节施加到焊件上的压力，如当焊件(芯片厚度通常为0.1mm)高度为0.1mm时，弹簧压缩0.1mm，单根弹簧对焊件施加的压合压力约为0.6gf。
进一步的，所述下盘背面设有开槽，用于与自动微组装设备操作台面固定，可通用于各种自动微组装设备。如自动点胶机、自动贴片机、自动丝带焊机、自动检测系统等。
进一步的，所述下盘采用石墨制成，可实现下盘大面积，多焊件的同时共晶。
上述通用共晶装置，可对相同微波毫米波电路的阵列焊件通用化使用；也可对不同微波毫米波电路的不同尺寸，不同位置的阵列焊件通用化使用。
进一步的，一种采用权利要求1-5任一所述用于多焊件自动共晶的通用共晶装置的共晶方法，其特征在于，包括：
步骤1、在通用共晶装置的下盘上对金属热沉进行阵列摆放；
步骤2、在共晶装置下盘上的阵列金属热沉上点涂金锗焊膏，该金锗焊膏为Au-Ge合金焊膏，该金锗焊膏是Au-Ge合金粉末混入助焊剂而得到的，其中Au-Ge合金粉末含有10～15％(质量)的Ge，余量为Au和不可避免的杂质。；
步骤3、在金属热沉上进行电路基板贴片；
步骤4、将上组合体定位销钉插入下盘的定位孔固定，再进行自动共晶焊接和清洗；
步骤5、取下上组合体，在下盘上的阵列电路基板和/或金属热沉上点涂金锡焊膏；
步骤6、在阵列电路基板和/或金属热沉上进行芯片贴片；
步骤7、再次将上组合体与下盘固定，进行自动共晶焊接和清洗；
步骤8、取下上组合体得到共晶构件。
进一步的，所述步骤4中，自动共晶焊接温度为420℃±10℃。
进一步的，所述步骤7中，自动共晶焊接温度为350℃±10℃。
进一步的，所述步骤4、7中清洗溶剂为异丙醇。
进一步的，所述金属热沉、电路基板、芯片的表面镀层均为金镀层。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本方案的共晶装置定位柱间距为0.2mm，可实现单边0.4mm以上芯片、电路基板、金属热沉间的压合；每个芯片和电路基板上有多个压合点，单个压合点力小(0.6gf)且可控，使得芯片和电路基板整体受力均匀。基于该通用共晶装置，在多焊件的自动微组装流程中，有效实现了单边0.4mm以上任意尺寸，不同形状，不同位置的金属盒体、电路基板及芯片间的自动共晶，适用于多品种，小批量生产的自动共晶流程。
附图说明
图1所示为本发明制备的通用共晶装置侧视示意图。
图2所示为本发明制备的中盘的俯视图。
图3所示为本发明制备的承载焊件的下盘及装载了部分焊件的示意图。
图4所示为本发明共晶时焊件的压合固定示意图。
图5所示为本发明提供的一种微波毫米波电路(金属热沉、电路基板、芯片)自动共晶焊接方法的流程图。
图6所示为本发明中微波毫米波电路中共晶构件的示意图。
附图标记：1-下盘，2-焊件1(金属盒体、金属热沉)，3-焊件2(电路基板)，4-焊件3(GaAs，GaN芯片)，5-中盘，6-上盘，7-定位柱，8-弹簧，9-高头螺钉，10-定位销钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明专利基于自动微组装生产流程，提供一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置及共晶方法。定位柱间距为0.2mm，本专利提供的通用共晶装置可实现单边0.4mm以上芯片、电路基板、金属热沉间的压合；每个芯片和电路基板上有多个压合点，单个压合点力小(0.6gf)且可控，使得芯片和电路基板整体受力均匀。基于该通用共晶装置，在多焊件的自动微组装流程中，有效实现了单边0.4mm以上任意尺寸，不同形状，不同位置的金属盒体、电路基板及芯片间的自动共晶。该通用共晶装置及自动共晶方法非常适用于多品种，小批量生产的自动共晶流程。
如图1、2、3所示，本发明提供了一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，包括方形上组合体与下盘1，所述下盘表面阵列分布有多个L型断开结构，用于自动微组装设备的识别和焊件的阵列摆放，以及四角分布设有定位孔，每个L型断开结构包围有通孔，用于固定焊件；所述上组合体包括上盘6、中盘5、定位销钉10及多个焊件定位结构，上盘6与中盘5重叠固定设置，定位销钉10设置在中盘5下表面四角与下盘6定位孔对应；所述多个焊件定位结构阵列设置于中盘下表面与L型断开结构对应，所述下盘6与自动设备操作台面相连，通过吸气负压来固定焊件。
具体的，如图2、4所示，所述焊件定位结构包括多个阵列设置定位柱7与弹簧8组合结构，定位柱7一端与弹簧8连接固定于中盘5内部，另一端外露，用于定位和固定焊件，所述弹簧8为耐高温弹簧材质SUS301，可承受450℃的共晶温度；所述定位柱之间间距为0.2mm。
在一个优选实施例中，所述上组合体还包括多个高头螺钉9，所述高头螺钉螺帽向下，穿过中盘与上盘设置；高头螺钉分布设置在上组合体的四条边上，通过高头螺钉的高度调节可调节施加到焊件上的压力，如当焊件(芯片厚度通常为0.1mm)高度为0.1mm时，弹簧压缩0.1mm，单根弹簧对焊件施加的压合压力约为0.6gf。
在一个优选实施例中，所述下盘背面设有开槽，用于与自动微组装设备操作台面固定，可通用于各种自动微组装设备。如自动点胶机、自动贴片机、自动丝带焊机、自动检测系统等。
在一个优选实施例中，所述下盘采用石墨制成，可实现下盘大面积，多焊件的同时共晶。
上述通用共晶装置，可对相同微波毫米波电路的阵列焊件通用化使用；也可对不同微波毫米波电路的不同尺寸，不同位置的阵列焊件通用化使用。
上述通用共晶装置还可在自动真空炉，热台、烘箱等加热设备中进行共晶。
如图5所示，本发明还提供了一种采用上述共晶装置的共晶方法，包括：
步骤1：在自动贴片机操作平台上安装下盘1(如图3所示)，利用自动贴片机在通用共晶装置的下盘1上对焊件2(金属热沉)进行阵列摆放；
步骤2：上述通用共晶装置组合流转到自动点胶机处，开启吸气负压，固定下盘上的焊件2(金属热沉)，利用自动点胶机在通用共晶装置下盘1上的阵列焊件2(金属热沉)上点涂金锗焊膏，关闭吸气负压；
步骤3：上述通用共晶装置组合流转到自动贴片机处，开启吸气负压，利用自动贴片机对焊件3(电路基板)在焊件2(金属热沉)上进行阵列贴片；
步骤4：将通用共晶装置上组合体(如图1、2所示)垂直放入下盘1上，完成焊件3(电路基板)的压合，如图4所示，关闭吸气负压；
步骤5：上述通用共晶装置组合依次流转自动真空回流炉及自动清洗机处，对上述组合进行自动共晶焊接和清洗，完成如图6中焊件2(金属热沉)和焊件3(电路基板)之间的共晶焊接；
步骤6：取下通用共晶装置上组合体，按照步骤2的方法在下盘1上的阵列焊件2(金属热沉)和/或焊件3(电路基板)上点涂金锡焊膏；
步骤7：按照步骤3的方法，利用自动贴片机对焊件4(芯片)在阵列焊件2(金属热沉)和/或焊件3(电路基板)上进行贴片；
步骤8：按照步骤4的方法，将通用共晶装置上组合体垂直放入下盘1上，完成焊件4(芯片)的压合；
步骤9：按照步骤5的方法，将上述组合进行自动共晶焊接和清洗，完成如图6中焊件2(金属热沉)和焊件4(芯片)之间和/或焊件3(电路基板)和焊件4(芯片)之间的共晶焊接；
步骤10：取下通用共晶装置上组合体，流转自动检验、自动粘接、自动丝带焊、自动测试等后道工序。
可选的，上述自动共晶顺序还可为先用金锗焊膏实现芯片与电路基板间的共晶，再用金锡焊膏实现芯片与金属热沉间、电路基板与金属热沉间的共晶。
可选的，上述共晶用的焊料还可是预包裹助焊剂的预成型焊片，共晶方法中则由焊膏的自动点涂改为焊片的自动贴片。
在一个优选实施例中，所述步骤5中，采用的焊膏为金锗(Au88Ge12)焊膏，在自动真空回流炉中，共晶温度为420℃±10℃；
在一个优选实施例中，所述步骤9中，采用的焊膏为金锡(Au80Sn20)焊膏，在自动真空回流炉中，共晶温度为350℃±10℃。
在一个优选实施例中，所述步骤5，9中，采用的清洗溶剂主要为异丙醇。
焊接过程中，芯片(GaAs，GaN等)上均有起保护作用的保护膜(如：BCB膜等)。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，其特征在于，包括方形上组合体与下盘，所述下盘表面阵列分布有多个L型断开结构，用于自动微组装设备的识别和焊件的阵列摆放，以及四角分布设有定位孔，每个L型断开结构包围有通孔，用于固定焊件；所述上组合体包括上盘、中盘、定位销钉及多个焊件定位结构，上盘与中盘重叠固定设置，定位销钉设置在中盘下表面四角与下盘定位孔对应；所述多个焊件定位结构阵列设置于中盘下表面与L型断开结构对应。
2.根据权利要求1所述的用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，其特征在于，所述焊件定位结构包括多个阵列设置定位柱与弹簧组合结构，定位柱一端与弹簧连接固定于中盘内部，另一端外露，用于定位和固定焊件。
3.根据权利要求2所述的用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，其特征在于，所述上组合体还包括多个高头螺钉，所述高头螺钉螺帽向下，穿过中盘与上盘设置；高头螺钉分布设置在上组合体的四条边上，用于调节施加到焊件上的压力。
4.根据权利要求3所述的用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，其特征在于，所述下盘背面设有开槽，用于与自动微组装设备操作台面固定。
5.根据权利要求4所述的用于多焊件自动共晶的通用共晶装置，其特征在于，所述下盘采用石墨制成。
6.一种采用权利要求1-5任一所述用于多焊件自动共晶的通用共晶装置的共晶方法，其特征在于，包括：
步骤1、在通用共晶装置的下盘上对金属热沉进行阵列摆放；
步骤2、在共晶装置下盘上的阵列金属热沉上点涂金锗焊膏；
步骤3、在金属热沉上进行电路基板贴片；
步骤4、将上组合体定位销钉插入下盘的定位孔固定，再进行自动共晶焊接和清洗；
步骤5、取下上组合体，在下盘上的阵列电路基板和/或金属热沉上点涂金锡焊膏；
步骤6、在阵列电路基板和/或金属热沉上进行芯片贴片；
步骤7、再次将上组合体与下盘固定，进行自动共晶焊接和清洗；
步骤8、取下上组合体得到共晶构件。
7.根据权利要求6所述的共晶方法，其特征在于，所述步骤4中，自动共晶焊接温度为420℃±10℃。
8.根据权利要求7所述的共晶方法，其特征在于，所述步骤7中，自动共晶焊接温度为350℃±10℃。
9.根据权利要求6所述的共晶方法，其特征在于，所述步骤4、7中清洗溶剂为异丙醇。
10.根据权利要求6所述的共晶方法，其特征在于，所述金属热沉、电路基板、芯片的表面镀层均为金镀层。
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