CN113301732A - 一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置及方法，该装置中下模内设置器件放置区，器件放置区内放置有无引线陶瓷封装元器件，器件上表面不高于下模上表面，下表面不低于下模下表面；围框形成的框体覆盖无引线陶瓷封装元器件，围框下端面固定连接支撑片，支撑片覆盖围框形成的区域，支撑片的厚度等于焊点高度，支撑片固定在下模的上表面，支撑片开设若干通孔，每个通孔均与器件底部焊接端以外的区域相对应。在使用时在每个通孔中印刷垫高材料，之后取下围框和支撑片，待垫高材料固化后形成支撑件，完成器件的垫高；将垫高后的器件贴装在已完成焊膏印刷工艺的印制板上，支撑件与印制板接触，进行再流焊接，可完成器件的焊接。

Description

一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置及方法
技术领域
本发明属于电子元器件安全可靠性技术领域，具体为一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置及方法。
背景技术
无引线陶瓷封装元器件简写为LCC器件，LCC器件的侧面焊接端与底部焊接端是连接在一起的，底部焊接端与印制板上相应的焊盘通过焊料焊接形成焊点，完成器件功能。但焊接完成后，在产品使用过程中因环境温度变化，LCC器件陶瓷本体、焊点、以及印制板的热膨胀系数不一致，焊点受剪切应力产生过量蠕变，进而发生开裂失效。研究表明，LCC器件陶瓷本体尺寸越大，焊点因为热膨胀系数不一致受到的剪切应力越大，更容易发生焊点开裂问题。
为了避免大尺寸LCC器件焊点开裂，ECSS-Q-ST-70-38C标准明确规定，焊接端数大于16的LCC器件不建议在FR4印制板上安装使用。但在某些特定情况下，一些暂无可替代的焊接端数大于16的大尺寸LCC器件仍有使用需求。对此类大尺寸LCC器件装联时，采用陶瓷转接板的方式可以提高LCC器件装联的可靠性，但该方法扩大了LCC器件尺寸，无法与原焊盘进行替换，无法发挥器件自身小型化设计的优势，且产生了增大引脚寄生电感，存在削弱电信号质量等问题。
为了提高LCC器件装焊后的可靠性和使用寿命，行业标准要求将该器件的焊点高度抬高至0.10mm-0.40mm，但由于器件本体的陶瓷材料自重较大，使用传统的再流焊接技术难以达到焊点高度的要求。目前通常的解决办法是将器件垫高后使用手工焊接，但这样导致的结果是焊点一致性较差，焊接效率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置及方法，解决了使用再流焊接焊点高度不能满足标准要求和使用传统手工焊接效率低下、焊点一致性差的问题，在保证满足行业标准和焊接质量一致性的基础上，解决产品的可靠性工艺瓶颈问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，包括下模、围框和支撑片；
所述的下模为板状结构，下模内设置有凹槽结构的器件放置区，器件放置区内放置有无引线陶瓷封装元器件，所述器件的上表面不高于下模的上表面，所述器件的下表面不低于下模的下表面；
所述围框形成的框体结构覆盖无引线陶瓷封装元器件，围框的下端面固定连接有支撑片，支撑片覆盖围框形成的区域，支撑片的厚度等于焊点高度，支撑片固定在下模的上表面，支撑片开设有若干通孔，每个通孔均与无引线陶瓷封装元器件底部焊接端以外的区域相对应。
优选的，所述器件放置区的外侧设置有第一定位销和第一定位孔，围框与第一定位销相对应的位置设置有第二定位孔，围框与第一定位孔相对应的位置设置有第二定位销，第一定位销插接在第二定位孔中，第二定位销插接在第一定位孔中。
优选的，所述支撑片的材质为金属。
进一步，所述的支撑片为钢片。
优选的，所述器件放置区内放置的无引线陶瓷封装元器件个数为偶数个。
优选的，所述通孔中每四个与无引线陶瓷封装元器件底部焊接端以外的区域相对应，四个通孔均匀分布在无引线陶瓷封装元器件底部焊接端所围区域中心的四角正上方处。
优选的，所述的器件放置区包括若干个放置单元，每个放置单元包括两个相互连通的正方形凹槽，每个正方形凹槽的中心处均设置有通孔。
进一步，所述正方形凹槽的四角向外均加工有圆形的开口，所述正方形凹槽的两侧沿长度方向设置有矩形的开口，两个正方形凹槽通过矩形的开口连通。
一种无引线陶瓷封装元器件的焊接方法，其特征在于，基于上述任意一项所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，包括如下步骤：
将无引线陶瓷封装元器件放置在器件放置区内，支撑片固定在下模的上表面；
在每个通孔中印刷垫高材料，之后取下围框和支撑片，待垫高材料固化后，形成支撑件，完成无引线陶瓷封装元器件的垫高；
将垫高后的无引线陶瓷封装元器件贴装在已完成焊膏印刷工艺的印制板上，支撑件与印制板接触，进行再流焊接，完成无引线陶瓷封装元器件的焊接。
进一步，所述的垫高材料为红胶或者阻焊油墨。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，在板状结构的下模中设置有凹槽结构的器件放置区，可以放置无引线陶瓷封装元器件，使其上表面不高于下模的上表面，下表面不低于下模的下表面，进而保证在继续安装包括围框和支撑片的上模时，下模保证水平而不损伤无引线陶瓷封装元器件，围框的框体结构覆盖无引线陶瓷封装元器件，这样下方的支撑片固定在下模的上表面时，通过开孔在无引线陶瓷封装元器件底部焊接端以外的区域印刷垫高材料，保证支撑片的厚度等于焊点高度，可得到需要的焊点高度，完成无引线陶瓷封装元器件的垫高，然后通过后续的工艺，可保证满足行业标准和焊接质量一致性的基础上，解决产品的可靠性工艺瓶颈问题。
本发明一种无引线陶瓷封装元器件的焊接方法，先利用下模放置无引线陶瓷封装元器件，通过下模和围框、支撑片的组合安装，可通过在支撑片中印刷垫高材料，完成无引线陶瓷封装元器件的垫高，之后再将垫高后的无引线陶瓷封装元器件贴装在已完成焊膏印刷工艺的印制板上，支撑片与印制板接触进行再流焊接，可完成无引线陶瓷封装元器件的焊接。本发明可应用于所有无引线陶瓷封装元器件的高可靠焊接，具有较强的普适性。与传统手工焊接相比，焊点一致性高，焊接效率至少提升了3倍，可通过设置不同的支撑片厚度，实现不同焊点高度LCC的再流焊接，可以有效降低该类器件在温度应力和机械环境应力作用下的失效率，使器件的使用寿命与传统再流焊接(即焊点高度小于0.10mm)相比可靠性提高了一倍以上，大幅提高了器件组装可靠性及整机使用寿命，消除了质量隐患，从源头上解决了LCC器件因可靠性问题导致的电子产品组装失效。
附图说明
图1为本发明所述的焊接原理示意图。
图2为本发明所述的下模结构示意图。
图3为图2的主视图。
图4为图2的俯视图。
图5为本发明所述上模与钢片的连接示意图。
图6为图5的主视图。
图7为图5的俯视图。
图8为本发明再流焊接工艺焊点金相分析示意图。
图9为传统再流焊接工艺焊点金相分析示意图。
图中：支撑件1，陶瓷体2，焊锡3，Cu 4，PCB 5，器件放置区6，第一定位销7，第一定位孔8，下模9，围框10，支撑片11，第二定位孔12，第二定位销13，通孔14。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明首先设计了一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，包括下模9和上模，上模包括围框10和支撑片11；
如图2、图3和图4所示，下模9为板状结构，下模9内设置有凹槽结构的器件放置区6，器件放置区6内可放置无引线陶瓷封装元器件，以器件可以顺利放入并无晃动为宜，该器件放置后其上表面不高于下模9的上表面，下表面不低于下模9的下表面。
具体地，器件放置区6的外侧设置有第一定位销7和第一定位孔8，第一定位孔8分布在下模9的边缘，每边有3个，而第一定位销7与其中两个第一定位孔8错开设置。
如图所示，器件放置区6包括若干个放置单元，每个放置单元包括两个相互连通的正方形凹槽，器件放置区6内放置的无引线陶瓷封装元器件个数可以为偶数个，图中仅展示4个。
为了便于之后取出垫高后的无引线陶瓷封装元器件，每个正方形凹槽的中心处均设置有通孔。正方形凹槽的四角向外均加工有圆形的开口，所述正方形凹槽的两侧沿长度方向设置有矩形的开口，两个正方形凹槽通过矩形的开口连通。
如图5、图6和图7所示，围框10形成的框体结构可覆盖无引线陶瓷封装元器件，围框10的下端面固定连接有支撑片11，可用胶或固定件进行固定，支撑片11覆盖围框10形成的区域，支撑片11的厚度等于焊点高度，支撑片11固定在下模9的上表面，支撑片11开设有若干通孔14，钢片开孔的形状为垫高点(即支撑件1)的形状，每个通孔14均与无引线陶瓷封装元器件底部焊接端以外的区域相对应。
为了保证垫高点的均匀性和之后焊接的稳定性，通孔14中每四个与无引线陶瓷封装元器件底部焊接端以外的区域相对应，四个通孔14均匀分布在无引线陶瓷封装元器件底部焊接端所围区域中心的四角正上方处。
本发明中围框10与第一定位销7相对应的位置设置有第二定位孔12，围框10与第一定位孔8相对应的位置设置有第二定位销13，第一定位销7插接在第二定位孔12中，第二定位销13插接在第一定位孔8中。
本发明一种无引线陶瓷封装元器件的高可靠焊接方法，基于上述装置，包括以下步骤：
步骤1，将无引线陶瓷封装元器件放置在器件放置区6内，支撑片11固定在下模9的上表面；
步骤2，使用刮刀在每个通孔14中印刷垫高材料，垫高材料可为红胶或者阻焊油墨，之后取下围框10和支撑片11，待垫高材料固化后，形成支撑件1，完成无引线陶瓷封装元器件的垫高，支撑片11的材质为金属，一般为钢片，这样便于操作；
步骤3，将垫高后的无引线陶瓷封装元器件贴装在已完成焊膏印刷工艺的印制板上，支撑件1与印制板接触，进行再流焊接，完成无引线陶瓷封装元器件的焊接。
具体地，如图1所示，根据LCC器件的垫高厚度，使用焊膏印刷工艺在印制板5上印刷相应厚度的焊膏(如LCC器件垫高厚度为0.10mm时，焊膏厚度应为0.15mm，LCC器件垫高厚度为0.15mm时，焊膏厚度应为0.20mm)，本例差值选了0.05mm，工艺的要求可以是一个范围；焊膏在再流焊接中便为焊锡3，图中的Cu 4内置在PCB 5中，将垫高后的LCC器件贴装在印制板上，垫高点朝下，并进行再流焊接。
因此在使用本发明的装置时，可将LCC器件置于下模中，下模和上模通过定位销和定位孔完成定位。放置上模后，使用刮刀印刷垫高材料，将实现器件垫高0.10mm-0.40mm。
为了提高该工序的操作效率，可根据实际情况将下模放置器件的区域和上模中印刷层开孔的区域阵列分布。
本发明针对封装形式为LCC20(LCC的英文全称为Leadless Chip Carrier)的器件进行了验证。该器件由于陶瓷本体，焊点和印制板的FR-4材料的热膨胀系数不一致，在经历温度循环时，焊点在周期性热应力作用下将产生变形，塑性形变的积累将在焊点上产生初始裂纹及裂纹扩展，最终导致焊点热疲劳失效，该器件属于组装可靠性风险较大的器件。
如图1所示，在满足标准要求和高可靠焊接要求的基础上，实现LCC器件的再流焊接的自动化焊接。
在焊接前，使用下模和上模(钢片厚度为0.15mm)将器件底部印刷垫高点，固化后得到的器件，垫高高度为0.15mm，进而使用厚度为0.20mm钢网，并进行印刷，使用贴片机进行自动贴装，并再流焊接。使用再流焊接方法实现了焊点高度为0.15mm的LCC器件的高可靠焊接。
经环境试验验证后，使用本发明使用再流焊接工艺方法的焊点形貌优于传统再流焊接(焊点高度小于0.10mm)。200个温度循环后，对两个状态的焊点进行了金相分析，使用本发明再流焊接工艺焊接的器件焊点未见明显裂纹，如图8所示；传统再流焊接工艺焊接的器件焊点裂纹长度占整个焊点总长度的4.6％，如图9所示。试验验证结果表明：使用本发明再流焊接工艺方法焊接的LCC器件的焊点可靠性明显提高。
此外，本发明已成功应用于其他不同I/O数的LCC器件。上述焊接方法在提高了生产效率和组装可靠性的基础上，适用于所有的LCC器件，具有较强的普适性。

Claims (10)

1.一种无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，包括下模(9)、围框(10)和支撑片(11)；
所述的下模(9)为板状结构，下模(9)内设置有凹槽结构的器件放置区(6)，器件放置区(6)内放置有无引线陶瓷封装元器件，所述器件的上表面不高于下模(9)的上表面，所述器件的下表面不低于下模(9)的下表面；
所述围框(10)形成的框体结构覆盖无引线陶瓷封装元器件，围框(10)的下端面固定连接有支撑片(11)，支撑片(11)覆盖围框(10)形成的区域，支撑片(11)的厚度等于焊点高度，支撑片(11)固定在下模(9)的上表面，支撑片(11)开设有若干通孔(14)，每个通孔(14)均与无引线陶瓷封装元器件底部焊接端以外的区域相对应。
2.根据权利要求1所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，所述器件放置区(6)的外侧设置有第一定位销(7)和第一定位孔(8)，围框(10)与第一定位销(7)相对应的位置设置有第二定位孔(12)，围框(10)与第一定位孔(8)相对应的位置设置有第二定位销(13)，第一定位销(7)插接在第二定位孔(12)中，第二定位销(13)插接在第一定位孔(8)中。
3.根据权利要求1所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，所述支撑片(11)的材质为金属。
4.根据权利要求3所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，所述的支撑片(11)为钢片。
5.根据权利要求1所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，所述器件放置区(6)内放置的无引线陶瓷封装元器件个数为偶数个。
6.根据权利要求1所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，所述通孔(14)中每四个与无引线陶瓷封装元器件底部焊接端以外的区域相对应，四个通孔(14)均匀分布在无引线陶瓷封装元器件底部焊接端所围区域中心的四角正上方处。
7.根据权利要求1所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，所述的器件放置区(6)包括若干个放置单元，每个放置单元包括两个相互连通的正方形凹槽，每个正方形凹槽的中心处均设置有通孔。
8.根据权利要求7所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，其特征在于，所述正方形凹槽的四角向外均加工有圆形的开口，所述正方形凹槽的两侧沿长度方向设置有矩形的开口，两个正方形凹槽通过矩形的开口连通。
9.一种无引线陶瓷封装元器件的焊接方法，其特征在于，基于权利要求1～8中任意一项所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接装置，包括如下步骤：
将无引线陶瓷封装元器件放置在器件放置区(6)内，支撑片(11)固定在下模(9)的上表面；
在每个通孔(14)中印刷垫高材料，之后取下围框(10)和支撑片(11)，待垫高材料固化后，形成支撑件(1)，完成无引线陶瓷封装元器件的垫高；
将垫高后的无引线陶瓷封装元器件贴装在已完成焊膏印刷工艺的印制板上，支撑件(1)与印制板接触，进行再流焊接，完成无引线陶瓷封装元器件的焊接。
10.根据权利要求9所述的无引线陶瓷封装元器件的焊接方法，其特征在于，所述的垫高材料为红胶或者阻焊油墨。
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