CN114309854A - 一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法及工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法及工装，包括以下步骤：将基板和双面开腔盒体固定于工装，并在基板与双面开腔盒体之间需要焊接位置设置焊料；将工装置于温控装置内，通过工装的底座与侧壁将温控装置产生的热量热传导至双面开腔盒体，将双面开腔盒体加热至焊接温度，使基板与双面开腔盒体之间的焊料熔融；对温控装置进行抽真空；降温，完成基板与双面开腔盒体的一体化钎焊。该双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法减少了焊接工序，提高了焊接效率，同时解决了后道钎焊对前道已经焊接的基板带来过度老化风险的问题。
Description
技术领域
本发明属于基板钎焊技术领域，具体涉及一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法及工装。
背景技术
微波组件作为有源相控阵天线的核心部组件，近些年得到了快速的发展。由于微波组件电路工作频率高，接地要求高，对于基板与金属外壳之间的“大面积接地”多采用钎焊工艺。为了进一步提高微波组件的集成密度和可靠性，盒体结构双面开腔并在两面腔体内进行多基板大面积接焊接，成为减小微波组件尺寸、提高集成度的主要路径之一。
针对双面开腔盒体的多基板焊接需求，传统的焊接方法是通过两个温区来分别完成正面和背面腔体的基板焊接，例如：首先正面基板采用熔点为220℃的锡银铜(SAC305)焊料，然后背面基板焊接采用熔点为183℃的Sn63Pb37焊料。这种方法存在以下几方面的问题：
(1)为避免后道工序对前道工序的影响，低熔点焊料焊接温度应低于高熔点焊料熔点20℃以上，因此背面基板焊接温度不宜超过200℃，而过低的焊接温度不利于焊料充分的流淌和浸润焊接面。
(2)背面基板焊接过程中不可避免地会对正面已经焊接好的基板和元器件带来过度老化的风险。
(3)对于传统的热传导加热方式的钎焊炉而言，双面开腔盒体由于与加热板接触面积小，导致升温速度低和温度场均匀性差，腔体中心的温度与边缘的温度差能达到10℃以上、升温速率＜0.5℃/s，焊接过程中焊料会在较长时间内熔融不均从而导致钎透率较低(＜75％)。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法及工装，基于焊接工装能进行热传导的原理，实现了在焊接过程中焊接组件整体温度均匀性小于等于3℃，预热后升温速率大于等于1℃/s，焊接后的焊接钎透率大于等于90％的良好效果。
本发明提供了一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法，包括以下步骤：
步骤一：将基板和双面开腔盒体固定于工装，并在基板与双面开腔盒体之间需要焊接位置设置有焊料；
步骤二：将工装置于温控装置内，通过工装的底座与侧壁将温控装置产生的热量热传导至双面开腔盒体，将双面开腔盒体加热至焊接温度，使基板与双面开腔盒体之间的焊料熔融；
步骤三：对温控装置进行抽真空；
步骤四：降温，完成基板与双面开腔盒体的一体化钎焊。
进一步地，步骤S2包括以下具体步骤：
以0.5～1℃/S速度升温至100～120℃，并保温30～60S；
以0.5～1℃/S速度升温至120～140℃，并保温30～60S；
以0.5～1℃/S速度升温至140～160℃，并保温30～60S；
以1～2℃/S速度升温至220～240℃，并保温10～20S。
进一步地，在步骤S3中，将温控装置抽真空至50～200Pa。
进一步地，在步骤S4中，采用氮气以1～2℃/S的速率进行风冷降温至80～100℃。
进一步地，所述焊料为Sn63Pb37焊料片。
另外，本发明还提供了一种用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法的工装，包括底座和竖直设置于所述底座四周的侧壁；所述侧壁与所述底座构成顶部开口的矩形围框；
所述底座的顶面间隔设置有用于支承所述双面开腔盒体的凸台，所述凸台之间形成与所述基板位置对应的凹槽；
所述凹槽内设置有竖直的定位销，所述定位销的外周侧套设有高温弹簧，所述高温弹簧的高度大于所述定位销的高度。
进一步地，所述侧壁内侧贴设有铜层。
进一步地，所述侧壁的厚度以及所述凹槽处底座厚度均为3～5mm。
进一步地，所述侧壁还设置有用于固定所述双面开腔盒体的固定结构。
进一步地，所述工装还包括用于固定双面开腔盒体的压条以及用于对所述基板施压的焊接压块。
有益效果：
(1)本发明的钎焊方法适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊过程中，基于工装的热传导设计实现双面开腔盒体多基板一体化钎焊工艺，使焊料升温速率快，温度均匀性小，能一次性完成双面开腔盒体正面与背面的多个基板的焊接，而且焊接后的焊接钎透率大于等于90％，减少了焊接工序，提高了焊接效率，同时避免了后道钎焊对前道已经焊接的基板带来过度老化的风险，而且可以使用传统的钎焊炉作为温控装置，成本较低。
(2)本发明提供的工装整体呈顶部开口的矩形围框结构，结构简单，且选用具有良好导热性能的铝合金材质，成本较低，而且矩形围框结构既利于焊接组件的稳固定位，又增大了工装与热源的接触面积；
工装的矩形围框尺寸与双面开腔盒体的外形相适应，增大了工装与双面开腔盒体的接触面积，利于双面开腔盒体上温度的均匀分布，提高焊接钎透率。
(3)本发明在工装底座的凹槽内针对不同的基板设置具有合适弹簧变形量与胡克系数的高温弹簧，相比于传统的接触式施压方法，这种方式具备以下明显优势：可以根据双面开腔盒体的特点避让基板表面关键电路(比如粘片和键合位置)，避免对电路造成损伤；降低了工装的自身重量，减少热容，提高加热效率；解决了接触施压式焊接底座在加热过程中由于热变形导致部分基板无法得到有效压力的问题；由于高温弹簧可以通过形变来补偿实际双面开腔盒体结构和底座之间的高度变化，降低了对底座的机加工要求。
(4)本发明的工装在围框的侧壁上贴设传热效果较好的铜层，从而使双面开腔盒体的升温速率显著增快，最终能够实现针对热容相对较大的双面开腔盒体1～2℃/s的实测焊接温升，且温控装置的腔体中心与边缘温度差小于3℃，从而达到与真空气相焊接相当的焊接效果。
(5)本发明使用一种焊料(Sn63Pb37焊料片)就可以完成整个焊接，解决了传统的使用两种焊料时存在的“低熔点焊料焊接温度应低于高熔点焊料熔点20℃以上，而过低的焊接温度不利于焊料充分的流淌和浸润焊接面”的问题。
附图说明
图1为本发明的一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的工装使用状态结构示意图；
图2为本发明的一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的温控装置的结构示意图；
图3为图1中垂直安装有射频连接器部位的结构示意图；
图4为图1中双面开腔盒体与工装的一种固定方式的结构示意图；
图5为图1中双面开腔盒体与工装的另一种固定方式的结构示意图。
1－双面开腔盒体，2－工装，3－正面基板，4－高温弹簧，5－定位销，6－凸台，7－背面基板，8－温控装置，9－石英加热管，10－石墨加热台，11－安装支耳，12－螺纹孔，13－压条。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
首先需要说明的是：本发明实施例中双面开腔盒体1的具体结构如图1所示，其中，双面开腔盒体1在正面与背面均设置有腔体，且在每个腔体内均需焊接基板，如，在正面的腔体内焊接两个正面基板3，并在背面的腔体内焊接三个背面基板7。
实施例一
本实施例提供了一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法，该方法的具体步骤包括：
步骤一：将基板和双面开腔盒体1固定于工装2，并在基板与双面开腔盒体之间需要焊接位置设置焊料；焊料选用熔点为183℃的Sn63Pb37焊料片；
步骤二：将工装2置于温控装置内，通过工装2的底座与侧壁将温控装置产生的热量热传导至双面开腔盒体1，将双面开腔盒体1加热至焊接温度，使基板与双面开腔盒体1之间的焊料熔融；
步骤三：对温控装置进行抽真空；
步骤四：降温，完成基板与双面开腔盒体1的一体化钎焊。
上述钎焊方法基于工装2将温控装置的热量热传导至双面开腔盒体1，从而将双面开腔盒体1加热至焊接温度，使基板与双面开腔盒体1之间的焊料熔融，一次性完成双面开腔盒体1双面多基板的焊接，解决了传统的双面开腔盒体1多基板焊接中后道钎焊接对前道已经焊接的基板带来过渡老化风险的问题。
具体地，当选择Sn63Pb37焊料片(熔点183℃)作为焊料时，采用上述方法的加热过程如下：
以0.5～1℃/S速度升温至100～120℃，并保温30～60S；
以0.5～1℃/S速度升温至120～140℃，并保温30～60S；
以0.5～1℃/S速度升温至140～160℃，并保温30～60S；
以1～2℃/S速度升温至220～240℃，并保温10～20S。
其中前三步是针对双面开腔盒体1传热效率低的特点设计的多段阶梯预热，第四步得到所需的焊接温度。
因为在预热及焊接过程中，助焊剂中溶剂挥发以及有机酸与焊接面金属氧化物反应均可产生大量气泡，这些气泡大部分被排出。但由于熔融焊料的表面张力，以及在冷却阶段焊料表面氧化膜的形成，阻碍了部分气泡的排出，故焊锡冷却凝固后，就会残留下一定数量的空洞。对于大基板焊接上述现象更为明显，气泡更难排出。因此，在上述第四步之后，将温控装置抽真空至50～200Pa，可以将气泡排出，提高焊接质量。
在抽真空结束后采用氮气以1～2℃/s的速率进行风冷降温至80～100℃后，便可取出工装，完成焊接。
需要说明的是：上述温度以温控装置中与工装2接触的加热台的温度为准；该方法中的温控装置8可以是双面开腔盒体双面多基板焊接传统工艺所使用的普通钎焊炉，也可以是针对该方法的特别设计的钎焊炉，比如：在钎焊炉底部设置一个石墨加热台10，或者如图2所示，既在底部设置一个石墨加热台10，又在顶部设置多个石英加热管9。
实施例二
一种用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊方法的工装，该工装2的材料选用具有良好导热性能的铝合金，其结构如图3、图4所示，包括底座和竖直设置于底座四周的侧壁；侧壁与底座构成顶部开口的矩形围框；底座的顶面间隔设置有用于支承双面开腔盒体的凸台6，凸台6之间形成与基板位置对应的凹槽；凹槽内设置有竖直的定位销5，定位销5的外周侧套设有高温弹簧4，高温弹簧4的高度大于定位销5的高度。
具体地，其中该工装中的侧壁，如图3所示，将双面开腔盒体1中面积最大的一组侧壁的长度记为L1，这组侧壁的垂直距离记为L2(图中未示出)，矩形围框内腔的长度记为L1d，内腔的宽度记为L2d(图中未示出)，且满足：L1d＝L1+0.1mm，L2d＝L2+0.1mm。并在矩形围框的侧壁内侧贴设厚度为0.05mm的铜层，如此，当双面开腔盒体1按照图3方式容置于矩形围框时，矩形围框侧壁对双面开腔盒体1具有稳固的定位作用，而且侧壁上的铜皮刚好与双面开腔盒体1的侧壁紧密贴合，降低了温度均匀性，提高了工装2的热传导效率。
其中，对于底座顶面的凸台6，如图3所示，在工装2的底座上设计与双面开腔盒体1除基板部位以外的水平平面相贴合的凸台，当双面开腔盒体1上有影响平面与凸台6贴合的其它结构时，可以进行灵活避让。如此，凸台6不仅对双面开腔盒体1具有支撑作用，而且增大了工装2的热传导通道，进一步降低了温度均匀性，提高了工装2的热传导效率。
其中，对于底座上的凹槽，如图5所示，将双面开腔盒体1背面需要焊接的基板的面积记为A1、A2...Ax(x为背面基板数量，面积单位为平方毫米)，在焊接底座与基板对应的位置加工与基板外形相似的凹槽，凹槽的加工尺寸可以在基板的特征尺寸上增加0.1～0.5mm。记当所对应基板为陶瓷基板或印制电路板时，凹槽底面与基板表面之间的高度取7～9mm，当所对应基板为微波介质板时，凹槽底面与基板表面之间的高度取6～8mm。
其中，对于凹槽中竖直设置的定位销5以及套设于定位销5外周侧的高温弹簧4，高温弹簧4的胡克系数为50～100gf/mm，长度为10～12mm，且在焊接过程中能始终保持高温弹簧4挤压基板，且对基板提供动态可变的压力，能够弥补工装2和/或双面开腔盒体1受热变形量，提高焊接质量。定位销5外径比所用高温弹簧4外径小0.2～0.3mm，这样，在保证高温弹簧4稳定性的前提下，可以实现对高温弹簧4快速方便的安装与更换。每个凹槽的定位销5的个数分别记为T1、T2...Tx，当所对应基板为陶瓷基板或印制电路板时，定位销5均匀分布在腔体内部，定位销5的个数可以采用以下公式进行确定：
Tx＝Ax/(200～400)mm2(向上取整)；
当所对应基板为微波介质板，定位销5均匀分布在腔体内部，定位销5的个数可以采用以下公式进行确定：
Tx＝Ax/(100～200)mm2(向上取整)。
如图3所示，正面基板3与背面基板7之间存在垂直安装的射频连接器时，凹槽内的定位销5需优先放置在基板正中处，以对基板进行稳定的施压。在本实施例中，将凹槽处的底座厚度即底座最薄处的厚度设计为3～5mm，同时将侧壁的厚度也设计为3～5mm，工装2外周侧的表面粗超度设计为0.8～1.6μm。
另外，为了保持双面开腔盒体1在焊接过程中的稳定，需要对其进行固定。如图4所示，当双面开腔盒体1自身具备安装支耳11时，可以直接在工装2相应位置预留固定结构，如图5所示的，该固定结构可以为侧壁上的螺纹孔12，固定时采用螺钉将双面开腔盒体1的安装支耳11与工装2紧固；当双面开腔盒体1不具有安装支耳11时，如图5所示，设计压条11，将双面开腔盒体1与工装2压紧。高温弹簧4可以对背面基板7施压，为了保持双面开腔盒体1正面基板3在焊接过程中的稳定以及提高焊接质量，可以使用焊接压块对正面基板3进行合适的施压。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)
1.一种适用于双面开腔盒体多基板一体化钎焊的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将基板和双面开腔盒体固定于工装，并在基板与双面开腔盒体之间需要焊接位置设置焊料；
步骤S2：将工装置于温控装置内，通过工装的底座与侧壁将温控装置产生的热量热传导至双面开腔盒体，将双面开腔盒体加热至焊接温度，使基板与双面开腔盒体之间的焊料熔融；
步骤S3：对温控装置进行抽真空；
步骤S4：降温，完成基板与双面开腔盒体的一体化钎焊。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括以下具体步骤：
以0.5～1℃/S速度升温至100～120℃，并保温30～60S；
以0.5～1℃/S速度升温至120～140℃，并保温30～60S；
以0.5～1℃/S速度升温至140～160℃，并保温30～60S；
以1～2℃/S速度升温至220～240℃，并保温10～20S。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，将温控装置抽真空至50～200Pa。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，采用氮气以1～2℃/S的速率进行风冷降温至80～100℃。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述焊料为Sn63Pb37焊料片。
6.一种用于权利要求1-5中任一项所述的钎焊方法的工装，其特征在于，包括底座和竖直设置于所述底座四周的侧壁；所述侧壁与所述底座构成顶部开口的矩形围框；
所述底座的顶面间隔设置有用于支承所述双面开腔盒体的凸台，所述凸台之间形成与所述基板位置对应的凹槽；
所述凹槽内设置有竖直的定位销，所述定位销的外周侧套设有高温弹簧，所述高温弹簧的高度大于所述定位销的高度。
7.如权利要求6所述的工装，其特征在于，所述侧壁内侧贴设有铜层。
8.如权利要求6或7所述的工装，其特征在于，所述侧壁的厚度以及所述凹槽处的底座厚度均为3～5mm。
9.如权利要求6或7所述的工装，其特征在于，所述侧壁还设置有用于固定所述双面开腔盒体的固定结构。
10.如权利要求6或7所述的工装，其特征在于，所述工装还包括用于固定所述双面开腔盒体的压条以及对所述基板施压的焊接压块。
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