CN115401352A - 一种焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种焊接方法，用于将AMB基板焊接于散热板的具有凹陷面的一侧，焊接方法包括如下步骤：装配处理，将散热板的凹陷面朝上，将焊料和AMB基板由下到上依次叠放于散热板的凹陷面，装配成待焊接产品；加热处理，对焊料进行加热使其由固态融化至液态；施压处理，对AMB基板施加朝向散热板的压力，推动AMB基板移动，使AMB基板下的液态的焊料从凹陷面低处往高处回流；压力从凹陷面低处至高处逐渐变小；冷却处理，对AMB基板、焊料、散热板进行冷却处理。对所述AMB基板施加朝向散热板的压力，推动AMB基板移动，使凹陷面低处过多的液态焊料往高处回流，避免了焊料过度集中导致的焊接层厚度不均衡状态。
Description
技术领域
本发明属于汽车级功率半导体模块封装制造技术领域，尤其涉及一种焊接方法。
背景技术
随着新能源汽车行业的快速发展，汽车级功率模块的需求与日俱增，而SiC功率模块更因其卓越的电气性能优势受到越来越多的关注，SiC功率模块的制造一般将功率SiC芯片通过银烧结技术焊接固定到AMB(双面覆铜陶瓷基板，陶瓷材料为Si3N4)基板上，进行焊线或铜桥绑定形成电路，再将AMB基板通过回流焊等工艺焊接到散热板上(材质多为无氧铜)，功率SiC芯片工作时发出的热通过AMB基板传导到散热板上，散热板再通过连接外部水冷散热器散热出去。
但在传统技术中的焊接存在以下问题：如图1所示，进行了预弯曲的散热板呈现中间低四边高的弯曲变形状态，预成型焊片在融化后为流动的液态会往低处流动，这就在SiC功率模块中形成了中间焊接层厚度高，四边焊接层厚度低的不均衡状态，更为严重的会在四边出现焊料不足导致的空洞现象，而不均衡的焊接层厚度或空洞会影响产品热阻，直接导致了产品性能的大大降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种焊接方法，旨在解决因预弯曲处理散热板使液态焊料流向凹陷弯曲处导致SiC功率模块出现凹陷低处焊接层厚度大、高处焊接层厚度小的不均衡状态的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种焊接方法，用于将AMB基板焊接于散热板的具有凹陷面的一侧，其特征在于，所述焊接方法包括如下步骤：
装配处理，将散热板的凹陷面朝上，将焊料和AMB基板由下到上依次叠放于散热板的凹陷面，装配成待焊接产品；
加热处理，对所述焊料进行加热使其由固态融化至液态；
施压处理，对所述AMB基板施加朝向散热板的压力，推动所述AMB基板移动，使所述AMB基板下的液态的所述焊料从所述凹陷面低处往高处回流；所述压力从所述凹陷面低处至高处逐渐变小；
冷却处理，对所述AMB基板、所述焊料、所述散热板进行冷却处理。
进一步地，所述装配处理之前，还包括如下步骤：
将所述散热板的同一所述凹陷面的最高处和最低处的高度差设置在2mm以内。
进一步地，所述装配处理包括：
在所述散热板与所述AMB基板之间设置与预设焊接后焊料层厚度相等的凸台；或者，在所述焊料内设置与预设焊接后焊料层厚度相等的网状结构。
进一步地，所述装配处理还包括如下步骤：
对所述待焊接产品进行限位处理。
进一步地，对所述待焊接产品限位处理，包括如下步骤：
将所述散热板放置在底板的限位槽内，用于限制散热板的位移；将镂空的限位板与所述底板固定连接，将所述焊料、所述AMB基板依次放置在所述限位板的镂空区域，用于限制AMB基板和焊料的位移。
进一步地，所述施压处理包括如下步骤：
将多个发生弹性形变的弹性组件抵接于所述AMB基板远离所述散热板的一侧，所述弹性组件对AMB施加朝向所述散热板的压力，且所述弹性组件与所述AMB基板的接触点的高度从所述散热板凹陷低处至高处逐渐变高。
进一步地，弹性组件包括压板，以及与所述压板固定连接的压缩弹簧；所述压缩弹簧的弹性系数为0.5-4N/mm。
进一步地，所述施压处理还包括如下步骤：
将多个压块放置在AMB基板远离所述散热板的一侧，所述压块对AMB基板施加朝向所述散热板的压力，且所述压块的重量从所述凹陷面的低处至高处方向逐渐变小。
进一步地，所述冷却处理包括第一阶段冷处处理和第二阶段冷却处理，所述第一阶段冷却处理的冷却速度慢于所述第二阶段冷却处理的冷却速度；所述第一阶段冷却处理至焊料处于固化临界状态，然后进入所述第二阶段冷却处理。
进一步地，所述加热处理、所述施压处理和所述冷却处理时，均通过真空回流炉对液态的所述焊料进行抽真空处理，排出所述焊料内的气泡。
本发明中一种焊接方法与现有技术相比，有益效果在于：将AMB基板及焊料置于散热板的凹陷面，通过加热处理、加压处理，且从散热板凹陷面低处至高处方向的压力逐渐减小，使散热板凹陷面低处的AMB基板朝向散热板的位移距离比凹陷面高处的AMB基板位移距离大，从而使凹陷面低处过多的液态焊料往高处回流，避免了焊料过度集中导致的焊接层厚度不均衡状态，还避免了周边焊料不足导致空洞的现象。
附图说明
图1是现有技术的示意图；
图2是本发明实施例中一种焊接方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中一种焊接方法施压处理过程中的示意图；
图4是本发明实施例中一种焊接方法加热处理过程中的示意图；
图5是没有经本发明一种焊接方法处理的焊料层厚度差异；
图6是经过本发明一种焊接方法处理后的焊料层厚度差异。
在附图中，各附图标记表示：1、散热板；2、AMB基板；3、弹性组件；31、压板；32、压缩弹簧；33、顶针。
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。
在将AMB基板2与铜质散热板1焊接时，由于两种材料的热膨胀系数相差很大(AMB基板的材质Si3N4陶瓷的热膨胀系数为2.4x10-6/K，铜为16.9x10-6/K)，回流焊接后的冷却过程中会引起AMB基板2和铜质散热板1的变形，AMB基板2的热膨胀系数比铜质散热板1小，在回流焊的冷却过程中，铜质散热板1的收缩率远大于AMB基板2，焊接产品整体向散热板1方向弯曲变形。这个变形给铜质散热板1与外部水冷散热器连接时带来空隙，影响散热效果，甚至造成漏水的问题。为了解决这个问题，一般会将铜质散热板1进行预弯曲处理，即先通过外力将散热板1向上弯出一定的弧度，再将AMB基板2回流焊到铜质散热板1上，在焊接冷却过程中，焊接产品向下弯曲变形，这样就能使铜质散热板1趋于平整，从而提高铜质散热板1与外部散热器的贴合效果，提高SiC功率模块的散热能力。
在本实施例中，如图2-4所示，一种焊接方法，用于将AMB基板焊接于散热板的具有凹陷面的一侧，其特征在于，焊接方法包括如下步骤：
S1、装配处理，将散热板的凹陷面朝上，将焊料和AMB基板由下到上依次叠放于散热板的凹陷面，装配成待焊接产品；
S2、加热处理，对焊料进行加热使其由固态融化至液态；优选地，加热温度在焊料熔点以上20～30℃；
S3、施压处理，对AMB基板施加朝向散热板的压力，推动AMB基板移动，使AMB基板下的液态的焊料从凹陷面低处往高处回流；压力从凹陷面低处至高处逐渐变小；优选地，压力不超过10N；
S4、冷却处理，对AMB基板、焊料、散热板进行冷却处理。
具体地，焊料可以为预成型的焊片，焊料的熔点比AMB基板2和散热板1的熔点低，散热板1的热膨胀系数比AMB基板2的大，AMB基板2的陶瓷层材质优选地为Si3N4陶瓷，散热板1的材质优选地为铜。加热过程中，焊料被加热融化为液态，从凹陷面高处往低处流动，并推动低处AMB基板2向上移动。施压过程中，对AMB基板2施加的朝向散热板1的压力使AMB基板2向下移动，由于凹陷面低处的压力大于高处的压力，凹陷面低处的AMB基板2位移距离大于高处的AMB基板2位移距离，凹陷面低处过多的液态焊料被挤压回流向凹陷面高处。冷却过程中，液态焊料固化成型，同时，由于不同材料的热膨胀系数差异，散热板1相对于AMB基板2向背离AMB基板2的方向弯曲，从而趋于平整，进而提高产品(SiC功率模块)使用过程中，散热板1与外部散热器的贴合效果；在冷却过程中，由于凹陷面的各处高低差距在缩小，施加给AMB基板2的压力之间的差距也在减小(即凹陷低处AMB基板2受的压力逐渐接近于凹陷高处AMB基板2受的压力)，在这个过程中，可以是施压机构自动调节施压压力，也可以是人为调节施压压力，压力之间的差异随着弯曲面低处与高处的高度差变小逐渐变小；至液态焊料冷却固化成型，焊料层厚度固定。
将AMB基板2及焊料置于散热板1的凹陷面，通过加热处理S2、加压处理，且从散热板1凹陷面低处至高处方向的压力逐渐减小，使散热板1凹陷面低处的AMB基板2朝向散热板1的位移距离比凹陷面高处的AMB基板2位移距离大，从而使凹陷面低处过多的液态焊料往高处回流，避免了焊料过度集中导致的焊接层厚度不均衡状态，还避免了周边焊料不足导致空洞的现象。焊接后焊接层厚度差值可以降低到0.1mm以内(使用厚度为0.25mm的预成型焊片)。
进一步，装配处理S1之前，还包括如下步骤：
将散热板1的同一凹陷面的最高处和最低处的高度差设置在2mm以内。优选地，该高度差可以为设置在1mm-1.5mm范围内。
进一步，装配处理S1，包括：
在散热板1与AMB基板2之间设置与预设焊接后焊料层厚度相等的凸台；或者，在焊料内设置与预设焊接后焊料层厚度相等的网状结构。
具体地，凸台可以固定连接在散热板的上方，可以固定连接在AMB基板的下方，还可以不与散热板和AMB基板固定连接。凸台的厚度与金属网的厚度均在0.15mm-0.25mm范围内,预选地选取0.2mm。凸台或者网状结构均可以采用熔点比焊料熔点大的金属材料或者非金属材料，优选地，凸台、网状结构均采用铜材质。凸台或者网状结构的存在限制了AMB基板2与散热板1之间的最小距离，避免了施压处理S3时施加的压力过大导致AMB基板2过度挤压焊料，使焊接后的焊料层更均匀。
进一步，装配处理S1还包括如步骤：
对待焊接产品进行限位处理。
为了避免待焊接产品在焊接时出现位置移动，需要在装配时便将待焊接产品限位，具体地，可以根据实际情况选择不同的限位方法进行限位处理，比如采用夹具，或者采用镂空的长方体限位座等
进一步，对待焊接产品限位处理包括如下步骤：
将散热板1放置在底板的限位槽内，用于限制散热板1的位移；将镂空的限位板与底板固定连接，将焊料、AMB基板2依次放置在限位板的镂空区域，用于限制AMB基板2和焊料的位移。
具体地，限位槽与散热板1的形状适配，底板与限位板之间可以通过螺钉固定连接，也可通过磁性连接或者卡接等连接方式，镂空的限位板套在焊片、AMB基板2周围，且镂空区域边缘设有挡板，该挡板的高度与散热板1凹陷面高处与低处的高度差相等，用于限制AMB基板2和焊料的位移。优选地，底板、限位板均为夹具的部分机构。
进一步，施压处理S3包括如下步骤：
将多个发生弹性形变的弹性组件3抵接于AMB基板2远离散热板1的一侧，弹性组件3对AMB基板2施加朝向散热板1的压力，且弹性组件3与AMB基板2的接触点的高度从散热板1凹陷低处至高处逐渐变高。
弹性组件3对AMB基板2施加的压力来自于弹性组件3发生弹性形变产生的弹力，在弹性系数相同时，弹性形变量越大弹力越大；弹性组件3与液态焊料对AMB基板2同时施加方向相反的作用力，当弹性组件3施加的压力及AMB基板2的重力之和大于焊料施加的作用力时，AMB基板2朝向散热板1移动，同时，弹性组件3施加的压力随着弹性形变的回复逐渐变小；当弹性组件3施加的压力和AMB基板2的重力之和小于焊料施加的作用力时，AMB基板2向远离散热板1的方向移动，同时弹性组件3施加的压力随着弹性形变量的变大逐渐变大；最终，弹性组件3施加的压力和AMB基板2的重力之和等于焊料对AMB基板2的作用力，AMB基板2达到平衡状态。弹性组件3形变量的可变化性，使施加给AMB基板2的压力可以随着凹陷面的凹陷程度的变化而变化，从而达到一种冷却过程(冷却时凹陷面会逐渐趋于平整)中AMB基板2两侧的作用力的自平衡状态。
进一步，弹性组件3包括压板31，以及与压板31固定连接的压缩弹簧32；压缩弹簧32的弹性系数为0.5-4N/mm。
具体地，压板31可以通过夹具固定在AMB基板2的上方。可以压缩弹簧32直接抵接于AMB基板2，也可以弹性组件3还包括抵接于压缩弹簧32的顶针33，顶针33抵止于AMB基板2。该顶针33既可以设于压缩弹簧32的一端；也可以将压缩弹簧32套设于顶针33上。当压缩弹簧32套设于顶针33上时，顶针33包括套着压缩弹簧32的竖杆和由竖杆周侧径向外凸的凸起，此时，可以压缩弹簧32位于压板31与AMB基板2之间并处于压缩状态，且压缩弹簧32一端抵接于该凸起、另一端与压板31固定连接；也可以压缩弹簧32位于压板31远离AMB基板2的一侧并处于拉伸状态，且顶针33穿过压板31，压缩弹簧32两端分别固定连接于压板31和凸起。
进一步，施压处理S3还包括如下步骤：
将多个压块放置在AMB基板2远离散热板1的一侧，压块对AMB基板2施加朝向散热板1的压力，且压块的重量从凹陷面的低处至高处方向逐渐变小。
具体地，压块可以移动且可以更换，由此可以调节对AMB基板2施加的压力大小。
进一步，冷却处理S4包括第一阶段冷处处理和第二阶段冷却处理，第一阶段冷却处理的冷却速度慢于第二阶段冷却处理的冷却速度；第一阶段冷却处理至焊料处于固化临界状态，然后进入第二阶段冷却处理。
具体地，第一阶段冷却处理，通过充入氮气缓慢冷却，控制液态焊料固化成型速度，防止焊料快速收缩导致的焊接层出现空洞及裂纹现象，第二阶段通过冷却板快速冷却，调节凹陷散热板的翘曲平整度。优选地，第一阶段通过常温的氮气进行冷却并将液态焊料冷却至焊料的固化临界状态(即液态与固态的分界线状态，介于固态与液态之间的状态)；第二阶段冷却处理，通过15℃的冷媒进行快速冷却。
进一步，加热处理S2、施压处理S3和冷却处理S4时，均通过真空回流炉对液态焊料进行抽真空处理，排出焊料内的气泡。
通过抽真空处理可以显著降低焊接层空洞数量及空洞直径。结合上述的操作步骤，因焊接层空洞超标而造成的良率损失可以降低至0.3％。
上述步骤中，加热处理S2与施压处理S3可以分开，也可以不分开；冷却处理S4与施压处理S3共同进行。
以上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 (10)
1.一种焊接方法，用于将AMB基板焊接于散热板的具有凹陷面的一侧，其特征在于，所述焊接方法包括如下步骤：
装配处理，将散热板的凹陷面朝上，将焊料和AMB基板由下到上依次叠放于散热板的凹陷面，装配成待焊接产品；
加热处理，对所述焊料进行加热使其由固态融化至液态；
施压处理，对所述AMB基板施加朝向散热板的压力，推动所述AMB基板移动，使所述AMB基板下的液态的所述焊料从所述凹陷面低处往高处回流；所述压力从所述凹陷面低处至高处逐渐变小；
冷却处理，对所述AMB基板、所述焊料、所述散热板进行冷却处理。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述装配处理之前，还包括如下步骤：
将所述散热板的同一所述凹陷面的最高处和最低处的高度差设置在2mm以内。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述装配处理，包括：
在所述散热板与所述AMB基板之间设置与预设焊接后焊料层厚度相等的凸台；或者，在所述焊料内设置与预设焊接后焊料层厚度相等的网状结构。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述装配处理还包括如下步骤：
对所述待焊接产品进行限位处理。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，对所述待焊接产品限位处理，包括如下步骤：
将所述散热板放置在底板的限位槽内，用于限制散热板的位移；将镂空的限位板与所述底板固定连接，将所述焊料、所述AMB基板依次放置在所述限位板的镂空区域，用于限制AMB基板和焊料的位移。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述施压处理包括如下步骤：
将多个发生弹性形变的弹性组件抵接于所述AMB基板远离所述散热板的一侧，所述弹性组件对AMB施加朝向所述散热板的压力，且所述弹性组件与所述AMB基板的接触点的高度从所述散热板凹陷低处至高处逐渐变高。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，弹性组件包括压板，以及与所述压板固定连接的压缩弹簧；所述压缩弹簧的弹性系数为0.5-4N/mm。
8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述施压处理还包括如下步骤：
将多个压块放置在AMB基板远离所述散热板的一侧，所述压块对AMB基板施加朝向所述散热板的压力，且所述压块的重量从所述凹陷面的低处至高处方向逐渐变小。
9.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述冷却处理包括第一阶段冷却处理和第二阶段冷却处理，所述第一阶段冷却处理的冷却速度慢于所述第二阶段冷却处理的冷却速度；所述第一阶段冷却处理至焊料处于固化临界状态，然后进入所述第二阶段冷却处理。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的焊接方法，其特征在于，所述加热处理、所述施压处理和所述冷却处理时，均通过真空回流炉对液态的所述焊料进行抽真空处理，排出所述焊料内的气泡。
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