CN115635155B - 一种功率器件的热沉导电片加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率器件的热沉导电片加工工艺，涉及热沉导电片技术领域，包括步骤S1、配制锡膏，将金属焊粉与助焊剂混合均匀后在真空搅拌机中机械混匀，制成锡膏，锡膏装入点胶装置中备用；步骤S2、将功率器件导电片装入框架载盘中，再将框架固定在载盘底板上，载盘底板随传动带运动，经过装有自动点胶的龙门架，通过点胶装置将锡膏覆盖在功率器件导电片上；步骤S3、将锡块装入锡块筛盘中，开启按钮，吸头自动吸取锡块，通过自动化龙门架和程序控制，自动将锡块放置在覆盖有锡膏的导电片上；步骤S4、将覆盖锡块的导电片放入回流焊炉中，在一定烧结温度下进行烧结，得到软焊料覆盖面积高于90％的热沉导电片。
Description
技术领域
本发明涉及导电片技术领域，具体为一种功率器件的热沉导电片加工工艺。
背景技术
功率器件，尤其是大功率器件中包括微电子集成电路，由于高度密集导致在工作中产生大量的热量，为了能够将热量及时导出必须使用导热材料将热量散发出去，在功率器件中包括连接电路的导电片，导电片的导热性能关系到功率器件的散热性能，导电片是功率器件中的元件，一般情况下是用来做电路连接的，用于对电力设备进行供电，或者使电路导通。热沉材料能够吸收电子元器件散发的多余的热量，并将热量传递至低温环境中，用于保证电子元器件保持在适宜的温度下。热沉材料能够吸收电子元器件散发的多余的热量，并将热量传递至低温环境中，用于保证电子元器件在适宜的温度下，焊点在电子封装结构中起着重要的作用，如今电子封装朝着多焊点数、小焊点尺寸，小间距的特点发展，焊点的可靠性影响着电子器件的寿命。
传统的热沉导电片的加工工艺采用点焊的方法将焊料覆盖在导电片上，但是这种方式存在下列问题：操作烦琐人工成本高、点焊锡容易出现溢胶、堵焊接汇流带、成品不美观不一致，焊料质量不佳。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种功率器件的热沉导电片加工工艺，采用储锡块的方式，将锡膏作为过渡层覆盖在导电片上，然后采用优化的烧结曲线将锡膏焊料覆盖在导电片上，加工中采用自动化的龙门架，控制点胶和自动吸放锡块节约人力成本，最后得到功率器件的热沉导电片，解决了传统一种功率器件的热沉导电片加工工艺存在软焊料覆盖面积不够，品质差不美观，存在溢锡、堵焊接汇流带且焊料质量不佳的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种功率器件的热沉导电片加工工艺，包括下列步骤：
步骤S1、配制锡膏，将锡粉、铜粉、银粉、二氧化硅颗粒与助焊剂混合均匀后在真空搅拌机中机械混匀，制成锡膏，锡膏装入点胶装置中备用，所述锡膏包括下列质量组分：40％-45％的锡粉、12％-20％铜粉、5％-10％银粉、二氧化硅纳米颗粒1％-2％、14％-35％的助焊剂；
步骤S2、将功率器件导电片装入框架载盘中，再将框架固定在载盘底板上，载盘底板随传动带运动，经过装有自动点胶的龙门架，通过点胶装置将锡膏覆盖在功率器件导电片上，将点胶后的导电片放置在第二台粘胶机上；
步骤S3、将锡块装入锡块筛盘中，开启按钮，吸头自动吸取锡块，通过自动化龙门架和程序控制，自动将锡块放置在覆盖有锡膏的导电片上；
步骤S4、将覆盖锡块的导电片放入回流焊炉中，在一定烧结温度下进行烧结，烧结后进行外观检查，得到软焊料覆盖面积高于90％的热沉导电片，所述热沉导电片表面包括有过渡层和表面层，过渡层为免清洗软焊料层，所述软焊料层具体为一种免清洗锡膏。
优选的，所述锡膏黏度在180-195Pa·s，最大铺展面积为146-157mm2，所述锡膏是金属焊料粉与助焊剂在真空搅拌机中机械混匀而成的灰色黏稠膏体。
优选的，所述锡粉的粒度分布为5-25μm，D50 15.42μm，比表面积为0.83m2/cm3，所述铜粉的颗粒粒径在80-200nm，银粉的颗粒粒径在15-25μm之间。
优选的，所述助焊剂包括：5％-10％的中等活性有机酸、5％-8％的表面活性剂、余量溶剂，所述溶剂为柠檬酸三丁酯或聚乙二醇，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
优选的，所述烧结温度随时间动态变化：在0-160s中匀速升温，从40℃达到195-205℃，在160-200s中保温，在200-245s中缓慢升温达到峰值温度，所述峰值温度为233-240℃，之后缓慢降温。
优选的，所述中等活性有机酸为乙二酸、丙二酸、丁二酸、马来酸、酒石酸、苯甲酸、苯乙酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、戊酸、己酸、癸酸、硬脂酸、软脂酸、丙烯酸中的一种。
优选的，所述锡块成分包括94.5％Sn、3％Ag和2.5％Cu，锡块的熔点为233-241℃，锡块的形状为矩形、正方形、圆形或不规则形状。
优选的，所述程序控制为一种视觉识别装置，通过程序控制识别导电片位置，将锡膏和锡块放置在特定位置，锡块放置后还包括异常检测模块，用于判断点胶和锡块放置情况，所述异常检测模块基于机器视觉点胶机，所述视觉点胶机采用360度自动识别系统，识别产品并快速确定点胶位置，自动生成点胶路径，并对涂覆的胶点进行观察和测量、评估直径或体积的一致性，当其生成点胶路径后进行点胶，自动生成点胶路径包括下列步骤：
步骤S11、建立点胶机运动模型：首先使用张正友标定法对相机进行标定，得到相机的畸变系数，然后确定相机和点胶装置的运动学信息，得到点胶机的运动学模型，所述相机固定在龙门架上用于拍摄产品的多角度图像；
步骤S12、建立产品坐标：首先将拍摄的图像进行处理得到产品四个端点的像素坐标，然后通过非线性优化函数得到产品坐标，所述函数为
所述Pw为标定信息，Pp是从图像中提取的已知坐标，Zc是未知量，是可优化参数，根据坐标计算产品与点胶位置的物理距离，最后根据距离和坐标生成点胶路径。
优选的，贴装锡块后，能达到焊接IPC610标准，且所述锡块贴装在导电片四周，固定后通过接线盒直接电缆线自动装配焊接。
原理：含有锡、铜、银的焊粉在回流烧结中会形成分散的锡银铜三元合金，且Cu6Sn5、Ag3Sn和Au-Sn IMC的尺寸被细化，分散的Sn-Cu-Ag IMC、Cu6Sn5、Ag3Sn和Au-SnIMC作为第二相颗粒起到阻碍位错的作用，强度提高，在锡膏中加入二氧化硅纳米颗粒，在经过回流后的到起到第三相强化作用形成新的合金相，同时使得晶体结构更加细腻整齐，均匀地分散在焊膏内并起到阻碍裂纹传播的作用，极大提高焊料的韧性和抗拉伸强度。并且锡膏中的中等活性有机酸一方面能够缓解锡粉、银粉的氧化，另一方面能够达到免洗的作用，达到焊后残留少、免清洗、焊剂蒸汽腐蚀小等特点。为了得到分布更加均匀和分散的IMC和更好地促进烧结性能，本发明采用了微米锡颗粒和纳米铜颗粒以及微米银颗粒混合的方式。微米锡颗粒在低温下熔化，并与纳米铜颗粒形成比铜强度更高的Cu3SnIMC，液相的锡流动在纳米铜颗粒的表面，有利于润湿铜颗粒表面，提升烧结性能，增强剪切强度，锡颗粒分散在铜颗粒的间隙，增加了锡与铜的接触面积。
(三)有益效果
本发明提供了一种功率器件的热沉导电片加工工艺，具备以下有益效果：
(1)该一种功率器件的热沉导电片加工工艺，优化锡膏的配方得到免清洗水性锡膏，克服了普通锡膏焊接膜盒式压力温控器时存在的缺陷，具有可靠性高、焊后残留少、免清洗、焊剂蒸汽腐蚀小等特点，通过添加其他纳米铜颗粒和银颗粒合金粉末，特别是添加了二氧化硅粉末，能够提高锡膏的力学性能，因为二氧化硅纳米颗粒在焊点中起到第三相强化作用形成新的合金相，同时使得晶体结构更加细腻整齐，极大提高焊料的韧性和抗拉伸强度，从而提高焊料的焊接强度，优化地烧结曲线使软焊料覆盖面积达到90％以上。
(2)该一种功率器件的热沉导电片加工工艺，采用储锡块的方式能够提高产品的美观性，提高产品的品质，贴锡块可以避免溢锡、堵焊接汇流带的问题，通过自动化龙门架装载程序控制点胶装置和吸取锡块装置，省去人工等成本。
具体实施方式
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种技术方案：一种功率器件的热沉导电片加工工艺，包括下列步骤：
步骤S1、配制锡膏，将锡粉、铜粉、银粉、二氧化硅颗粒与助焊剂混合均匀后在真空搅拌机中机械混匀，制成锡膏，锡膏装入点胶装置中备用，所述锡膏包括下列质量组分：40％-45％的锡粉、12％-20％铜粉、5％-10％银粉、二氧化硅纳米颗粒1％-2％、14％-35％的助焊剂；
步骤S2、将功率器件导电片装入框架载盘中，再将框架固定在载盘底板上，载盘底板随传动带运动，经过装有自动点胶的龙门架，通过点胶装置将锡膏覆盖在功率器件导电片上，将点胶后的导电片放置在第二台粘胶机上；
步骤S3、将锡块装入锡块筛盘中，开启按钮，吸头自动吸取锡块，通过自动化龙门架和程序控制，自动将锡块放置在覆盖有锡膏的导电片上；
步骤S4、将覆盖锡块的导电片放入回流焊炉中，在一定烧结温度下进行烧结，烧结后进行外观检查，得到软焊料覆盖面积高于90％的热沉导电片，所述热沉导电片表面包括有过渡层和表面层，过渡层为免清洗软焊料层，所述软焊料层具体为一种免清洗锡膏。
进一步的，所述锡膏黏度在180-195Pa·s，最大铺展面积为146-157mm2，所述锡膏是金属焊料粉与助焊剂在真空搅拌机中机械混匀而成的灰色黏稠膏体。
进一步的，所述锡粉的粒度分布为5-25μm，D50 15.42μm，比表面积为0.83m2/cm3，所述铜粉的颗粒粒径在80-200nm，银粉的颗粒粒径在15-25μm之间。
进一步的，所述助焊剂包括：5％-10％的中等活性有机酸、5％-8％的表面活性剂、余量溶剂，所述溶剂为柠檬酸三丁酯或聚乙二醇，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
进一步的，所述烧结温度随时间动态变化：在0-160s中匀速升温，从40℃达到195-205℃，在160-200s中保温，在200-245s中缓慢升温达到峰值温度，所述峰值温度为233-240℃，之后缓慢降温。
进一步的，所述中等活性有机酸为乙二酸、丙二酸、丁二酸、马来酸、酒石酸、苯甲酸、苯乙酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、戊酸、己酸、癸酸、硬脂酸、软脂酸、丙烯酸中的一种。
进一步的，所述锡块成分包括94.5％Sn、3％Ag和2.5％Cu，锡块的熔点为233-241℃，锡块的形状为矩形、正方形、圆形或不规则形状。
进一步的，所述程序控制为一种视觉识别装置，通过程序控制识别导电片位置，将锡膏和锡块放置在特定位置，锡块放置后还包括异常检测模块，用于判断点胶和锡块放置情况，所述异常检测模块基于机器视觉点胶机，所述视觉点胶机采用360度自动识别系统，识别产品并快速确定点胶位置，自动生成点胶路径，并对涂覆的胶点进行观察和测量、评估直径或体积的一致性，当其生成点胶路径后进行点胶，自动生成点胶路径包括下列步骤：
步骤S11、建立点胶机运动模型：首先使用张正友标定法对相机进行标定，得到相机的畸变系数，然后确定相机和点胶装置的运动学信息，得到点胶机的运动学模型，所述相机固定在龙门架上用于拍摄产品的多角度图像；
步骤S12、建立产品坐标：首先将拍摄的图像进行处理得到产品四个端点的像素坐标，然后通过非线性优化函数得到产品坐标，所述函数为
所述Pw为标定信息，Pp是从图像中提取的已知坐标，Zc是未知量，是可优化参数，根据坐标计算产品与点胶位置的物理距离，最后根据距离和坐标生成点胶路径。
进一步的，贴装锡块后，能达到焊接IPC610标准，且所述锡块贴装在导电片四周，固定后通过接线盒直接电缆线自动装配焊接。
实施例2
本发明提供一种技术方案：一种功率器件的热沉导电片加工工艺，包括下列步骤：
步骤S1、配制锡膏，将锡粉、铜粉、银粉、二氧化硅颗粒与助焊剂混合均匀后在真空搅拌机中机械混匀，制成锡膏，所述锡膏黏度在180Pa·s，最大铺展面积为155mm2，所述锡膏是金属焊料粉与助焊剂在真空搅拌机中机械混匀而成的灰色黏稠膏体，锡膏装入点胶装置中备用，所述锡膏包括下列质量组分：40％的锡粉、20％铜粉、10％银粉、二氧化硅纳米颗粒2％、28％的助焊剂，所述锡粉的粒度分布为5-25μm，D50 15.42μm，比表面积为0.83m2/cm3，所述铜粉的颗粒粒径在80-200nm，银粉的颗粒粒径在15-25μm之间；
步骤S2、将功率器件导电片装入框架载盘中，再将框架固定在载盘底板上，载盘底板随传动带运动，经过装有自动点胶的龙门架，通过点胶装置将锡膏覆盖在功率器件导电片上，将点胶后的导电片放置在第二台粘胶机上；
步骤S3、将锡块装入锡块筛盘中，开启按钮，吸头自动吸取锡块，通过自动化龙门架和程序控制，自动将锡块放置在覆盖有锡膏的导电片上；
步骤S4、将覆盖锡块的导电片放入回流焊炉中，在一定烧结温度下进行烧结，所述烧结温度随时间动态变化：在0-160s中匀速升温，从40℃达到195-205℃，在160-200s中保温，在200-245s中缓慢升温达到峰值温度，所述峰值温度为235℃，之后缓慢降温，烧结后进行外观检查，得到软焊料覆盖面积高于90％的热沉导电片，所述热沉导电片表面包括有过渡层和表面层，过渡层为免清洗软焊料层，所述软焊料层具体为一种免清洗锡膏。
实施例3
本发明提供一种技术方案：一种功率器件的热沉导电片加工工艺，包括下列步骤：
步骤S1、配制锡膏，将锡粉、铜粉、银粉、二氧化硅颗粒与助焊剂混合均匀后在真空搅拌机中机械混匀，制成锡膏，所述锡膏黏度在192Pa·s，最大铺展面积为148mm2，所述锡膏是金属焊料粉与助焊剂在真空搅拌机中机械混匀而成的灰色黏稠膏体，锡膏装入点胶装置中备用，所述锡膏包括下列质量组分：45％的锡粉、12％铜粉、10％银粉、二氧化硅纳米颗粒1％、32％的助焊剂，所述锡粉的粒度分布为5-25μm，D50 15.42μm，比表面积为0.83m2/cm3，所述铜粉的颗粒粒径在80-200nm，银粉的颗粒粒径在15-25μm之间；
步骤S2、将功率器件导电片装入框架载盘中，再将框架固定在载盘底板上，载盘底板随传动带运动，经过装有自动点胶的龙门架，通过点胶装置将锡膏覆盖在功率器件导电片上，将点胶后的导电片放置在第二台粘胶机上；
步骤S3、将锡块装入锡块筛盘中，开启按钮，吸头自动吸取锡块，通过自动化龙门架和程序控制，自动将锡块放置在覆盖有锡膏的导电片上；
步骤S4、将覆盖锡块的导电片放入回流焊炉中，在一定烧结温度下进行烧结，所述烧结温度随时间动态变化：在0-160s中匀速升温，从40℃达到195-205℃，在160-200s中保温，在200-245s中缓慢升温达到峰值温度，所述峰值温度为240℃，之后缓慢降温，烧结后进行外观检查，得到软焊料覆盖面积高于90％的热沉导电片，所述热沉导电片表面包括有过渡层和表面层，过渡层为免清洗软焊料层，所述软焊料层具体为一种免清洗锡膏。
综上所述，该一种功率器件的热沉导电片加工工艺，通过配制含有锡、铜、银的锡膏在回流烧结中会形成分散的锡银铜三元合金，且Cu6Sn5、Ag3Sn和Au-Sn IMC的尺寸被细化，分散的Sn-Cu-Ag IMC、Cu6Sn5、Ag3Sn和Au-SnIMC作为第二相颗粒起到阻碍位错的作用，强度提高，在锡膏中加入二氧化硅纳米颗粒，在经过回流后的到起到第三相强化作用形成新的合金相，同时使得晶体结构更加细腻整齐，均匀地分散在焊膏内并起到阻碍裂纹传播的作用，极大提高焊料的韧性和抗拉伸强度。并且锡膏中的中等活性有机酸一方面能够缓解锡粉、银粉的氧化，另一方面能够达到免洗的作用，达到焊后残留少、免清洗、焊剂蒸汽腐蚀小等特点。为了得到分布更加均匀和分散的IMC和更好地促进烧结性能，本发明采用了微米锡颗粒和纳米铜颗粒以及微米银颗粒混合的方式。微米锡颗粒在低温下熔化，并与纳米铜颗粒形成比铜强度更高的Cu3SnIMC，液相的锡流动在纳米铜颗粒的表面，有利于润湿铜颗粒表面，提升烧结性能，增强剪切强度，锡颗粒分散在铜颗粒的间隙，增加了锡与铜的接触面积。解决了传统一种功率器件的热沉导电片加工工艺存在软焊料覆盖面积不够，品质差不美观，存在溢锡、堵焊接汇流带且焊料质量不佳的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种功率器件的热沉导电片加工工艺，其特征在于，所述加工工艺包括下列步骤：
步骤S1、配制锡膏，将锡粉、铜粉、银粉、二氧化硅颗粒与助焊剂混合均匀后在真空搅拌机中机械混匀，制成锡膏，锡膏装入点胶装置中备用，所述锡膏包括下列质量组分：40％-45％的锡粉、12％-20％铜粉、5％-10％银粉、二氧化硅纳米颗粒1％-2％、14％-35％的助焊剂，所述锡粉的粒度分布为5-25μm，D50 15.42μm，比表面积为0.83m2/cm3，所述铜粉的颗粒粒径在80-200nm，银粉的颗粒粒径在15-25μm之间，所述助焊剂包括：5％-10％的中等活性有机酸、5％-8％的表面活性剂、余量溶剂，所述溶剂为柠檬酸三丁酯或聚乙二醇，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，所述锡膏黏度在180-195Pa·s，最大铺展面积为146-157mm2，所述锡膏是金属焊料粉与助焊剂在真空搅拌机中机械混匀而成的灰色黏稠膏体；
步骤S2、将功率器件导电片装入框架载盘中，再将框架固定在载盘底板上，载盘底板随传动带运动，经过装有自动点胶的龙门架，通过点胶装置将锡膏覆盖在功率器件导电片上，将点胶后的导电片放置在第二台粘胶机上；
步骤S3、将锡块装入锡块筛盘中，开启按钮，吸头自动吸取锡块，通过自动化龙门架和程序控制，自动将锡块放置在覆盖有锡膏的导电片上，所述锡块成分包括94.5％Sn、3％Ag和2.5％Cu，锡块的熔点为233-241℃，锡块的形状为矩形、正方形、圆形或不规则形状；
步骤S4、将覆盖锡块的导电片放入回流焊炉中，在一定烧结温度下进行烧结，烧结后进行外观检查，得到软焊料覆盖面积高于90％的热沉导电片，所述热沉导电片表面包括有过渡层和表面层，过渡层为免清洗软焊料层，所述软焊料层具体为一种免清洗锡膏。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件的热沉导电片加工工艺，其特征在于，所述烧结温度随时间动态变化：在0-160s中匀速升温，从40℃达到195-205℃，在160-200s中保温，在200-245s中缓慢升温达到峰值温度，所述峰值温度为233-240℃，之后缓慢降温。
3.根据权利要求1所述的一种功率器件的热沉导电片加工工艺，其特征在于：所述中等活性有机酸为乙二酸、丙二酸、丁二酸、马来酸、酒石酸、苯甲酸、苯乙酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、戊酸、己酸、癸酸、硬脂酸、软脂酸、丙烯酸中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种功率器件的热沉导电片加工工艺，其特征在于，所述程序控制为一种视觉识别装置，通过程序控制识别导电片位置，将锡膏和锡块放置在特定位置，锡块放置后还包括异常检测模块，用于判断点胶和锡块放置情况，所述异常检测模块基于机器视觉点胶机，所述视觉点胶机采用360度自动识别系统，识别产品并快速确定点胶位置，自动生成点胶路径，并对涂覆的胶点进行观察和测量、评估直径或体积的一致性，当其生成点胶路径后进行点胶，自动生成点胶路径包括下列步骤：
步骤S11、建立点胶机运动模型：首先使用张正友标定法对相机进行标定，得到相机的畸变系数，然后确定相机和点胶装置的运动学信息，得到点胶机的运动学模型，所述相机固定在龙门架上用于拍摄产品的多角度图像；
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所述Pw为标定信息，Pp是从图像中提取的已知坐标，Zc是未知量，是可优化参数，根据坐标计算产品与点胶位置的物理距离，最后根据距离和坐标生成点胶路径。
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