CN117066752A - 一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片及其制备方法。所述限高型预成形焊片包括焊片基体，以及嵌入所述焊片基体内部或粘于所述焊片基体表面的至少一根非直线状金属丝；金属丝通过非直线状设置限制所述焊片基体中的金属丝移动；所述金属丝不形成封闭图形；所述金属丝的熔点大于所述焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状为圆形、椭圆形、长方形、V形、U形、三角形的一种或多种组合体，在能控制焊缝高度的前提上，还能使金属丝不移动，降低焊接空洞率，稳定焊缝质量，可以实现非直线限高型预成形焊片的自动化生产，提高了产品的质量稳定性和产量，而且制造成本低廉，制造结构简单。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电子元器件封装越来越密集，功率越来越大，服役环境越来越苛刻，对焊料这一关键的连接材料的可靠性越来越重视。特别指出的是，第三代半导体材料碳化硅、氮化镓具有禁带宽度大，击穿电场高，电子饱和率高等特点，具备降低功率转换的能量损失、更容易小型化、更好的耐高温作用的优势，第三代半导体材料的应用势必越来越广泛，这就需要焊接材料的可靠性也进一步发展。
焊接材料在熔化后形成焊缝，在电子元器件中起到连接上下焊接面的作用。提高焊料的可靠性，除了提高焊接材料本身的性能外，还可以从保持焊缝均匀性方面出发。这是因为焊料熔化后形成的焊缝厚度不一，有些地方大，有些地方小，这就容易导致局部导热、导电性能变差，温度应力的集中使得电子器件焊层发生局部退化，一旦形成空隙，裂纹的扩展速率将会大大提高，最终导致整个电子器件发生失效。
目前，为了保持焊缝均匀性，在焊片中嵌入金属球、两根平行金属丝、金属网制成限高型预成形焊片，但是，这几款限高型预成形焊片仍存在不同的缺点。在焊片中嵌入金属球的限高型预成形焊片，由于焊料熔化后抽真空、充氮气等导致金属液流动导致金属球的位置不可控，使得制成的焊缝金属球位置不可控，这在科学控制产品体系中是不被允许的，无法确定的金属球位置即说明有可能存在某些致命的位置进而导致电子器件可靠性大大降低；在焊片中嵌入两根平行金属丝的限高型预成形焊片，同样由于焊料熔化后抽真空、充氮气等导致金属液流动导致铜丝移动、旋转，使得制成的焊缝金属丝位置不可控，这在科学控制产品体系中也是不被允许的；在焊片中嵌入金属网的限高型预成形焊片，比如专利CN209078071U，由于网状封闭式的金属网，以及大面积的金属网镶嵌在焊缝中间，其将分别影响焊缝焊接空洞率和焊缝的热膨胀系数、弹性模量等，最终影响焊缝可靠性。
因此，针对以上金属丝移动和焊缝焊接空洞率和焊缝的热膨胀系数、弹性模量技术问题缺陷，急需设计和开发一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片及其制备方法。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足及困难，本发明之目的在于提供一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片及其制备方法，进而提高预成形焊片的平稳性和电子器件连接的可靠性。
本发明的第一目的在于提供一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片；
本发明的第二目的在于提供一种高平稳性高可靠性限高型预成形焊片的制备方法；
本发明的第一目的是这样实现的：所述限高型预成形焊片包括焊片基体，以及嵌入所述焊片基体内部或粘于所述焊片基体表面的至少一根非直线状金属丝；金属丝通过非直线状设置限制所述焊片基体中的金属丝移动；
所述金属丝不形成封闭图形；所述金属丝的熔点大于所述焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状为圆形、椭圆形、长方形、V形、U形、三角形的一种或多种的组合体。
进一步地，所述焊片基体长度、焊片基体宽度；以及金属丝在焊片基体长度方向的投影长度、金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度之间的关系式为：
0.5L≤X≤L； （1）
和，
0.5W≤Y≤W； （2）
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
进一步地，所述金属丝数量为1，且所述金属丝形状为周期函数图形；
金属丝形状周期、以及金属丝在焊片基体长度方向的投影长度、金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度之间的关系式为：
0.25X≤T≤X； （3）
或，
0.25Y≤T≤Y； （4）
其中，T为金属丝形状周期， X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
进一步地，所述金属丝成分元素为Cu、Ag、Ni、Sn、In、Sb和Au中的一种或多种。
进一步地，所述金属丝外包裹有Ag、Ni、Sn、Sb和Au中一种或多种。
进一步地，所述焊片基体厚度为 0.005～0.8mm；
所述焊片基体上涂覆有助焊剂层，所述助焊剂层厚度为0.001mm～0.05mm。
进一步地，所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为V形，所述金属丝数量为1；并且T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
进一步地，所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为M形，所述金属丝数量为1；并且2T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
进一步地，所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为M+V形，所述金属丝数量为1；并且3T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
本发明的第二目的是这样实现的：所述方法包括如下步骤：
将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再依次使用轧制、冲压、裁切、分条加工工艺成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。
本发明通过提供一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，所述限高型预成形焊片包括焊片基体，以及嵌入所述焊片基体内部或粘于所述焊片基体表面的至少一根非直线状金属丝；金属丝通过非直线状设置限制所述焊片基体中的金属丝移动；所述金属丝不形成封闭图形；所述金属丝的熔点大于所述焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状为圆形、椭圆形、长方形、V形、U形、三角形的一种或多种组合体，以及一种所述限高型预成形焊片的制备方法，在能控制焊缝高度的前提上，还能使金属丝不移动，降低焊接空洞率，稳定焊缝质量，减少电子产品不确定性，提高预成形焊片的平稳性和电子元器件的可靠性；并且还可以实现非直线限高型预成形焊片的自动化生产，与手工绕线的落后生产手段相比，提高了产品的质量稳定性和产量，而且制造成本低廉，制造结构简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片结构示意图；
图2为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例1平面结构示意图；
图3为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例2平面结构示意图；
图4为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例3平面结构示意图；
图5为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例4平面结构示意图；
图6为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之对比例1平面结构示意图；
图7为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之对比例2平面结构示意图；
图8为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之制备装置结构之一示意图；
图9为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之制备装置结构之二示意图；
图10为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片的制备装置之支撑机构示意图；
图11为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片的制备装置之伸缩柱体剖视机构示意图；
图12为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例1超声波扫描示意图；
图13为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例2超声波扫描示意图；图14为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例3超声波扫描示意图；
图15为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之实施例4超声波扫描示意图；
图16为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之对比例1超声波扫描示意图；
图17为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之对比例2超声波扫描示意图；
图18为本发明一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片之对比例3超声波扫描示意图；
图中：1-上圆辊；2-下组合辊；3-金属丝；4-绕线杆；5-料带（或焊片基体）；6-伸缩柱体；61-柱体；62-弹簧；63-导柱；64-固定块；21-外下圆辊；22-内下圆辊；7-压紧机构；701-第一固定架；702-第二固定架；71-下压板块；72-旋转盘；8-支撑机构；801-支撑基座；802-支撑杆；9-方形窗口区域；10-凸筋；11-凹槽；12-螺纹杆；13-横板；1301-螺旋孔；14-螺钉；15-轴承；
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为便于更好的理解本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。
本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。其次，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1-18所示，本发明提供了一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，所述限高型预成形焊片包括焊片基体，以及嵌入所述焊片基体内部或粘于所述焊片基体表面的至少一根非直线状金属丝；金属丝通过非直线状设置限制所述焊片基体中的金属丝移动；
所述金属丝不形成封闭图形；所述金属丝的熔点大于所述焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状为圆形、椭圆形、长方形、V形、U形、三角形的一种或多种的组合体。
所述焊片基体长度、焊片基体宽度；以及金属丝在焊片基体长度方向的投影长度、金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度之间的关系式为：
0.5L≤X≤L； （1）
和，
0.5W≤Y≤W； （2）
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在宽度方向的投影长度。
所述金属丝数量为1，且所述金属丝形状为周期函数图形；
金属丝形状周期、以及金属丝在焊片基体长度方向的投影长度、金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度之间的关系式为：
0.25X≤T≤X； （3）
或，
0.25Y≤T≤Y； （4）
其中，T为金属丝形状周期， X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
所述金属丝成分元素为Cu、Ag、Ni、Sn、In、Sb和Au中的一种或多种。
所述金属丝外包裹有Ag、Ni、Sn、Sb和Au中一种或多种。
所述焊片基体厚度为 0.005～0.8mm；所述焊片基体上涂覆有助焊剂层，所述助焊剂层厚度为0.001mm～0.05mm。
所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为V形，所述金属丝数量为1；并且T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在宽度方向的投影长度。
所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；所述金属丝在焊片基体中的分布形状为M形，所述金属丝数量为1；并且2T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在宽度方向的投影长度。
所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为M+V形，所述金属丝数量为1；并且3T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在宽度方向的投影长度。
具体地，在本发明实施例中，提供一种限高型预成形焊片，使得焊接后限制金属丝移动，降低焊接空洞率，质量稳定，减少不确定性，提高预成形焊片的平稳性和电子器件连接的可靠性。即提供一种高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，包括焊片基体和金属丝；所述金属丝可以嵌入焊片基体内部，也可以粘于焊片基体表面。所述金属丝形状是非直线形状；金属丝数量至少为1，金属丝不形成封闭图形。金属丝当金属丝数量≥2时，不同金属丝之间也不形成封闭图形。所述金属丝的熔点大于焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状包括但不限于以下形状的一种或多种的组合体或该组合体与直线相交后的切割面：圆形、椭圆形、长方形、V形、U形或三角形。
所述金属丝数量为1，且金属丝形状为周期函数图形，其周期为T。焊片基体长度L、宽度W、金属丝在焊片基体长度方向的投影长度X、在宽度方向的投影长度Y满足以下关系：0.5L≤X≤L，0.5W≤Y≤W。
所述周期T、在焊片基体长度方向的投影长度X、在宽度方向的投影长度Y至少满足以下关系中的一个：0.25X≤T≤X；0.25Y≤T≤Y。
所述金属丝成分至少包括以下元素一种或多种：Cu、Ag、Ni、Sn、In、Sb、Au。
所述金属丝外面包裹以下一种或多种元素的金属：Ag、Ni、Sn、Sb、Au。
在焊片基体上涂覆助焊剂层，所述焊片基体厚度为 0.005-0.8mm，所述助焊剂层厚度为0.001mm-0.05mm。
也就是说，本发明提供的高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，包括焊片基体和金属丝；所述金属丝可以嵌入焊片基体内部，也可以粘于焊片基体表面。所述金属丝形状是非直线形状；金属丝数量至少为1，金属丝不形成封闭图形。金属丝当金属丝数量≥2时，不同金属丝之间也不形成封闭图形。所述金属丝的熔点大于焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状包括但不限于以下形状的一种或多种的组合体或该组合体与直线相交后的切割面：圆形、椭圆形、长方形、V形、U形或三角形。
本发明的高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，通过设定金属丝在焊片基体中的分布形状为非直线形状，改善了由于焊料熔化后抽真空、充氮气等导致金属液流动导致铜丝移动、旋转，解决了制成的焊缝金属丝位置不可控的问题。特别地，在半导体材料连接领域，无法施加压力在半导体材料上端，从而无法通过外力控制金属丝位置，这时候，本发明将大大改善这一产品缺陷，同时也保持焊缝均匀性，提高了电子元器件的可靠性。
优选的，所述金属丝数量为1，且金属丝形状为周期函数图形，其周期为T。焊片基体长度L、宽度W、金属丝在焊片基体长度方向的投影长度X、在宽度方向的投影长度Y满足以下关系：0.5L≤X≤L，0.5W≤Y≤W。
本发明的高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，金属丝在基体中的数量优选为1，这是因为不仅降低了加工难度，还降低了金属丝与金属丝之间的相互作用。金属丝与金属丝之间可能由于熔化后金属液的流动相互影响，甚至因为相互作用力将其中一个金属丝顶出金属液的包裹。金属丝在焊片基体长度方向的投影长度X、在宽度方向的投影长度Y满足上述条件，这是因为0.5L≤X≤L，0.5W≤Y≤W时，能减少铜丝的移动空间，这才是本发明的核心有益成果，同时在加工方法上，由于制备方法的限制，X=L或Y=W时，能大大降低加工难度。
较佳地，所述周期T、在焊片基体长度方向的投影长度X、在宽度方向的投影长度Y至少满足以下关系中的一个：0.25X≤T≤X；0.25Y≤T≤Y。
本发明的高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，对所述周期T 进行了限制，即当金属丝投影长度确定后，周期T越小，则金属丝结构越复杂，金属丝重量越重，拉直后长度越长，这将分别影响焊缝焊接空洞率和焊缝的热膨胀系数、弹性模量等，最终影响焊缝可靠性。
优选的，所述金属丝成分至少包括以下元素一种或多种：Cu、Ag、Ni、Sn、In、Sb、Au。也就是说，本发明公开的高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，金属丝至少包括以下元素一种或多种：Cu、Ag、Ni、Sn、In、Sb、Au。这是因为在高熔点的金属丝中，无论金属丝材质是单种元素纯金属或者多种元素的合金，除了保证金属丝熔点在焊片基体熔化后还不会熔化外，还需保证金属丝在焊片基体金属中的润湿性，否则，金属丝可能因为熔融的金属液的流动而排出基体金属的包裹，同时焊缝焊接空洞率会因为不具润湿性的金属丝的嵌入而变大，反而降低电子器件可靠性。
优选的，所述金属丝外面包裹一下一种或多种元素：Ag、Ni、Sn、Sb、Au。也就是说，本发明的高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，所述金属丝外面包裹以下一种或多种元素的金属：Ag、Ni、Sn、Sb、Au。这是因为金属丝有可能容易氧化和脱落，这时候通过电镀、化镀、热镀或化学沉积等包裹上一层金属，能有效解决金属丝容易氧化和脱落等问题。
进一步的，在焊片基体上涂覆助焊剂层，所述焊片基体厚度为 0.005-0.8mm，所述助焊剂层厚度为0.001mm-0.05mm。也就是说，本发明的高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，在焊片基体上涂覆助焊剂层，所述助焊剂层厚度0.001mm-0.05mm。这是因为预成形焊片的应用场景多种多样，也使焊接工艺设备不尽相同。除了在真空甲酸还原气氛中焊接应用外，还需要能在常压回流炉中使用，这时候，助焊剂的涂覆层将使限高型预成形焊片能大规模的应用。
为实现上述目的，本发明还提供一种高平稳性高可靠性限高型预成形焊片的制备方法，所述方法用于制备所述高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，所述方法包括如下步骤：将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再依次使用轧制、冲压、裁切、分条加工工艺成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。
优选的，所述布线装置由上圆辊1、下组合辊2、伸缩柱体6、绕线杆4组成。下组合辊由多种结构组成，以实现伸缩柱体在下辊中的伸缩功能。
也就是说，所述布线装置为一种适用于限高型预成形焊片的制备装置，所述装置包括上圆辊，以及通过轴承、压紧机构7和所述上圆辊可拆卸连接的下组合辊；所述下组合辊表面设置有伸缩柱体；
所述装置进料端的一侧设置有绕线杆；所述绕线杆通过一支撑机构8将金属丝绕至所述下组合辊表面的伸缩柱体上，并结合所述压紧机构7以及所述上圆辊将预设形状的金属丝镶嵌于料带上，形成限高型预成形焊片；
所述装置还包括用于控制支撑机构8上支撑杆802的摆动频率，以及控制所述上圆辊和下组合辊转动速度的电控系统。
所述下组合辊由外下圆辊和内下圆辊组成；所述外下圆辊通过凸键固定于所述内下圆辊外面。
所述伸缩柱体等距设置于所述下组合辊表面的两端。所述伸缩柱体由柱体、弹簧、导柱、固定块组成；
所述柱体套设在所述导柱上端；所述导柱下端由固定块固定；所述固定块用于固定弹簧下端；所述弹簧上端固定于所述柱体下端。在本方案中，所述柱体为T字型设置，在所述柱体内设置有凹槽，所述导柱上端刚好和所述柱体的凹槽相锲合；所述弹簧设置在所述柱体和固定块之间，并套设于所述导柱上；较佳地，在导柱和柱体靠近弹簧的一端，分别设置有凸起，用于套设弹簧，防止弹簧移动位置。所述凸起的直径小于或等于所述弹簧的内径。在所述固定块中心位置设置有穿孔，所述穿孔用于安放导柱，所述穿孔内径大于或等于所述导柱的外径。
所述压紧机构7包括第一固定架701，以及与所述第一固定架701且位于对立面平行设置的第二固定架702；
所述第一固定架701和第二固定架702的上端分别镂空有方形窗口区域9；所述方形窗口区域9内设置有沿所述方形窗口区域9滑动的下压板块71，以及控制所述下压板块71上下滑动的旋转盘72。
所述方形窗口区域9的两内侧分别设置有凸筋；所述下压板块71两侧设置有配合所述凸筋滑动的凹槽11；
所述旋转盘72的一端固定连接有带有螺纹的螺纹杆。
所述方形窗口区域9的顶部设置有可拆卸连接的横板；所述横板与所述方形窗口区域9顶部通过螺钉固定连接。
所述横板中间设置有螺旋孔；所述螺纹杆穿过所述螺旋孔，结合所述旋转盘72控制下压板块71滑动。
所述支撑机构8包括支撑基座801，以及沿所述支撑基座801左右滑动的支撑杆802。
所述支撑杆802顶端为凹陷设置，通过所述凹陷的内径大于或等于所述绕线杆的外径。
具体地，在本发明实施例中，提供一种适用于限高型预成形焊片的制备装置，所述装置包括上圆辊1、下组合辊2、伸缩柱体6、绕线杆4；所述上圆辊1通过轴承及两侧的下压板块71与下组合辊2组合成轧辊；所述轧辊在进料端一侧设有绕线杆4；所述绕线杆4通过支撑机构8悬挂在轧辊进料端一侧，摆动绕线至伸缩柱体6上；所述伸缩柱体6按照布线形状设在下组合辊2上方。
所述下组合辊2由外下圆辊21、内下圆辊22组成；所述外下圆辊21通过凸键固定在内下圆辊22外面。
所述伸缩柱体6由柱体61、弹簧62、导柱63、固定块64组成。所述柱体61套在导柱63上端；所述导柱下端由固定块64固定；所述固定块64固定弹簧62下端，防止弹簧62左右移动；所述弹簧62上端固定在柱体61下端，当柱体61受压力向下运动时，弹簧受压缩，否则弹簧62恢复原始长度，柱体61向上运动。同时，所述伸缩柱体6也通过电气系统控制其伸缩运动。这是因为除了利用机械结构控制其伸缩运动外，还可以通过电、气系统来达到同样目的。
所述绕线杆4、上圆辊1、下组合辊2通过电机系统控制其运动速度；所述电机系统包括电机、传动结构、控制器。所述布线装置两端设有收放卷装置及控制其运动的电机系统。
上述限高型预成形焊片的制备装置的工作原理是：利用绕线杆4的摆动和下组合辊2的转动，将金属丝绕在伸缩柱体6上，即将周期函数转变为振幅和频率。金属丝绕在伸缩柱体6后，下组合辊2继续走，当伸缩柱体6碰到上圆辊1时，受到一定量径向力，开始收缩，当完全收缩时，伸缩柱体6走到下组合辊2圆的最顶部，上圆辊1和下组合辊2接触面上由于伸缩柱体完全收缩具有常规轧辊的轧制能力。此时金属线由于完全收缩而脱出，也刚好受到上圆辊1和下组合辊2的轧制，由此金属丝复合在料带上。
在本方案中，下组合辊2由外下圆辊21、内下圆辊22组成。所述外下圆辊21通过凸键固定在内下圆辊22外面。方案中采用多种结构的目的，是为了下组合辊2中设有伸缩柱体；设置凹槽与凸键的目的是为了防止外下圆辊21和内下圆辊22周向相对打滑；同时两端还需要加多螺母、插销、螺丝等止动结构，防止外下圆辊21和内下圆辊22轴向相对滑动。
伸缩柱体6由柱体61、弹簧62、导柱63、固定块64组成。所述柱体61套在导柱63上端；所述导柱下端由固定块固定；所述固定块固定弹簧62下端，防止弹簧62左右移动；所述弹簧62上端固定在柱体61下端，当柱体61受压力向下运动时，弹簧受压缩，否则弹簧62恢复原始长度，柱体61向上运动。伸缩柱体6上表面由下圆辊面组成，伸出高度不宜过长，由上下辊大小决定其伸出高度，这是因为伸出高度过长在靠近上辊面时将受到较大的周向力和较小的径向力，从而导致伸缩柱体撞击上辊面，且不易伸缩，除非通过电气控制伸缩高度才能解决这个问题；而伸出高度过短，铜丝容易脱出，这时候需要在圆柱上开出线槽，卡住铜丝使其不容易脱出。伸缩柱体分布在下组合辊上，分布形状由所需要的布线形状决定。同时，所述伸缩柱体6也通过电气系统控制其伸缩运动。这是因为除了利用机械结构控制其伸缩运动外，还可以通过电、气系统来达到同样目的。
本方案中的绕线工作原理：将周期函数转变为振幅和频率两个线性函数组成。绕线杆由杆及带圆孔的结构组成，圆孔结构贴近辊面，铜丝通过绕线杆的杆体方向穿过圆孔，绕线杆在下组合辊水平最大截面的平面上带着铜丝来回摆动，由于铜丝前端已经通过轧辊、绕线固定，铜丝仅能通过后端铜丝卷轴里的铜丝补充，摆动起点终点为伸缩柱体外侧一段距离，通过控制摆动速率与下组合辊转动速率，使前后两伸缩柱体到同一水平面的时间等于绕线杆跑一趟起点和终点的时间，这时候，前伸缩柱体到水平面时，绕线杆在最外侧起点，准备往回走，此时前伸缩柱体继续往上走，绕线杆走完在此平面前伸缩柱体位置点与最外侧起点这段距离时，已将线绕在前伸缩柱体上，由于前后两伸缩柱体到同一水平面的时间等于绕线杆跑一趟起点和终点的时间，当后伸缩柱体到水平面时，绕线杆在最外侧终点，准备往回走，此时后伸缩柱体继续往上走，在此平面后伸缩柱体位置点与最外侧终点这段距离时，已将线绕在后伸缩柱体，如此往复。
本发明提供的一种适用于限高型预成形焊片的制备装置，通过设置上圆辊、下组合辊、伸缩柱体、绕线杆结构，所述下组合辊由外下圆辊、内下圆辊组成，所述伸缩柱体由柱体、弹簧、导柱、固定块组成，实现能将预设形状的金属丝镶嵌在料带上功能，实现非直线限高型预成形焊片的自动化生产，与手工绕线的落后生产手段相比，提高了产品的质量稳定性和产量，制造成本低廉，制造结构简单。
也就是说，本发明方案的制备装置包括上圆辊，以及通过轴承、压紧机构7与所述上圆辊可拆卸连接的下组合辊；结合所述装置进料端的一侧设置的绕线杆；所述绕线杆通过一支撑机构8将金属丝绕至所述下组合辊表面的伸缩柱体，通过设置的所述压紧机构、所述上圆辊、所述下组合辊、所述绕线杆、所述伸缩柱体、所述压紧机构7、所述上圆辊、用于控制支撑机构8上支撑杆802的摆动频率，以及控制所述下组合辊转动速度的电控系统，将预设形状的金属丝镶嵌于料带上，形成限高型预成形焊片；该装置制作简单，而且能够批量生产非直线规则图形的限高型预成形焊片。
实施例1
一种高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，通过将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用本发明的布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再使用轧制、冲压成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。如图2所示，包括基体金属SAC305和金属丝镀锡Cu丝，在焊片基体中的分布形状是“V”形状，数量为1，T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm。
实施例2
一种高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，通过将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用本发明的布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再使用轧制、冲压成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。如图3所示，包括基体金属SAC305和金属丝镀锡Cu丝，在焊片基体中的分布形状是“M”形状，数量为1，2T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm。
实施例3
一种高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，通过将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用本发明的布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再使用轧制、冲压成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。如图4所示，包括基体金属SAC305和金属丝镀锡Cu丝，在焊片基体中的分布形状是“M+V”形状，数量为1，3T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm。
实施例4
一种高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，通过将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用本发明的布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再使用轧制、冲压成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。如图5所示，包括基体金属SAC305和金属丝镀锡Cu丝，在焊片基体中的分布形状是“M+M”形状，数量为1，4T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm。
对比例1
一种专利CN2018211841292所述的金属丝线型为波纹线的限高型预成形焊片，通过将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用本发明的布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再使用轧制、冲压成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。如图6所示，包括基体金属SAC305和金属丝镀锡Cu丝，在焊片基体中的分布形状是“M”形状，数量为1，2T=X=L=38.5mm，Y=10.5mm≤0.5W=15.75mm。
对比例2
一种专利CN2018211841292所述的金属丝线型为折线的限高型预成形焊片，通过将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用手工绕线的方法将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再使用轧制、冲压成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。如图7所示，包括基体金属SAC305和金属丝镀锡Cu丝，在焊片基体中的分布形状是“V”形状，数量为1，T=X=0.5L=19.25mm，Y=10.5mm≤0.5W=15.75mm。
对比例3
一种限高型预成形焊片，通过专利CN106736051B所述制备方法制备，包括基体金属SAC305和两根平行的镀锡Cu丝。
本发明对上述实施例和对比例进行性能对比，以展示本发明的有益效果，如下表1所示。
表1：实施例和对比例性能对比情况
；
上述表格数据按照下面实验流程获得：对比例与实施例各制样5PSC，尺寸38.5*31.5*0.3mm3，再使用真空甲酸回流焊工艺进行焊接，焊接面材质为纯铜DBC板，焊接后使用Sonoscan D9600Z的超声波扫描显微镜测试焊接空洞率和Cu丝移动率，其中，Cu丝移动率=Cu丝移动片数/5×100%。
由表1可知，实施例1-4，随着T的减小，焊接空洞率降低，这说明满足：0.25X≤T≤X；0.25Y≤T≤Y时，有助于减少焊缝焊接空洞率，提高电子器件可靠性。同时，实施例1-4满足：0.5L≤X≤L，0.5W≤Y≤W，与对比例相比，Cu丝移动率从80%降低到0，这说明满足0.5L≤X≤L，0.5W≤Y≤W时，有助于稳定焊缝质量，减少电子产品不确定性。由对比例1、2可知，随着X、Y的变小，Cu丝移动率变大，这说明当X、Y变小时，焊缝中剩余的移动空间变大，Cu丝的移动风险变大。
由表1可知，通过本发明的非直线金属丝分布的限高型预成形焊片，能够降低金属丝在焊片基体中的移动旋转等，进而提升了电子器件的可靠性。这是因为铜丝在焊片基体金属液具有润湿性，两者具有一定的润湿力，因此会包裹着铜丝，在金属液流动时，由于铜丝形状的长度等于焊片形状的长度，比起两条平行直线的铜丝，非直线分布形状的铜丝具备平面结构，没有移动的可能性，从而提高焊缝的稳定性。
本发明提供的一种高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片，在能控制焊缝高度、提高电子元器件可靠性的前提上，还能使金属丝不移动，稳定焊缝质量，减少电子产品不确定性。本发明还提供的一种高平稳性、高可靠性限高型预成形焊片的制备方法，实现非直线限高型预成形焊片的自动化生产，与手工绕线的落后生产手段相比，提高了产品的质量稳定性和产量，制造成本低廉，制造结构简单。
也就是说，本发明通过提供一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，所述限高型预成形焊片包括焊片基体，以及嵌入所述焊片基体内部或粘于所述焊片基体表面的至少一根非直线状金属丝；金属丝通过非直线状设置限制所述焊片基体中的金属丝移动；所述金属丝不形成封闭图形；所述金属丝的熔点大于所述焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状为圆形、椭圆形、长方形、V形、U形、三角形的一种或多种组合体，以及一种所述限高型预成形焊片的制备方法，在能控制焊缝高度的前提上，还能使金属丝不移动，降低焊接空洞率，稳定焊缝质量，减少电子产品不确定性，提高预成形焊片的平稳性和电子元器件的可靠性；并且还可以实现非直线限高型预成形焊片的自动化生产，与手工绕线的落后生产手段相比，提高了产品的质量稳定性和产量，而且制造成本低廉，制造结构简单。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述限高型预成形焊片包括焊片基体，以及嵌入所述焊片基体内部或粘于所述焊片基体表面的至少一根非直线状金属丝；
所述金属丝不形成封闭图形；所述金属丝的熔点大于所述焊片基体100℃或以上；所述金属丝截面形状为圆形、椭圆形、长方形、V形、U形、三角形的一种或多种的组合体。
2.根据权利要求1所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述焊片基体长度、焊片基体宽度；以及金属丝在焊片基体长度方向的投影长度、金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度之间的关系式为：
0.5L≤X≤L； （1）
和，
0.5W≤Y≤W； （2）
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述金属丝数量为1，且所述金属丝形状为周期函数图形；
金属丝形状周期、以及金属丝在焊片基体长度方向的投影长度、金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度之间的关系式为：
0.25X≤T≤X； （3）
或，
0.25Y≤T≤Y； （4）
其中，T为金属丝形状周期， X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
4.根据权利要求3所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述金属丝成分元素为Cu、Ag、Ni、Sn、In、Sb和Au中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述金属丝外包裹有Ag、Ni、Sn、Sb和Au中一种或多种。
6.根据权利要求1或2所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述焊片基体厚度为 0.005～0.8mm；
所述焊片基体上涂覆有助焊剂层，所述助焊剂层厚度为0.001mm～0.05mm。
7.根据权利要求1或2所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为V形，所述金属丝数量为1；并且T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
8.根据权利要求1或2所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为M形，所述金属丝数量为1；并且2T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
9.根据权利要求1或2所述的一种高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，其特征在于，所述焊片基体为金属SAC305；所述金属丝为镀锡Cu丝；
所述金属丝在焊片基体中的分布形状为M+V形，所述金属丝数量为1；并且3T=X=L=38.5mm，Y=29.5mm≤W=31.5mm；
其中，L为焊片基体长度L，W为焊片基体宽度；X为金属丝在焊片基体长度方向的投影长度，Y为金属丝在焊片基体宽度方向的投影长度。
10.一种高平稳性高可靠性限高型预成形焊片的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备如权利要求1-9任一项所述高平稳性高可靠性的限高型预成形焊片，所述方法包括如下步骤：
将焊片基体锭胚轧制到中间尺寸，使用布线装置将金属丝按照目标形状镶嵌至料带上方，再依次使用轧制、冲压、裁切、分条加工工艺成型为目标尺寸、形状的限高型预成形焊片。
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