CN117438322A - 一种防止功率模块电镀后dbc部位变色的方法、治具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，该方法依次包括化学浸泡除油、电解除油、水洗、去氧化、预浸、锡化、中和、铜保护、烘干、检验、退火等步骤，通过该方法使得功率模块产品在热煮去溢料过程中可以充分与热煮软化液接触，保证去溢料效果最大化，防止去溢料过程中使用原有传递弹夹时被药水腐蚀；该方法在锡化线内使用铜保护剂，在功率模块产品DBC部位表面生成一层有机膜，保证其DBC部位不会出现氧化变色异常。本发明还公开了一种治具，该治具适用于有DBC散热系统的所有功率模块产品，使用该发明治具进行产品的装取和烘烤，有效减少了倒换弹夹次数，防止产品散热片与塑封体损伤，从而保证了DBC散热系统与产品锡化后镀层的防护。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件封装技术领域，具体涉及一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法、治具。
背景技术
在车载电机控制器工作时，其上设置的功率模块会产生大量的热量，需要及时将热量散发出去，因此需要散热装置对功率模块进行散热，现有的功率模块的散热组件，为提高散热效果，通常会安装导热垫，现有的导热垫采用框架铜材设计的散热片进行散热。
目前，功率模块（IPM）产品进行电镀锡的常用工艺流程为：后固化—去溢料—线内锡化（电解—去氧化—预浸—锡化—中和—吹干、烘干）—线外（铜保护剂—中和—吹干）—退火。首先，由于治具问题，产品在如上工艺加工过程中多次倒换治具容易造成产品DBC部位划伤以及塑封体蹭伤；其次，功率模块产品镀锡后铜保护剂以及退火工艺影响，导致功率模块产品DBC部位发生氧化变色异常，直接影响产品质量问题。
发明内容
本发明第一方面提供一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，用于解决现有技术将功率模块 (IPM)产品锡化后，会出现散热片和塑封体蹭划伤异常以及退火工艺后出现DBC部位氧化变色异常，直接影响产品质量的问题。
本发明第二方面提供一种治具，该治具适用于有DBC散热系统的所有功率模块产品，使用该发明治具进行产品的装取和烘烤，有效减少了倒换弹夹次数，防止产品散热片与塑封体损伤，从而保证了产品锡化后镀层的防护。
本发明提供的技术方案如下：
一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，包括以下步骤：
步骤一、将功率模块产品装入治具中，所述功率模块产品在装入所述治具中时一正一反进行插入放置，使得相邻两条所述功率模块产品DBC部位互相正对放置；
步骤二、将装有功率模块产品的所述治具放入第一溶液中进行热煮软化，去除所述功率模块产品DBC部位的溢料和油脂；
步骤三、将热煮软化后的所述功率模块产品传送至第二溶液中进行电解除油，传送所述功率模块产品采用钢带传送；
步骤四、将电解除油后的所述功率模块产品传送至第三溶液中进行去氧化处理；
步骤五、将进行去氧化处理后的所述功率模块产品传送至第四溶液中进行润湿；
步骤六、将润湿后的所述功率模块产品传送至第五溶液中，在所述功率模块产品的引线框架表面电镀一层锡；
步骤七、将引线框架表面电镀一层锡的所述功率模块产品传送至第六溶液中进行锡层保护，所述第六溶液为中和液；
步骤八、将通过中和液的所述功率模块产品传送至第七溶液中进行浸泡，浸泡一段时间后在所述功率模块产品DBC部位表面形成均匀、极薄、透明的有机涂覆层；
步骤九、将形成有机涂覆层的所述功率模块产品进行烘干；
步骤十、将烘干后的所述功率模块产品再次装入治具中，所述功率模块产品在装入所述治具中时一正一反进行插入放置，使得相邻两条所述功率模块产品DBC部位互相正对放置；
步骤十一、将装有功率模块产品的所述治具转入充氮烘箱进行退火，退火工艺参数为：升温、降温时长以及恒温时长均为1h，恒温温度为150℃，起始、结束温度均为40℃。
进一步地，步骤二中，去除所述功率模块产品DBC部位的溢料和油脂时，所述第一溶液的温度为97℃。
进一步地，步骤三中，所述钢带为高速环形锡化线的传送钢带；
步骤三至步骤九均在所述高速环形锡化线上的工艺槽中进行，每个工艺槽均设置有“吹干—喷淋—水洗—喷淋—吹干”流程，步骤三至步骤九过程中，功率模块产品在环形高速锡化线进行加工，加工过程中所述功率模块产品与所述治具是分开状态；
步骤一、二、十、十一过程中，所述功率模块产品位于治具中完成产品的加工。
进一步地，步骤二中，将装有功率模块产品的所述治具放入第一溶液中进行热煮软化同时，通过超声波仪器进行超声波脱脂，进行超声波脱脂时间为1h。
进一步地，步骤三中，所述第二溶液为电解液，所述电解液的浓度为120～250g/L，通过所述电解液进行电解除油时的电解电流为10A，温度为45℃。
进一步地，步骤四中，所述第三溶液为去氧化液，所述去氧化液的浓度为30～80g/L。
进一步地，步骤五中，所述第四溶液为预浸液，所述预浸液的浓度为60～120g/L；
步骤六中，所述第五溶液为电镀液，所述电镀液的浓度为150～250g/L；
步骤七中，所述第六溶液为中和液，所述中和液的浓度为80～120 g/L。
进一步地，步骤八中，所述第七溶液为铜保护剂稀释液，将所述功率模块产品浸泡至浓度稀释至15～25%的铜保护剂原液中，所述铜保护剂稀释液的pH为6～8，温度为20～40℃，浸泡时间为10s～20s。
进一步地，步骤九中，所述功率模块产品进行烘干时的烘干温度为110℃，烘干时间为5s～10s；
步骤三至步骤九均在所述高速环形锡化线上的工艺槽中进行，步骤三至步骤九过程中，所述功率模块产品将在环形高速锡化线进行加工，加工过程中所述功率模块产品与治具是分开状态；
步骤一、二、十、十一过程中，所述功率模块产品位于治具中完成产品的加工。
同时，本发明还提供一种治具，应用于上述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法：
包括方形的框架主体，所述框架主体底部沿长度方向设置有多个支撑条，所述支撑条上沿宽度方向设置有至少一列格挡条；
相邻所述格挡条之间的间距相等，所述格挡条的长度不超过所述功率模块产品的长度，且相邻所述格挡条之间的间距与所述功率模块产品的厚度相适配；
所述框架主体的宽度超过所述功率模块产品的长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供了一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，该方法采用的治具可以使得功率模块产品在热煮去溢料过程中可以充分与热煮软化液接触，保证去溢料效果最大化，防止去溢料过程中使用原有传递弹夹时被药水腐蚀；热煮软化后可以直接使用气枪吹去热煮软化液产品表面的水滴，可以实现取消甩干环节；锡化后使用该治具进行检验环节（步骤十）和退火环节（步骤十一），有效减少了倒换弹夹次数，防止产品散热片与塑封体损伤，从而保证了产品锡化后镀层的防护。
2.本发明提供了一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，该方法使用线（高速环形锡化线）内铜保护工艺有效隔离了环境中的氧气和水份，对铜层起到良好的保护作用，极大地提高了铜层抗氧化的能力。具有良好的耐湿抗潮性，防止铜面氧化，对于采用免洗型助焊剂与焊膏的通孔及 SMT 焊垫上皆有良好的搭配性，即使是历经多次的热循环过程亦有良好的表现。
3.本发明提供了一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，该方法使用充氮烘箱进行退火工艺，在去除锡层内应力的同时又有效的防止铜层在高温下出现氧化变色异常。
4.本发明提供了一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，该方法适用于所有带有DBC散热面的功率模块产品。
5.本发明提供一种治具，该治具适用于有DBC散热系统的所有功率模块产品，使用该发明治具进行产品的装取和烘烤，有效减少了倒换弹夹次数，防止产品散热片与塑封体损伤，从而保证了产品锡化后镀层的防护。
附图说明
图1为本发明实施例中治具结构示意图。
附图标记如下：
1-框架主体，2-支撑条，3-格挡条。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，下面所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下结合附图提供的本申请实施例的详细描述旨在仅仅表示本申请的选定实施例，并非限制本申请要求保护的范围。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本申请保护的范围。
需要理解的是，在本发明的实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”、等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。
在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的实施方式中的具体含义。
实施例1
本实施例提供了一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将功率模块产品装入治具中，所述功率模块产品在装入所述治具中时一正一反进行插入放置，使得相邻两条所述功率模块产品DBC部位互相正对放置。
步骤一中，采用的治具为针对方法特制的治具，将功率模块产品装入治具中时，将功率模块产品一正一反进行插入放置，保证每两条产品的DBC部位互相正对放置，防止后续传递过程中出现DBC部位和塑封体蹭划伤异常。DBC部位指产品的散热区域，一般功率模块产品的散热底材为铜材，是不上锡区域。
步骤二、将装有功率模块产品的所述治具放入第一溶液中进行热煮软化，去除所述功率模块产品DBC部位的溢料和油脂。
步骤二也称为去溢料环节，去溢料环节使用第一溶液热煮浸泡功率模块产品时，将功率模块产品与治具一同进行热煮，减少倒换弹夹次数。热煮结束后使用气枪吹干功率模块产品表面残留的水渍。
步骤三、将热煮软化后的所述功率模块产品转移至环形高速锡化线上料机处，产品上料后传送至第二溶液中进行电解除油，传送所述功率模块产品采用钢带传送。
步骤三通过第二溶液去除功率模块产品DBC部位的溢料和油脂，将功率模块产品通过钢带传送至第二溶液中进行电解除油。
步骤四、将电解除油后的所述功率模块产品传送至第三溶液中进行去氧化处理。
通过步骤四去除功率模块产品的金属表面的氧化层，有缓释效果，避免功率模块产品的金属表面出现过度腐蚀和发黑现象。
步骤五、将进行去氧化处理后的所述功率模块产品传送至第四溶液中进行润湿。
通过步骤五防止漂洗水带入镀液中，产品进入电镀前的润湿，用第四溶液进行活化钢带，防止钢带钝化，同时保护前处理干净的DBC部位表面，为后面步骤做准备工作。
步骤六、将润湿后的所述功率模块产品传送至第五溶液中，在所述功率模块产品的引线框架表面电镀一层锡。
步骤六为锡化步骤，功率模块产品利用电化学原理, 在引线框架的表面电镀一层锡 (Sn)，达到增加可焊性、防止引线框架上散热片和管脚的铜材氧化及满足外观的要求。同时利用锡化液的弱酸性，可以防止前处理阶段处理干净的DBC部位表面沾污或氧化，为下一步使用做准备工作。
步骤七、将引线框架表面电镀一层锡的所述功率模块产品传送至第六溶液中进行锡层保护，所述第六溶液为中和液。
步骤七为锡化后的后处理工艺，为了获取一个良好的锡层主要防止锡层在高温高湿条件下氧化变色或出现锡须异常。
步骤八、将通过中和液的所述功率模块产品传送至第七溶液中进行浸泡，浸泡一段时间后在所述功率模块产品DBC部位表面形成均匀、极薄、透明的有机涂覆层。
第七溶液为铜保护剂稀释液，该步骤使用稀释至15～25%的铜保护剂溶液，第七溶液的pH为6～8，在20～40℃下浸泡产品10s～20s，在功率模块产品DBC部位表面快速形成均匀、极薄、透明的有机涂覆层，达到防氧化、耐热冲击、耐湿，用以保护铜表面于常态环境中不生锈、氧化、硫化等作用，且在后续的焊接高温中，此种保护膜又必须很容易被助焊剂迅速清除，使铜表面得以在极短时间内与熔融焊锡结合成为牢固的焊点。
铜保护剂为有机铜保护剂，作用机理为：其本质是在铜和空气间充当阻隔层；其工艺为：在裸铜表面上，以化学的方法长出一层有机皮膜，这层膜具有防氧化、耐热冲击、耐湿，用以保护铜表面于常态环境中不生锈、氧化、硫化等作用；但在后续的焊接高温中，此种保护膜又必须很容易被助焊剂迅速清除，使铜表面得以在极短时间内与熔融焊锡结合成为牢固的焊点。
步骤九、将形成有机涂覆层的所述功率模块产品进行烘干。
步骤十、将烘干后的所述功率模块产品再次装入治具中，所述功率模块产品在装入所述治具中时一正一反进行插入放置，使得相邻两条所述功率模块产品DBC部位互相正对放置。
所述功率模块产品进行烘干后下料，将功率模块产品从治具中取出，对每个产品进行检验，检验合格后的产品继续装入该治具。将功率模块产品装入该治具中的方法与步骤一相同。
步骤十一、将装有功率模块产品的所述治具转入充氮烘箱进行退火，退火工艺参数为：升温、降温时长以及恒温时长均为1h，恒温温度为150℃；起始、结束温度均为40℃。
步骤十一中，利用高温条件烘干功率模块产品，除去产品表面水分，同时消除锡层内应力，提高产品可靠性；使用充氮烘箱进行退火工艺主要是有效防止DBC部位在高温下出现氧化变色异常；退火工艺条件：升降温时长以及恒温时长均为1H，恒温温度为150℃，起始、结束温度均为40℃。
本发明采用的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法包括化学浸泡除油、电解除油、水洗、去氧化、预浸、锡化、中和、铜保护、烘干、检验、退火等工艺步骤，采用的治具可以使得功率模块产品在热煮去溢料过程中可以充分与热煮软化液接触，保证去溢料效果最大化，防止去溢料过程中使用原有传递弹夹时被药水腐蚀；热煮软化后可以直接使用气枪吹去热煮软化液产品表面的水滴，可以实现取消甩干环节；锡化后使用该治具进行检验环节（步骤十）和退火环节（步骤十一），有效减少了倒换弹夹次数，防止产品散热片与塑封体损伤，从而保证了产品锡化后镀层的防护。同时，该方法与传统方法相比还具有成本低、效率高、废液易处理、无毒环保无污染的优点，用此工艺制作出的铜层具有防变色效果好、抗氧化效果好、不绝缘和使用寿命长的优点。
可选的，步骤二中，去除所述功率模块产品DBC部位的溢料和油脂时，所述第一溶液的温度为97℃。
可选的，步骤三中，所述钢带为高速环形锡化线的传送钢带，步骤三采用高速环形锡化线第一个工艺槽。
步骤三至步骤九均在所述高速环形锡化线上的工艺槽中进行，每个工艺槽上均设置有“吹干—喷淋—水洗—喷淋—吹干”流程，通过工艺槽的“吹干—喷淋—水洗—喷淋—吹干”流程，可以防止不同药水的交叉污染以及不必要的药水浪费，实现成本的管控。步骤三至步骤九中，每个步骤完成后均需要通过工艺槽的“吹干—喷淋—水洗—喷淋—吹干”流程。步骤三至步骤九过程中，功率模块产品在环形高速锡化线进行加工，加工过程中所述功率模块产品与所述治具是分开状态；步骤一、二、十、十一过程中，所述功率模块产品位于治具中完成产品的加工。
可选的，步骤二中，所述第一溶液为热煮软化液，将装有功率模块产品的所述治具放入第一溶液中进行热煮软化同时，通过超声波仪器进行超声波脱脂，进行超声波脱脂时间为1h。
可选的，步骤三中，所述第二溶液为电解液，所述电解液的浓度为120～250g/L，通过所述电解液进行电解除油时的电解电流为10A，温度为45℃。
可选的，步骤四中，所述第三溶液为去氧化液，所述去氧化液的浓度为30～80g/L。
可选的，步骤五中，所述第四溶液为预浸液，所述预浸液的浓度为60～120g/L；
步骤六中，所述第五溶液为电镀液，所述电镀液的浓度为150～250g/L；
步骤七中，所述第六溶液为中和液，所述中和液的浓度为80～120 g/L。
可选的，步骤九中，所述功率模块产品进行烘干时的烘干温度为110℃，烘干时间为5s～10s，确保功率模块产品产品表面的镀锡层及DBC部位干燥洁净。
本实施例中，由于中和液是酸性药水，酸性中和液会对铜保护剂有一定的影响，影响铜保护剂的效果持续时间，减弱铜保护剂的作用效果。因此先通过高速环形锡化线的传送钢带将功率模块产品传送至装有中和液的工艺槽中进行锡层保护，再通过钢带将功率模块产品传送至装有铜保护剂稀释液工艺槽中进行浸泡，使得铜保护剂的效果持续时间更长。
实施例2
图1为本实施例提供的一种治具，应用于上述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，该治具包括方形的框架主体1，所述框架主体1底部沿长度方向设置有多个支撑条2，所述支撑条2上沿宽度方向设置有至少一列格挡条3。
相邻所述格挡条3之间的间距相等，所述格挡条3的长度不超过所述功率模块产品的长度，且相邻所述格挡条3之间的间距与功率模块产品的厚度相适配。实际使用过程中，可以根据不同功率模块产品的尺寸设计相应的治具尺寸。
方形的框架主体1的宽度超过所述功率模块产品的长度。使用时，将功率模块产品一正一反进行插入相邻两个格挡条3中，直至所有格挡条3中均插入功率模块产品，相邻两条所述功率模块产品DBC部位互相正对放置。框架主体1周侧为镂空设计，底部的相邻支撑条2之间存在间隙。
该治具的材质为可以有效防止药水腐蚀的材质，每个治具最多可以装42条功率模块产品。通过该治具使得功率模块产品在热煮去溢料过程中可以充分与药水接触，保证去溢料效果最大化；防止去溢料过程中使用原有传递弹夹时被药水腐蚀；热煮软化后可以直接使用气枪吹去产品表面的水滴，可以取消传统的甩干环节；锡化后使用该治具进行检验环节和退火环节（即步骤十一），即保证产品散热片与塑封体不受损伤，又保证了产品锡化后镀层的防护。该治具以及上述方法适用于所有带有散热面的功率模块产品。
以上所述，仅为本申请的最优具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将功率模块产品装入治具中，所述功率模块产品在装入所述治具中时一正一反进行插入放置，使得相邻两条所述功率模块产品DBC部位互相正对放置；
步骤二、将装有功率模块产品的所述治具放入第一溶液中进行热煮软化，去除所述功率模块产品DBC部位的溢料和油脂；
步骤三、将热煮软化后的所述功率模块产品传送至第二溶液中进行电解除油，传送所述功率模块产品采用钢带进行传送；
步骤四、将电解除油后的所述功率模块产品传送至第三溶液中进行去氧化处理；
步骤五、将进行去氧化处理后的所述功率模块产品传送至第四溶液中进行润湿；
步骤六、将润湿后的所述功率模块产品传送至第五溶液中，在所述功率模块产品的引线框架表面电镀一层锡；
步骤七、将引线框架表面电镀一层锡的所述功率模块产品传送至第六溶液中进行锡层保护，所述第六溶液为中和液；
步骤八、将通过中和液的所述功率模块产品传送至第七溶液中进行浸泡，浸泡一段时间后在所述功率模块产品DBC部位表面形成均匀、极薄、透明的有机涂覆层；
步骤九、将形成有机涂覆层的所述功率模块产品进行烘干；
步骤十、将烘干后的所述功率模块产品再次装入治具中，所述功率模块产品在装入所述治具中时一正一反进行插入放置，使得相邻两条所述功率模块产品DBC部位互相正对放置；
步骤十一、将装有功率模块产品的所述治具转入充氮烘箱进行退火，退火工艺参数为：升温、降温时长以及恒温时长均为1h，恒温温度为150℃，起始、结束温度均为40℃。
2.根据权利要求1所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤二中，去除所述功率模块产品DBC部位的溢料和油脂时，所述第一溶液的温度为97℃。
3.根据权利要求1所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤三中，所述钢带为高速环形锡化线的传送钢带；
步骤三至步骤九均在所述高速环形锡化线上的工艺槽中进行，每个工艺槽均设置有“吹干—喷淋—水洗—喷淋—吹干”流程。
4.根据权利要求1所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤二中，将装有功率模块产品的所述治具放入第一溶液中进行热煮软化同时，通过超声波仪器进行超声波脱脂，进行超声波脱脂时间为1h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤三中，所述第二溶液为电解液，所述电解液的浓度为120～250g/L，通过所述电解液进行电解除油时的电解电流为10A，温度为45℃。
6.根据权利要求1-4任一项所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤四中，所述第三溶液为去氧化液，所述去氧化液的浓度为30～80g/L。
7.根据权利要求1-4任一项所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤五中，所述第四溶液为预浸液，所述预浸液的浓度为60～120g/L；
步骤六中，所述第五溶液为电镀液，所述电镀液的浓度为150～250g/L；
步骤七中，所述第六溶液为中和液，所述中和液的浓度为80～120 g/L。
8.根据权利要求1-4任一项所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤八中，所述第七溶液为铜保护剂稀释液，将所述功率模块产品浸泡至浓度稀释至15～25%的铜保护剂原液中，所述铜保护剂稀释液的pH为6～8，温度为20～40℃，浸泡时间为10s～20s。
9.根据权利要求3所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于，步骤九中，所述功率模块产品进行烘干时的烘干温度为110℃，烘干时间为5s～10s；
步骤三至步骤九均在所述高速环形锡化线上的工艺槽中进行，步骤三至步骤九过程中，所述功率模块产品将在环形高速锡化线进行加工，加工过程中所述功率模块产品与治具是分开状态；
步骤一、二、十、十一过程中，所述功率模块产品位于治具中完成产品的加工。
10.一种治具，应用于如权利要求1-9任一项所述的防止功率模块电镀后DBC部位变色的方法，其特征在于：
包括方形的框架主体，所述框架主体底部沿长度方向设置有多个支撑条，所述支撑条上沿宽度方向设置有至少一列格挡条；
相邻所述格挡条之间的间距相等，所述格挡条的长度不超过所述功率模块产品的长度，且相邻所述格挡条之间的间距与所述功率模块产品的厚度相适配；
所述框架主体的宽度超过所述功率模块产品的长度。
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