CN117444340A - 一种共晶焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种共晶焊方法，它包括以下步骤：共晶焊工装的组装、将共晶焊工装放入共晶焊工艺腔室内，工艺腔室内抽真空、充氮气、真空共晶焊炉继续加热，并抽真空、真空共晶焊炉继续加热，停止抽真空，再次充氮气、真空共晶焊炉停止充氮气，开始降温、真空共晶焊炉程序运行结束后，打开工艺腔室舱盖，取出已完成共晶焊接的芯片。本发明提供的方法克服了现有技术焊料片表层氧化导致焊接面出现氧化渣滓的问题，缩短了共晶时间，具有可靠性高、成品率高以及成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及厚膜混合电路组封装共晶焊技术领域，具体是一种共晶焊方法。
背景技术
厚膜混合电路组封装包含多个工艺步骤，其中芯片与热沉之间的焊接是一个关键步骤，传统的工艺方法是采用导电胶粘接或常规焊片共晶焊。导电胶粘接后电阻率大、导热系数小，管芯、热沉热阻大，结温高，功率输出受限，造成电阻组件性能指标和可靠性下降，无法满足军用混合电路组件的组装要求。常规焊片共晶焊时，需要在芯片表面施加一定重量的配重，操作步骤复杂，配重容易造成管芯表面划伤，影响产品的成品率和加工效率。
随着微电子技术的发展，在军用电子器件、组件进一步向高功率、高密度的方向发展，共晶焊接因其高导热、低功耗的特点逐渐成为元件组装的趋势。共晶焊接一般采用以下几种设备实现：带有吸嘴和镊子的手动共晶焊机；红外再流焊炉以及真空共晶炉。采用手动共晶焊接因是在空气环境下进行，容易产生空洞，空洞直接导致散热性能降低，造成电路性能及可靠性的降低；采用手动共晶焊接方式进行多芯片共晶时，芯片重复受热，焊料多次融化易使焊接面氧化，严重影响芯片的寿命和性能。采用红外再流焊炉进行的共晶焊接需要使用助焊剂，会产生助焊剂污染，需增加清洗工艺，如清洗不彻底将导致电路长期可靠性指标降低。真空共晶已成为大面积芯片、高功率芯片、多芯片高可靠共晶焊接的首选方法。通过真空共晶炉制造真空环境，阻止了焊料氧化，减少了焊接空洞；还能实现多芯片同时共晶。
目前真空焊接广泛使用的办法是：首先对真空共晶炉的工艺腔室内抽真空，然后工艺腔室内加热至共晶温度，保温一段时间后通入氮气冷却至常温。这样作的缺点是：一、因共晶焊接用的焊料片在生产、储运过程已部分氧化，因此在真空共晶焊接时会产生氧化渣滓；二、工艺腔室内一直处于真空状态，其加热效率很低，焊料处于熔融状态的时间比较长，容易造成过焊和加速芯片老化导致失效。
发明内容
本发明就是为克服现有技术中不足，提供一种共晶焊方法。
本申请提供以下技术方案：
一种共晶焊方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1: 共晶焊工装的组装，在传热底板上放置热沉定定位板，在热沉定位板上均布有一组热沉片；在热沉定定位板上覆盖有芯片定位板，在芯片定位板上均布有一组焊片，每片焊片下表面与对应的热沉片接触，每片焊片上表面上均放置有芯片；
S2、将装配好的共晶焊工装和放入共晶焊工艺腔室内，并关闭真空共晶炉工艺腔室的舱盖；
S3、工艺腔室内抽真空、充氮气，反复2次；
S4、真空共晶炉内的石英灯管加热工艺腔室到共晶焊预热温度，可根据焊料规格设置梯度加热曲线；
S5、真空共晶焊炉继续加热，并抽真空，从而将热沉和芯片间的助焊剂抽出，；
S6、真空共晶焊炉继续加热，停止抽真空，开始充氮气，使焊料充分回流，保证芯片和热沉能够充分焊接；
S7、真空共晶焊炉停止充氮气，开始降温；
S8、待真空共晶焊炉程序运行结束后，打开工艺腔室舱盖，取出已完成共晶焊接的芯片组件；
所述共晶焊工装，包括传热底板，在传热底板上均布有一组定位销，在一组定位销（2）上依次穿设有一块热沉定位板和芯片定位板，在热沉定位板上均布有一组热沉定位孔，在芯片定位板上均布有一组芯片定位孔，所述热沉定位孔与芯片定位孔为对应分布。
在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步的技术方案：
所述的热沉定位孔为矩形，热沉定位孔的深度与热沉片的厚度相同，使得热沉片放入热沉定位孔后热沉片的上表面与热沉定定位板上表面共面。
所述的焊片为合金，合金成分为Sn62Pb36Ag2，焊片厚度0.1mm。
所述的芯片定位孔面积小于热沉定位孔的面积。
所述步骤S1中芯片、焊片、热沉片为同轴分布。
所述热沉片为铜质。
所述S4步骤中共晶焊温度为共晶焊温度160℃，升温速度40±20℃/min，并保温150～240秒。
所述S5步骤中继续加热，达到焊接温度230±5℃，升温速度60±10℃/min，并保持20秒，所述抽真空20～40秒。
所述S6步骤中充氮气10～20秒。
发明优点：
本发明提供的方法克服了现有技术焊料片表层氧化导致焊接面出现氧化渣滓的问题，缩短了共晶时间，具有可靠性高、成品率高以及成本低的特点。其焊透率达到95%以上，成品率100%。
附图说明
图1是共晶焊工装的组装时的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种共晶焊方法，它包括以下步骤：S1: 共晶焊工装的组装，所述共晶焊工装，包括方形的传热底板1，在传热底板1上均布有四个竖直向上延伸出的分布的定位销2。
设置一块热沉定位板3，在热沉定位板3设有一组与定位销2对应配合的第一定位插孔3b，在定位插孔3b内侧的热沉定位板3上均布有一组热沉定位孔3a。所述的热沉定位孔3a为矩形，热沉定位孔3a的深度与其后放入的热沉片5的厚度相同，使得热沉片5放入热沉定位孔3a后热沉片5的上表面与热沉定位板3上表面共面。
在热沉定位板3上方再设置一块芯片定位板4，芯片定位板4大小和外形与热沉定位板3对应。在芯片定位板4上设有一组与定位销2对应配合的第二定位插孔4b，在第二定位插孔4b内侧的芯片定位板4上均布有一组芯片定位孔4a，芯片定位孔4a与热沉定位孔3a一一对应分布。芯片定位孔4a的外形与其后放入的芯片7和焊片6的外形相对应。芯片定位孔4a的开孔端的面积小于热沉定位孔3a。
所述的传热底板1、定位销2、热沉定位板3和芯片定位板4均采用常规氧化铝陶瓷制成。
将热沉定位板3安装到传热底板1上后在每个热沉定位孔3a内放置有一片铜质的热沉片5，而后再将芯片定位板4穿套在定位销2上使得芯片定位板4的下表面与热沉定位板3的上表面接触。而后再每个芯片定位孔4a内放置一片焊片6，焊片6为外购由合金制成合金成分为Sn62Pb36Ag2，且焊片6上、下表面还预涂有助焊剂，助焊剂为现有技术中常规焊膏。在每块焊片6上还放置有一块待共晶焊的芯片7，即完成共晶焊工装的组装，这时芯片7、焊片6和热沉片5成上中下同轴分布。
S2、将装配好的共晶焊工装和放入共晶焊工艺腔室内，并关闭真空共晶炉工艺腔室的舱盖。
S3、工艺腔室内抽真空、充氮气，反复2次；
S4、内的石英灯管加热工艺腔室到预热温度160℃（升温速度40±20℃/min），并保温150～240S，可根据焊料规格设置梯度加热曲线。
S5、真空共晶焊炉继续加热，达到焊接温度230±5℃，升温速度60±10℃/min，并保持20S，并抽真空20S，从而将热沉和芯片间的助焊剂抽出。
S6、真空共晶焊炉继续加热，停止抽真空，再次开始充氮气15S，使焊料充分回流，从而保证芯片和热沉能够充分焊接；
S7、真空共晶焊炉停止充氮气，开始降温；
S8、待真空共晶焊炉程序运行结束后，打开工艺腔室舱盖，取出已完成共晶焊接的芯片组件。
通过上述方法与步骤所共晶焊接的芯片组件即焊接在一起的芯片7和焊片6，其焊接成品率100%、焊接空洞率达到5%以内。
Claims (9)
1.一种共晶焊方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1: 共晶焊工装的组装，在传热底板上放置热沉定定位板，在热沉定定位板上均布有一组热沉片（5）；在热沉定定位板上覆盖有芯片定位板，在芯片定位板上均布有一组焊片（6），每片焊片下表面与对应的热沉片接触，每片焊片上表面上均放置有芯片（7）；
S2、将装配好的共晶焊工装放入共晶焊工艺腔室内，并关闭真空共晶炉工艺腔室的舱盖；
S3、工艺腔室内抽真空、充氮气，反复2次；
S4、真空共晶炉内的石英灯管加热工艺腔室到共晶焊预热温度，可根据焊料规格设置梯度加热曲线；
S5、真空共晶焊炉继续加热，并抽真空，从而将热沉和芯片间的助焊剂抽出，；
S6、真空共晶焊炉继续加热，停止抽真空，再次开始充氮气，使焊料充分回流，保证芯片和热沉能够充分焊接；
S7、真空共晶焊炉停止充氮气，开始降温；
S8、待真空共晶焊炉程序运行结束后，打开工艺腔室舱盖，取出已完成共晶焊接的芯片组件；
所述共晶焊工装，包括传热底板（1），在传热底板（1）上均布有一组定位销（2），在一组定位销（2）上依次穿设有一块热沉定位板（3）和芯片定位板（4），在热沉定位板（3）上均布有一组热沉定位孔（3a），在芯片定位板（4）上均布有一组芯片定位孔（4a），所述热沉定位孔（3a）与芯片定位孔（4a）为对应分布。
2.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述的热沉定位孔（3a）为矩形，热沉定位孔（3a）的深度与热沉片的厚度相同，使得热沉片放入热沉定位孔（3a）后热沉片的上表面与热沉定位板上表面共面。
3.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述的焊片为合金，合金成分为Sn62Pb36Ag2。
4.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述的芯片定位孔（4a）面积小于热沉定位孔（3a）的面积。
5.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述步骤S1中芯片、焊片、热沉片为同轴分布。
6.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述热沉片（5）为铜质。
7.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述S4步骤中共晶焊温度为共晶焊温度160℃，升温速度40±20℃/min，并保温150～240秒。
8.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述S5步骤中继续加热，达到焊接温度230±5℃，升温速度60±10℃/min，并保持20秒，所述抽真空20～40秒。
9.根据权利要求1中所述的一种共晶焊方法，其特征在于：所述S6步骤中充氮气10～20秒。
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