CN117564388A - 一种微波模块基片与腔体自动烧结方法及其烧结装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波模块基片与腔体自动烧结方法及其烧结装置，主要解决现有技术中的烧结效率低下、空洞多、锡量不均匀、质量不稳定等问题。其中，所述装置包括基于PLC控制器控制的烧结室，设置于烧结室下方的设备底柜，靠近设备底柜设置并与烧结室通过氮气管道相连的氮气罐。通过上述设计，本发明采用触摸屏将预热时间、预热温度、峰值时间、峰值温度、充氮气时间等参数进行程序化，避免人为设置参数错误从而导致产品质量不稳定。且本发明使用氮气，在焊接时无空气接触而产生氧化，提高焊接牢固性及焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及微波模块生产领域，具体地说，是涉及一种微波模块基片与腔体自动烧结方法及其烧结装置。
背景技术
随着微波技术发展，微波产品组装技术和工艺不断改进和发展，微波产品频率越来越高，对微波基片使用及要求也越来越多，微波基片与腔体烧结工艺应用也应得到提升，小批量生产可以应用手工方式，对于大批量生产手工操作方式带来很多的质量问题和效率问题。
目前，很多中小型企业微波模块基片与腔体的装配采用人工加热台烧结、导电胶粘接，导电胶粘接方式可靠性低、应用环境要求较高、应用限制较多，人工加热台烧结中效率低，质量不稳定、空洞率较高、对于大尺寸微波模块无法加工等诸多问题，由于微波模块腔体尺寸种类多、外形各导，模块基片与腔体的装配难度较大且烧结质量极为不稳定，严重时作为安装在基片上的所有器件可能报废，带来极大的损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波模块基片与腔体自动烧结方法及其烧结装置，主要解决现有技术中的烧结效率低下、空洞多、锡量不均匀、质量不稳定等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种微波模块基片与腔体自动烧结方法，包括以下步骤：
S1，将腔体和微波模块基片、锡铅焊接材料使用无水乙醇清洗并干燥待用；
S2，将锡铅焊接材料放在腔体上，将微波模块基片放在焊接材料上，并将压块放在微波模块基片上面，将腔体盖板装上并使用螺钉固定；
S3，利用腔体烧结夹具将微波模块基片与腔体固定，并放入烧结室；
S4，设定烧结室的烧结参数，并形成烧结温度曲线；
S5，自动控制的烧结室通过真空泵将烧结炉室空气抽走，真空泵工作3~5分钟；
S6，烧结室的氮气控制电磁阀打开烧结室充入氮气、并保持2~3分钟；
S7，烧结室的氮气控制电磁阀关闭，加热台开始加热，温度将达到预热180℃，并保持2~3分钟；
S8，烧结室的加热台继续加热，温度将达到烧结280℃，并保持3~4分钟；
S9，烧结时间达到设置时间后，加热台停止工作，风扇开始工作，工作时间10~20分钟；
S10，冷却结束后，托盘将焊接后的模块送出，完成烧结。
进一步地，在所述步骤S4中，烧结参数由排气时间、充氮气时间、预热温度、预热时间、烧结温度、烧结时间、冷却时间组成；其中，烧结参数由触摸屏输入并保存在自动控制的烧结室的PLC控制器中；具体设定的参数内容包括：
排气时间设置范围3~5分钟；
充氮气时间设置范围2~3分钟；
预热温度设置范围170℃~180℃、预热时间设置范围2~3分钟；
烧结温度设置范围280℃~290℃、烧结时间设置范围3~4分钟；
冷却时间设置范围10~20分钟。
基于上述方法，本发明还提供一种微波模块基片与腔体自动烧结装置，包括基于PLC控制器控制的烧结室，设置于烧结室下方的设备底柜，靠近设备底柜设置并与烧结室通过氮气管道相连的氮气罐。
进一步地，在本发明中，所述烧结室的左上角设置有温度传感器，烧结室的左下方设置有真空电磁阀，烧结室的右上方设置有氮气控制电磁阀，烧结室的右下方设置有氮气传感器；所述烧结室的中部从下至上依次设置有底部风扇、底部加热管、托盘、夹持工装、顶部加热管和顶部风扇。
进一步地，在本发明中，所述设备底柜的左边设置有与真空电磁阀通过真空管道连通的真空泵，设备底柜的外部中上位置设置有触摸屏，触摸屏下方设置有电气柜，设备底柜的外部右上方位置设置有开关，开关的下方内部设置有PLC控制器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明采用触摸屏将预热时间、预热温度、峰值时间、峰值温度、充氮气时间等参数进行程序化，避免人为设置参数错误从而导致产品质量不稳定。
（2）本发明设置使用氮气，在焊接时无空气接触而产生氧化，提高焊接牢固性，增加焊接质量。
（3）本发明设置使用真空焊接环境，在焊接时减少焊接空洞，增加焊接强度。
（4）本发明设置使用夹持工装，可满足多品种和多尺寸的微波模块，增加焊接应用范围。
（5）本发明自动化、操作便捷、提高效率和质量、安全、降低生产成本等优点，在微波模块生产领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
图1为本发明方法的流程结构示意图。
图2为本发明装置的结构示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-烧结室，2-设备底柜，3-氮气罐，4-氮气控制电磁阀，5-氮气管道，6-氮气传感器，7-温度传感器，8-真空电磁阀，9-真空管道，10-顶部风扇，11-顶部加热管，12-夹持工装，13-托盘，14-底部加热管，15-底部风扇，16-真空泵，17-电气柜，18-PLC控制器，19-触摸屏，20-开关。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1所示，本发明公开的一种微波模块基片与腔体自动烧结方法，本实施例中，烧结过程使用的焊料为Sn63Pb37合金片，烧结实际为软钎焊过程，必备的钎焊条件主要有两个方面：一，被焊接物表面必须洁净（无氧化层或异物）；二，熔化的焊接必须被充分浸润，然后充分流动并完全堵塞于金属接合面之间，同时形成具有一定强度、并有着良好润湿角的焊点。
烧结过程分为：预热阶段、恒温阶段、焊接阶段、冷却阶段。
首先在预热阶段，对腔体、基片、合金片提供过渡热。避免快速温升对合金片里的助焊剂产生不良影响。
恒温阶段，合金片合金片里的助焊剂对基片和腔体上的氧化物、油污、极性污染物进行活化和去除。
微波模块基片材料为铜及表面镀镍金、腔体材料为铝及表面镀镍金，焊接材料为固体片状的锡铅合金，当锡铅合金材料温度达到熔点时，锡铅合金由固体转变为液体，并与微波模块基片和腔体材料发生化学反应，反应化学式如下：
Sn63Pb37+NiAu+O2=SnNi+SnAu+SnO2+ SnNi O2。
经过高温焊接后微波模块基片和腔体形成合金连接，由于合金有氧化物降低焊接可靠性和连接强度。
进一步地，焊接过程氮气保护原理如下：
Sn63Pb37+NiAu+N2= SnNi+SnAu。
经过高温焊接后微波模块基片和腔体形成合金连接，由于焊接过程处理氮气保护下，焊接经过高温没有氧化和形成氧化物，故形成可靠的合金连接。
本实施例中的加热PID控制算法如下：
取采样转换值NX
取设定值
将NX和初值转化成双字节整数
计算e(k)=Ui(k)-ut
计算△Pp(k)=Kp*(e(k)-e(k-1))
计算△Pi(k)=Ki*e(k)
计算△Pd(k)=Kd*[e(k)-2*e(k-1)+e(k-2)]
计算△P(k)=△Pp(k)+△Pi(k)+△Pd(k)
P(k)=△P(k)+p(k-1)
式中Ui(k)为控制量，ut为控制器输出，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Pp(k) 、Pi(k)、Pd(k) 、P(k)均为目标参数；e(k-2) e(k-1) e(k)均为控制器偏差。
冷却阶段，焊接结束后加热管停止加热，风扇工作对腔体进行散热。冷却速率控制在＜3℃/秒。防止冷却速率过快形成的合金晶粒较大。
具体的操作方法包括以下步骤：
S1，将腔体和微波模块基片、锡铅焊接材料使用无水乙醇清洗并干燥待用。
S2，将锡铅焊接材料放在腔体上，将微波模块基片放在焊接材料上，并将压块放在微波模块基片上面，将腔体盖板装上并使用螺钉固定。
S3，利用腔体烧结夹具将微波模块基片与腔体固定，并放入烧结室。
S4，设定烧结室的烧结参数，并形成烧结温度曲线；其中，烧结参数由排气时间、充氮气时间、预热温度、预热时间、烧结温度、烧结时间、冷却时间组成；其中，烧结参数由触摸屏输入并保存在自动控制的烧结室的PLC控制器中；具体设定的参数内容包括：
（a）排气时间设置范围3~5分钟；
（b）充氮气时间设置范围2~3分钟；
（c）预热温度设置范围170℃~180℃、预热时间设置范围2~3分钟；
（d）烧结温度设置范围280℃~290℃、烧结时间设置范围3~4分钟；
（e）冷却时间设置范围10~20分钟。
S5，自动控制的烧结室通过真空泵将烧结炉室空气抽走，真空泵工作3~5分钟。
S6，烧结室的氮气控制电磁阀打开烧结室充入氮气、并保持2~3分钟。
S7，烧结室的氮气控制电磁阀关闭，加热台开始加热，温度将达到预热180℃，并保持2~3分钟。
S8，烧结室的加热台继续加热，温度将达到烧结280℃，并保持3~4分钟。
S9，烧结时间达到设置时间后，加热台停止工作，风扇开始工作，工作时间10~20分钟。
S10，冷却结束后，托盘将焊接后的模块送出，完成烧结。
如图2所示，基于上述方法，本实施例还公开了一种微波模块基片与腔体自动烧结装置，包括基于PLC控制器控制的烧结室1，设置于烧结室1下方的设备底柜2，靠近设备底柜2设置并与烧结室1通过氮气管道5相连的氮气罐3。其中，氮气罐3用于向烧结室1提供氮气。
在本实施例中，所述烧结室1的左上角设置有温度传感器7，烧结室1的左下方设置有真空电磁阀8，烧结室1的右上方设置有氮气控制电磁阀4，烧结室1的右下方设置有氮气传感器6；所述烧结室1的中部从下至上依次设置有底部风扇15、底部加热管14、托盘13、夹持工装12、顶部加热管11和顶部风扇10。使用时，将微波模块基片和腔体放在夹持工装12上面，并放置在托盘13上面。利用底部加热管14和顶部加热管11的加热作用实现烧结，底部风扇15和顶部风扇10用于在冷却阶段提供风冷。真空电磁阀8用于控制烧结室内的排气，氮气控制电磁阀4及氮气传感器6用于控制烧结室内的氮气浓度控制。
在本实施例中，所述设备底柜2的左边设置有与真空电磁阀8通过真空管道9连通的真空泵16，设备底柜2的外部中上位置设置有触摸屏19，触摸屏19下方设置有电气柜17，设备底柜2的外部右上方位置设置有开关20，开关20的下方内部设置有PLC控制器18。其中，真空泵16用于提供真空排气的动力，触摸屏19用于实现烧结参数设置，电气柜17、开关20、PLC控制器18用于整体实现烧结装置的真空控制。
通过上述设计，本发明采用触摸屏将预热时间、预热温度、峰值时间、峰值温度、充氮气时间等参数进行程序化，避免人为设置参数错误从而导致产品质量不稳定。且本发明使用氮气，在焊接时无空气接触而产生氧化，提高焊接牢固性，增加焊接质量。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种微波模块基片与腔体自动烧结方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将腔体和微波模块基片、锡铅焊接材料使用无水乙醇清洗并干燥待用；
S2，将锡铅焊接材料放在腔体上，将微波模块基片放在焊接材料上，并将压块放在微波模块基片上面，将腔体盖板装上并使用螺钉固定；
S3，利用腔体烧结夹具将微波模块基片与腔体固定，并放入烧结室；
S4，设定烧结室的烧结参数，并形成烧结温度曲线；
S5，自动控制的烧结室通过真空泵将烧结炉室空气抽走，真空泵工作3~5分钟；
S6，烧结室的氮气控制电磁阀打开烧结室充入氮气、并保持2~3分钟；
S7，烧结室的氮气控制电磁阀关闭，加热台开始加热，温度将达到预热180℃，并保持2~3分钟；
S8，烧结室的加热台继续加热，温度将达到烧结280℃，并保持3~4分钟；
S9，烧结时间达到设置时间后，加热台停止工作，风扇开始工作，工作时间10~20分钟；
S10，冷却结束后，托盘将焊接后的模块送出，完成烧结。
2.根据权利要求1所述的一种微波模块基片与腔体自动烧结方法，其特征在于，在所述步骤S4中，烧结参数由排气时间、充氮气时间、预热温度、预热时间、烧结温度、烧结时间、冷却时间组成；其中，烧结参数由触摸屏输入并保存在自动控制的烧结室的PLC控制器中；具体设定的参数内容包括：
（a）排气时间设置范围3~5分钟；
（b）充氮气时间设置范围2~3分钟；
（c）预热温度设置范围170℃~180℃、预热时间设置范围2~3分钟；
（d）烧结温度设置范围280℃~290℃、烧结时间设置范围3~4分钟；
（e）冷却时间设置范围10~20分钟。
3.一种微波模块基片与腔体自动烧结装置，其特征在于，用于实现如权利要求1或2所述的微波模块基片与腔体自动烧结方法，包括基于PLC控制器控制的烧结室（1），设置于烧结室（1）下方的设备底柜（2），靠近设备底柜（2）设置并与烧结室（1）通过氮气管道（5）相连的氮气罐（3）。
4.根据权利要求3所述的一种微波模块基片与腔体自动烧结装置，其特征在于，所述烧结室（1）的左上角设置有温度传感器（7），烧结室（1）的左下方设置有真空电磁阀（8），烧结室（1）的右上方设置有氮气控制电磁阀（4），烧结室（1）的右下方设置有氮气传感器（6）；所述烧结室（1）的中部从下至上依次设置有底部风扇（15）、底部加热管（14）、托盘（13）、夹持工装（12）、顶部加热管（11）和顶部风扇（10）。
5.根据权利要求4所述的一种微波模块基片与腔体自动烧结装置，其特征在于，所述设备底柜（2）的左边设置有与真空电磁阀（8）通过真空管道（9）连通的真空泵（16），设备底柜（2）的外部中上位置设置有触摸屏（19），触摸屏（19）下方设置有电气柜（17），设备底柜（2）的外部右上方位置设置有开关（20），开关（20）的下方内部设置有PLC控制器（18）。
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