CN215118840U - 一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装，包括底板、定位销钉、垫块限位板、压力缓冲片、垫块、弹簧、顶板、卡槽、压力调节片；其特征在于，底板上设置有定位销钉，垫块限位板相同位置设置有垫块限位板定位孔，所述垫块限位板上设置有垫块定位孔，所述垫块定位孔中穿过垫块，所述垫块上表面设置有圆形凹槽，圆形凹槽中插入弹簧，下表面与压力缓冲片上表面接触，所述压力缓冲片位于垫块和功率器件之间，所述弹簧上方设置有顶板，所述顶板两端上方设置有压力调节片，顶板两端和底板两端嵌入凹字造型卡槽中，所述压力调节片位于卡槽上翼板和顶板两端之间。借助发明装置可实现纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件。

Description

一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装

技术领域

本发明涉及一种焊接工装，尤其涉及一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装。

背景技术

社会工业不断发展，大量能源消耗产生的废弃、废物等带来环境污染问题。新能源汽车具有油耗低，污染少，节能环保等优点，其发展受到国家政策的大力支持。碳化硅(SiC)属于第三代半导体材料，与传统硅材料相比具有耐压高，导热性好，功耗低的优势，在电动汽车领域的应用越来越广泛，逐步进军电动汽车车载充电器，转换器和逆变器。然而，SiC器件体积小，功率密度大，对封装散热提出了更高的要求。同时，由于单个SiC器件功率较小，往往需要多个器件并联使用，进一步加重了散热问题。传统的功率器件通过导热硅脂，导电胶等连接在水冷板上，由于连接材料热导率较低，器件散热受阻可能影响器件性能。

公布号为CN109370227B的中国发明专利申请所公开的一种导热硅脂，通过添加碳纳米管改善导热硅脂成分和结构提高热导率。公布号为CN212332095U的中国实用新型专利申请所公开的一种导热硅脂涂覆装置，通过特殊装置控制导热硅脂均匀涂抹在连接表面，改善导热效果。然而现有技术对散热材料的热导率提高有限，需采用新方法进一步改善散热性能。新型低温烧结银具有优异的导热性能，成为一种理想的散热连接材料。现有技术中低温烧结银主要应用于一级封装领域，即作为芯片连接材料使用。如专利公布号为CN107871675B的中国发明专利申请所公开的一种纳米银焊膏烧结制作功率模块方法，使用低温烧结银连接功率芯片和基板。专利公布号为CN109920755B的中国发明专利申请所公开的一种纳米银焊膏压力烧结夹具和方法，可实现多芯片加压烧结。然而，低温烧结银应用于二级封装，即作为散热材料连接器件和水冷板时，面积更大，所需压力更大，对焊膏烧结均匀性的要求更高。现有技术无法实现纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件，所以需要一种加压装置以及方法解决此问题。

发明内容

本发明提供一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装及方法，用以解决现有技术无法实现纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装，包括底板、定位销钉、垫块限位板、压力缓冲片、垫块、弹簧、顶板、卡槽、压力调节片；其特征在于，底板上设置有水冷板的定位销钉，垫块限位板相同位置设置有垫块限位板定位孔，所述垫块限位板上设置有垫块定位孔，所述垫块定位孔中穿过垫块，所述垫块上表面设置有圆形凹槽，圆形凹槽中插入弹簧，下表面与压力缓冲片上表面接触，所述压力缓冲片位于垫块和功率器件之间，所述弹簧上方设置有顶板，所述顶板两端上方设置有压力调节片，顶板两端和底板两端嵌入凹字造型卡槽中，所述压力调节片位于卡槽上翼板和顶板两端之间。

其中，所述垫块上表面设置有两个圆形凹槽，所述圆形凹槽的直径比弹簧外径大1-2mm，下表面设置有与器件接触的加压凸台。所述压力缓冲片材料为高温橡胶、高分子泡沫塑料等耐热软材料，厚度0.5-2mm。

用本发明的工装实现纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件的方法，先在器件底面印刷纳米银焊膏，印刷焊膏后将器件置于加热台上干燥，干燥温度优选120℃，干燥时间优选30min；干燥后在焊膏表面滴加溶剂润湿，将器件贴放到水冷板上指定区域；将纳米银焊膏连接的器件和水冷板置于加热台上干燥，干燥后将器件和水冷板放到底板上方，水冷板上的定位孔中插入底板的定位销钉固定；将压力缓冲片置于器件垂直上方；将垫块限位板固定在底座上，垫块限位板上的定位孔中插入底板的定位销钉；将垫块放入垫块限位板的垫块定位孔中，垫块下表面与压力缓冲片接触；将弹簧插入垫块上表面的圆形凹槽中；将顶板置于弹簧上方；将压力调节片置于顶板两端；从顶板垂直上方对顶板加压，使顶板下移到限定位置；将卡槽套在顶板和底板两端，压力调节片位于卡槽上方翼板和顶板两端之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

借助发明装置，通过顶板、压力调节片、弹簧、垫块和压力缓冲片对器件施加压力，能够实现纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件，同时采用双弹簧对单个器件加压，相比单个弹簧对单个器件加压，压力更加均匀；采用缓冲片调节压力，进一步提高压力均匀性；采用压力调节片调整压力大小，可以避免弹簧多次使用导致的压力变小问题。

附图说明

图1是本发明工装的主视局部剖视图；

图2是所示工装的底板结构示意图；

图3是所示工装的垫块限位板结构示意图；

图4是所示工装的垫块结构示意图；

图5是所示工装的底板和水冷板位置结构示意图；

图6是所示工装的底板、水冷板和器件位置结构示意图；

图7是所示工装的底板、水冷板、器件和缓冲片结构示意图；

图8是所示工装的底板、水冷板、器件、缓冲片和垫块限位板位置结构示意图；

图9是所示工装的无顶板、卡槽和压力调节片位置结构示意图；

图10是所示工装的主观结构示意图；

图11是该发明具体实施方式中采用的一种烧结温度曲线；

图中：1、底板，2、定位销钉3、水冷板，4、器件，5、压力缓冲片，6、垫块限位板，7、垫块，8、弹簧，9、顶板，10、压力调节片，11、卡槽，12、垫块限位板定位孔，13、垫块定位孔，14、器件电极通孔，15、圆形凹槽，16、加压凸台，17、水冷板连接凸台，18、器件电极，19、卡槽上翼板，20、卡槽下翼板。

具体实施方式

现在结合附图对本发明方案技术做进一步的说明，说明中相同的标号表示同一个零件。结合附图描述说明的实施例只是对本发明的示例性说明，不能解释为对本发明的限制。

本发明实例提供了一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装及方法。如图1所示，工装包括底板1、定位销钉2、压力缓冲片5、垫块限位板6、垫块7、弹簧8、顶板9、压力调节片10、卡槽11。底板1和定位销钉2用于固定水冷板3和器件4，垫块限位板6用于限定垫块7位置，压力缓冲片5、垫块7、弹簧8、顶板9、压力调节片10和卡槽11用于施加和调节压力。如图2所示，所述底板1上开设有定位销钉2，用于固定水冷板3和垫块限位板6，底板两端加高用于和卡槽11配合。所述垫块限位板结构如图3所示，其上开设有垫块限位板定位孔12，用于和定位销钉2配合，从而固定垫块限位板6，其上还开设垫块定位孔13和器件电极通孔14，垫块定位孔13用于限定垫块7位置，保证垫块7位于器件4和压力缓冲片5垂直上方，器件电极通孔14用于通过器件电极18，垫块限位板6四周加厚用于限定垫块限位板6垂直高度。所述垫块7结构如图4所示，垫块7上表面开设有圆形凹槽15，用于限定弹簧8位置，所述圆形凹槽15的直径比弹簧8外径大1-2mm，所述垫块7下表面设置有与器件接触的加压凸台16，用于和压力缓冲片5接触并对器件4加压。如图5所示，所述底板1上方固定有水冷板3，水冷板3上开设有用于和器件4连接的水冷板连接凸台17。如图6所示，所述水冷板连接凸台17上连接有器件4，器件两端为器件电极18。如图7所示，所示器件4垂直上方设置有压力缓冲片5，材料为高温橡胶、高分子泡沫塑料等耐热软材料，厚度0.5-2mm，位于器件4和垫块7之间，用于控制压力均匀。如图8所示，所述水冷板上方固定有垫块限位板6，垫块限位板定位孔12中通过定位销钉2，所述垫块限位板上开设有垫块定位孔13，位于器件垂直上方，用于固定垫块7位置，所述垫块限位板上还开设有器件电极通孔14，与器件电极位于同一垂直方向，器件电极18从中穿过。如图9所示，所述垫块定位孔13中穿过垫块7，所述垫块7上表面开设有圆形凹槽15，用于限定弹簧8空间位置，下表面开设有加压凸台16，用于和压力缓冲片5接触并对器件4加压，其中每个垫块7上开设两个圆形凹槽15，每个圆形凹槽15中插入一根弹簧8，且同一垫块7上的两根弹簧8对称放置，可避免单根弹簧由于加工或施压过程造成的弹簧轴线偏移导致的压力不均匀问题，从而进一步提高大面积器件烧结的压力均匀性。如图10所示，所述弹簧8垂直上方有凸字型顶板9，所述顶板9下表面与弹簧8上端接触，本发明采用多个顶板9和单个底板1配合的方式分散顶板8压力，避免单个顶板和单个底板配合方式中由于压力过大易造成顶板变形的问题，所述顶板9两端垂直上方设有压力调节片10，厚度0.5mm-1mm，通过放置数量不等的压力调节片10可调整弹簧8压缩距离进而调整装置压力，且可解决弹簧8多次使用导致的弹簧压力变小的问题，所述顶板9和底板1两端插入凹字形卡槽11中，所述卡槽11用于固定顶板9和底板1，保持压力的稳定，其中卡槽上翼板19和顶板9配合，卡槽下翼板20和底板1配合。

本发明技术方案中，通过外力对顶板9施加压力，使顶板9下移到限定位置，并用卡槽11固定顶板9和底板1，从而使弹簧8压缩压紧垫块7，再通过缓冲片5对器件表面产生一定压力作用。采用多个顶板9和单个底板1配合，对多个弹簧8施压，在保证同一顶板9下的器件4同步加压的同时，可避免单个顶板和单个底板配合方式中由于压力过大易造成顶板变形的问题。采用两根对称放置的弹簧8对单个垫块7加压，可避免单根弹簧由于加工或施压过程造成的弹簧轴线偏移导致的压力不均匀问题，同时采用在器件4和垫块7之间放置缓冲片5的方法，进一步控制大面积烧结压力均匀性，从而实现米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件。

实施例，使用发明装置完成纳米银焊膏压力辅助烧结连接一种SiC功率器件和水冷板，单个水冷板上有24个SiC功率器件，水冷板大小为260mm×102mm，水冷板上与SiC功率器件连接的面积大小为23.00mm×16.70mm，表面镀银，单个SiC功率器件的大小为29mm×18mm，器件下表面与水冷板连接的面积为23.00mm×16.70mm，表面镀银。使用发明加压装置，可以完成24个SiC功率器件与水冷板的加压烧结连接，实现低温烧结银作为二级封装散热材料的使用。

使用发明工装进行加压烧结时，主要步骤为：先在器件4底面印刷纳米银焊膏，印刷焊膏后将器件4置于加热台上干燥，干燥温度优选120℃，干燥时间优选30min；干燥后在焊膏表面滴加溶剂润湿，将器件4贴放到水冷板3的水冷板连接凸台17上；将纳米银焊膏连接的器件4和水冷板3置于加热台上干燥，干燥后将器件4和水冷板3放到底板1上方，水冷板3上的定位孔中穿过底板1的定位销钉2固定；将压力缓冲片5置于器件4垂直上方；将垫块限位板6固定在底板1上，垫块限位板6上的垫块限位板定位孔12中插入底板1的定位销钉2；将垫块7放入垫块限位板6的垫块定位孔13中，垫块7下表面与压力缓冲片5接触；将弹簧8插入垫块7上表面的圆形凹槽15中；将顶板9置于弹簧8上方；将压力调节片10置于顶板9两端；从顶板9垂直上方对顶板9加压，使顶板9下移到限定位置；将卡槽11套在顶板9和底板1两端，压力调节片10位于卡槽11上方翼板19和顶板9两端之间。装配完成后，放入热压机开始烧结，烧结时以4℃/min升温速率加热到200℃保温120min，烧结完成后随炉冷却，实施方式中的烧结曲线如图11所示。使用发明加压装置，可以完成多个个SiC功率器件与水冷板的加压烧结连接，实现低温烧结银作为二级封装散热材料的使用。

以上是结合附图对本发明的详细描述，但是上述实例只起示意作用，目的是更好的描述本发明，并不对发明产生限制作用。

Claims (3)

1.一种纳米银焊膏压力烧结多个大面积功率器件工装，包括底板、定位销钉、垫块限位板、压力缓冲片、垫块、弹簧、顶板、卡槽、压力调节片；其特征在于，底板上设置有水冷板的定位销钉，垫块限位板相同位置设置有垫块限位板定位孔，所述垫块限位板上设置有垫块定位孔，所述垫块定位孔中穿过垫块，所述垫块上表面设置有圆形凹槽，圆形凹槽中插入弹簧，下表面与压力缓冲片上表面接触，所述压力缓冲片位于垫块和功率器件之间，所述弹簧上方设置有顶板，所述顶板两端上方设置有压力调节片，顶板两端和底板两端嵌入凹字造型卡槽中，所述压力调节片位于卡槽上翼板和顶板两端之间。

2.如权利要求1所述的工装，其特征是所述垫块上表面设置有两个圆形凹槽，所述圆形凹槽的直径比弹簧外径大1-2mm，下表面设置有与器件接触的加压凸台。

3.如权利要求1所述的工装，其特征是所述压力缓冲片材料为高温橡胶、高分子泡沫塑料耐热软材料，厚度0.5-2mm。

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