一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，利用原材料表面1:1搪錫，實現(xiàn)空洞率小于5%的高釬焊率，屬于電子裝聯(lián)【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明采用SiC-Al復(fù)合材料功率外殼替代10#鋼外殼，降低產(chǎn)品重量；采用真空焊接代替再流焊接，采用焊片搪錫替代焊膏，有助于去除由于焊劑排出不及時造成的氣泡殘留，降低了界面空洞率，并且真空焊接后不需要再進行清洗焊劑；真空焊接時，厚膜基板和功率外殼之間不再加焊片，可以有效去除焊片表面氧化帶來的焊接空洞，通過對厚膜基板和功率外殼進行搪錫去除二者表面的氧化膜，得到潔凈的被焊表面，提高潤濕性能，焊接過程中排氣通道更加順暢。
【專利說明】一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，利用原材料表面1:1搪錫，實現(xiàn)空洞率小于5%的高釬焊率，屬于電子裝聯(lián)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著宇航功率電子產(chǎn)品不斷朝著小型化、輕量化發(fā)展，傳統(tǒng)的大功率模塊電源正在朝著厚膜模塊轉(zhuǎn)型。厚膜模塊是將傳統(tǒng)大功率模塊電源中的功率元器件(如功率MOS管)用裸芯片的方式替代，從而達到減小體積和重量的目的，而裸芯片對散熱的要求很高，因此需要將其安裝在厚膜陶瓷基板和功率外殼上，以形成良好的散熱通道。
[0003]大功率電 源產(chǎn)品功率密度高，傳輸電流大，要求實現(xiàn)功率芯片與基板之間，基板與功率外殼之間的無缺陷焊接，才能夠保證大電流的低電阻傳輸，同時為功率芯片的熱傳導(dǎo)提供良好的散熱通道。而厚膜基板與功率外殼焊接界面的空洞率一直是人民關(guān)注的焦點，空洞率過高將增加熱阻和縮小接頭承載面積，從而降低導(dǎo)熱性能和接頭強度。
[0004]隨著宇航產(chǎn)品對輕量化的要求，傳統(tǒng)的10#鋼功率外殼在重量方面往往不能滿足要求，采用新型的輕質(zhì)功率外殼成為發(fā)展方向。同時傳統(tǒng)的10#鋼與功率外殼焊接采用再流焊的工藝進行，其界面空洞率較大。從而對厚膜基板與輕質(zhì)功率外殼的焊接工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0007]本發(fā)明的一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，步驟為:
[0008](I)制作輕質(zhì)SiC-Al復(fù)合材料功率外殼，采用玻璃絕緣子實現(xiàn)引腳與外殼基體的絕緣。
[0009](2)制作大小相同的兩塊焊片。
[0010](3)采用步驟(2)中的兩片焊片分別對厚膜基板和步驟(1)中得到的功率外殼進行搪錫處理，搪錫時將厚膜基板和功率外殼分別放置在加熱臺進行預(yù)熱；待搪錫后冷卻到室溫，并在無水乙醇溶液中清洗干凈；
[0011](4)將功率外殼放置在一塊導(dǎo)熱塊上，然后將厚膜基板放置在功率外殼的上面，再在厚膜基板上放置一塊壓塊，得到的產(chǎn)品命名為工件；
[0012](5)將步驟(4)得到的工件放置在真空爐中的加熱平臺上，開始抽真空并加熱，進行真空焊接。
[0013]所述步驟(1)中SiC體積分數(shù)為60%，以保證厚膜基板與功率外殼焊接后不會發(fā)生變形。
[0014]所述步驟(2)中每片焊片尺寸應(yīng)為厚膜基板外形尺寸的一半，可保證厚膜基板的搪錫量與功率外殼的搪錫量一致同時保證焊縫厚度為焊片厚度。
[0015]所述步驟(3)中搪錫預(yù)熱溫度為140-160°C，溫度過低則預(yù)熱效果不明顯，搪錫流動性差，溫度過高則對鍍層質(zhì)量造成影響；同時焊片搪錫應(yīng)布滿整個焊接面，保證后續(xù)焊接均勻。
[0016]所述步驟(4)中導(dǎo)熱塊與功率外殼的接觸面積盡量大，保證傳熱的均勻性。
[0017]所述步驟(4)中壓塊施加的壓力范圍I?10N。
[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明采用SiC-Al復(fù)合材料功率外殼替代10#鋼外殼，降低產(chǎn)品重量；采用真空焊接代替再流焊接，采用焊片搪錫替代焊膏，有助于去除由于焊劑排出不及時造成的氣泡殘留，降低了界面空洞率，并且真空焊接后不需要再進行清洗焊劑；真空焊接時，厚膜基板和功率外殼之間不再加焊片，可以有效去除焊片表面氧化帶來的焊接空洞，通過對厚膜基板和功率外殼進行搪錫可以去除二者表面的氧化膜，得到潔凈的被焊表面，提高潤濕性能，焊接過程中排氣通道更加順暢。將厚膜基板與輕質(zhì)功率外殼的焊接界面氣泡率由采用再流焊接工藝焊后的30%降低為小于5%，即顯著提高釬焊率，以滿足大功率電源產(chǎn)品的高可靠要求。
[0020]本發(fā)明通過采用選用密度低的輕質(zhì)Al-SiC復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的10#鋼材料作為功率外殼減輕產(chǎn)品重量；通過采用焊片搪錫的方式替代傳統(tǒng)焊膏作為焊料。傳統(tǒng)的焊膏中含有助焊劑，助焊劑可有效去除焊料和焊盤表面的氧化層，提高焊接可靠性，但同時易產(chǎn)生焊劑殘留，造成脫粘。同時使用焊膏進行再流焊，氣泡逸出往往不完成，焊縫凝固時形成氣孔。脫粘和氣孔殘留共同構(gòu)成焊接面的空洞。采用真空焊接方法不需要再加入焊劑，同時在真空下更有利于氣泡逸出，空洞率降低。
[0021]本發(fā)明采用焊片預(yù)先搪錫在被焊接材料表面的真空焊接方法，取代傳統(tǒng)的在被焊材料中間預(yù)置焊片的方法，可以有效去除焊片表面的氧化膜，不需要再額外對焊片進行等離子清洗，并且可能引入空洞的界面由兩個面減少為一個面，將進一步降低空洞率，并且不再依賴等離子清洗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為采用本發(fā)明的方法焊接界面的X光照片；
[0023]圖2為采用焊膏再流焊接方法的焊接界面的X光照片。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0025]實施例
[0026](I)功率外殼結(jié)構(gòu)為雙列直插型外殼；功率外殼采用輕質(zhì)Al-SiC復(fù)合材料，SiC體積分數(shù)為60%，采用玻璃絕緣子實現(xiàn)引腳與外殼基體的絕緣；功率外殼的兩端為等腰三角形的安裝耳，中間為長方形焊接面，焊接面的長為53mm，焊接面的寬度為28mm，焊接面的厚度為1.5mm，安裝耳的腰長為17mm，安裝耳的厚度為2mm ;功率外殼的四個角上各有一個支撐柱，功率外殼上有十個引腳，其中四個引腳穿過焊接面；
[0027]Al-SiC復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)比無氧Cu低一半以上，比10號鋼略低，且在一定范圍內(nèi)精確可控，比重僅為10號鋼的三分之一。另外，Al-SiC復(fù)合材料具備優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，與其它封裝金屬相比，機加工及釬焊引起的畸變最小。
[0028]將加工完成的Al-SiC復(fù)合材料功率外殼進行表面鍍Ni/Au，鍍層厚度為10 μ m，以便于焊接。
[0029]厚膜基板為氧化鋁陶瓷基長方形板，長方形板留有支撐柱和四個引腳的避讓缺Π ；
[0030](2)將錫鉛(Sn63Pb37)焊片對照厚膜基板的外形尺寸進行1:1裁剪，再將該焊片對中裁剪成兩個相同大小的焊片，焊片的厚度均為120μπι;
[0031](3)采用步驟(2)中得到的兩片焊片分別對厚膜基板和功率外殼進行搪錫處理，搪錫時將厚膜基板和功率外殼分別放置在加熱臺進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150°C ;待搪錫后冷卻到室溫，將二者在無水乙醇溶液中清洗干凈；此時焊片上的氧化膜將被清除。
[0032](4)將功率外殼放置在一塊導(dǎo)熱塊上，然后將厚膜基板放置在功率外殼的上面，再在厚膜基板上放置一塊壓塊；
[0033]導(dǎo)熱塊為銅材質(zhì)的長方體，長為40mm,寬為15mm,高為20mm ；
[0034]壓塊為銅材質(zhì)的長方體，壓塊施加的壓力為F=IN,長為30mm,寬為15mm,高為10mm ；
[0035](5)將步驟(4)得到的產(chǎn)品放置在室溫的加熱平臺上，并將加熱平臺置于真空爐腔體內(nèi)，開始抽真空，直到真空度小于50Pa，此時產(chǎn)品的溫度為室溫；控制加熱平臺對產(chǎn)品進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150°C并保溫IOmin ;繼續(xù)加熱到220°C，并保溫IOmin ;然后對真空爐腔體回填大氣，使產(chǎn)品所在的真空爐腔體內(nèi)的氣壓重新回到大氣壓；自然降溫直到室溫，完成焊接。
[0036]將上述方法得到的產(chǎn)品的焊接界面用X光進行照射，得到的X光照片如圖1所示；
[0037]而采用焊膏進行再流焊得到的焊接界面X光照片如圖2所示，從圖1和圖2中可見采用再流焊工藝，厚膜基板與功率外殼的焊縫中存在較多的氣泡；而采用本發(fā)明的方法焊接后，氣泡大幅降低。
[0038]試驗證明使用本發(fā)明的焊接方法不需再對焊片進行等離子清洗，顯著降低厚膜基板與功率外殼界面的空洞率至3%以下，從而減少功率芯片的熱阻，滿足航天器大功率電源產(chǎn)品及其他功率電子產(chǎn)品中功率芯片的散熱需要。
[0039]本發(fā)明還可推廣適用于所有需要采用軟釬焊，同時對焊后氣泡率要求高的高可靠性電路產(chǎn)品中。包括大功率芯片與電路板的焊接，如MOS管、IGBT模塊等；LTCC電路基板與管殼的焊接，如微波電路、T/R組件等；高可靠性BGA等元器件的焊接。
[0040]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，其特征在于步驟為: (1)制作輕質(zhì)SiC-Al復(fù)合材料功率外殼，采用玻璃絕緣子實現(xiàn)引腳與外殼基體的絕緣； (2)制作大小相同的兩塊焊片； (3)采用步驟(2)中的兩片焊片分別對厚膜基板和步驟(I)中得到的功率外殼進行搪錫處理，搪錫時將厚膜基板和功率外殼分別放置在加熱臺進行預(yù)熱；待搪錫后冷卻到室溫，并在無水乙醇溶液中清洗干凈； (4)將功率外殼放置在一塊導(dǎo)熱塊上，然后將厚膜基板放置在功率外殼的上面，再在厚膜基板上放置一塊壓塊； (5)將步驟(4)得到的工件放置在真空爐中的加熱平臺上，開始抽真空并加熱，進行真空焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，其特征在于:步驟(I)中SiC體積分數(shù)為60%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，其特征在于:步驟(2)中每片焊片尺寸為厚膜基板外形尺寸的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，其特征在于:步驟(3)中搪錫預(yù)熱溫度為140-160°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種厚膜基板與功率外殼的真空焊接方法，其特征在于:步驟(4)中壓塊施加的壓力范圍I?10N。
【文檔編號】B23K1/20GK103934534SQ201410151591
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】王寧寧, 飛景明, 任憑, 楊猛, 何宗鵬, 陳雅容, 張彬彬 申請人:北京衛(wèi)星制造廠