專利名稱：焊接方法
焊接方法
背景技術(shù)：
在其中焊接很多單元的焊接工藝中，在兩個(gè)焊接對(duì)象(partner)之間產(chǎn)生的焊接連接的質(zhì)量是難以控制的。例如，如果在常規(guī)焊接熔爐中發(fā)生很多單元的焊接，則焊料連接的質(zhì)量可能由于熔爐中不均勻的熱分布或由于焊接對(duì)象的不同熱容量而變化。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種焊接方法，其中焊接機(jī)裝配有至少一個(gè)加熱腔室。加熱腔室包括可操作為提供能量的加熱單元。在該方法中，至少兩個(gè)部件組被焊接。這些組中的每組具有第一 焊接對(duì)象、第二焊接對(duì)象和焊料。為了焊接，這些組中的每組定位在加熱腔室內(nèi)。每組具有焊料層，例如布置在相應(yīng)組的第一焊料對(duì)象和第二焊接對(duì)象之間的預(yù)成型焊料。另外，對(duì)于這些組中的每組，提供分配給相應(yīng)組的溫度測(cè)量單元。還提供射頻發(fā)射器、接收單元和控制單元?？刂茊卧詈系浇邮諉卧铱刹僮鳛榭刂萍訜釂卧?。溫度測(cè)量單元中的每一個(gè)熱耦合到相應(yīng)焊接對(duì)象。在工藝期間，對(duì)于溫度測(cè)量單元中的每一個(gè)，射頻(RF)發(fā)射器可操作為向接收單元發(fā)射關(guān)于相應(yīng)溫度測(cè)量單元的溫度的溫度信息。為了預(yù)加熱或焊接，部件組通過(guò)由加熱單元提供的能量加熱。通過(guò)根據(jù)溫度信息使用控制單元來(lái)控制加熱單元，控制由加熱單元提供的能量。即，控制單元以使得用于預(yù)加熱或焊接的加熱單元產(chǎn)生的能量依賴于各組的瞬時(shí)溫度的方式控制加熱單元。因而在整個(gè)焊接循環(huán)和熔爐中的循環(huán)期間能夠控制和測(cè)量溫度分布。根據(jù)一個(gè)方面，可以至少部分在真空中發(fā)生焊接，例如在還原氣氛中在低于20hPa的壓力下發(fā)生焊接。還原氣氛可以包括氫氣、甲酸以及一個(gè)或更多其他脫氧氣體中的一個(gè)或更多。此處描述的實(shí)施例允許控制貫穿這些組在熔爐中被處理所在的整個(gè)循環(huán)的組的溫度分布。這尤其應(yīng)用于熔爐呈現(xiàn)兩個(gè)或更多腔室的情況，其中這些組行進(jìn)通過(guò)所述兩個(gè)或更多腔室以便在從腔室移動(dòng)到腔室時(shí)實(shí)現(xiàn)不同處理。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，承載這些組的載體裝配有與載體一起移動(dòng)且允許對(duì)每組的溫度分布的連續(xù)采集以及在熔爐中該組的全部處理期間連續(xù)控制焊接工藝的溫度測(cè)量及發(fā)射電子裝置。尤其是，在任何某一時(shí)間點(diǎn)，剩余焊接工藝的控制可以依賴于從焊接工藝的開(kāi)始直到某一時(shí)間點(diǎn)采集的組的溫度分布。在閱讀下面的詳細(xì)時(shí)描述且在參看附圖時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到附加特征和優(yōu)點(diǎn)。


參考下面的附圖和描述將能夠更好地理解本發(fā)明。附圖中的部件沒(méi)有必要按比例繪制，而是重點(diǎn)放在說(shuō)明本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，相似的參考數(shù)字指代對(duì)應(yīng)的部分。在附圖中
圖IA是功率半導(dǎo)體模塊的橫截面圖。圖IB示出如圖IA的功率半導(dǎo)體模塊中使用的待焊接的部件組。
圖2是焊接熔爐的橫截面圖。圖3A說(shuō)明設(shè)計(jì)為接收待焊接的部件組的載體的截面。圖3B示出圖3A的載體的截面，其中待焊接的部件組被插入。圖3C示出圖3B的載體的截面，其中組的部件之一被夾置到載體。圖3D示出圖3C的載體的截面，其中一個(gè)溫度傳感器元件集成在功率半導(dǎo)體芯片中而另一溫度傳感器元件布置在基板上。圖4A是焊接熔爐的加熱腔室和控制單元的橫截面圖，其中待焊接的兩個(gè)部件組中的每組提供有單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器，且這兩組通過(guò)共同的感應(yīng)器加熱。圖4B是加熱腔室的橫截面圖，該加熱腔室與圖4B的加熱腔室不同在于待焊接的 兩個(gè)部件組提供有共同的射頻(RF)發(fā)射器而不是單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器。圖5A是焊接熔爐的加熱腔室和控制單元的橫截面圖，其中待焊接的三個(gè)部件組中的每組提供有單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器和加熱裝置。圖5B是加熱腔室的橫截面圖，該加熱腔室與圖5A的加熱腔室不同在于待焊接的三個(gè)部件組提供有共同的射頻(RF)發(fā)射器而不是單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器。圖6A是布置在焊接熔爐中且具有很多開(kāi)口的載體的頂視圖，其中開(kāi)口中的每一個(gè)設(shè)計(jì)為接收待焊接的部件組，且對(duì)于開(kāi)口中的每一個(gè)，提供單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器。圖6B示出圖6A的載體，其中開(kāi)口裝配有待焊接的部件組。圖7A是布置在焊接熔爐中且具有很多開(kāi)口的載體的頂視圖，其中開(kāi)口中的每一個(gè)設(shè)計(jì)為接收待焊接的部件組，且提供用于共同發(fā)射不同組的溫度的共同的射頻發(fā)射器。圖7B示出圖7A的載體，其中開(kāi)口裝配有待焊接的部件組。圖8A是焊接熔爐的冷卻腔室和控制單元的橫截面圖，其中待焊接的三個(gè)部件組中的每組提供有單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器和單獨(dú)的冷卻板。圖SB是冷卻腔室的橫截面圖，該冷卻腔室與圖8A的冷卻腔室不同在于待焊接的三個(gè)部件組提供有共同的射頻(RF)發(fā)射器而不是單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器。圖9是布置在冷卻腔室中且具有很多開(kāi)口的載體的頂視圖，其中開(kāi)口中的每一個(gè)設(shè)計(jì)為接收待焊接的部件組，且對(duì)于開(kāi)口中的每一個(gè)，提供單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器。圖10是載體的頂視圖，該載體與圖9的載體不同在于待焊接的部件組提供有共同的射頻(RF)發(fā)射器而不是單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器。圖11是另一功率半導(dǎo)體模塊的橫截面圖。圖12是包括作為焊接對(duì)象的基板和功率半導(dǎo)體芯片的插入到載體中且通過(guò)感應(yīng)器焊接的組的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中，對(duì)附圖進(jìn)行參考，所述附圖形成本詳細(xì)描述的一部分且在所述附圖中通過(guò)說(shuō)明的方式示出其中可以實(shí)踐本發(fā)明的特定實(shí)施例。就這方面而言，參考描述的(一個(gè)或多個(gè))附圖的取向使用諸如“頂”、“底”、“前”、“后”、“前列”、“拖尾”等的方向術(shù)語(yǔ)。因?yàn)閷?shí)施例的部件可以以很多不同取向定位，方向術(shù)語(yǔ)用于說(shuō)明目的而絕非限制。要理解，可以利用其他實(shí)施例并且可以做出結(jié)構(gòu)或邏輯變化而不偏離本發(fā)明的范圍。因此下面的詳細(xì)描述不要視為限制意義，且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。要理解，除非另外具體指出，否則此處描述的各種示例性實(shí)施例的特征可以彼此組合?，F(xiàn)在參看圖1A，說(shuō)明了功率半導(dǎo)體模塊100的一個(gè)實(shí)施例。功率半導(dǎo)體模塊100包括具有頂側(cè)8t和底側(cè)8b的平坦底座8。底座8與具有側(cè)壁41以及可選的外殼罩42的鑄造外殼4 一起形成功率半導(dǎo)體模塊100的外殼。另外，基座8的底側(cè)8b是模塊100的底側(cè)的一部分。模塊100包含至少一個(gè)基板2。每個(gè)基板2包括提供有頂部金屬化21和可選的底部金屬化22的電介質(zhì)絕緣載體20。例如，頂部金屬化21可以具有從0. I至0. 6_變動(dòng)的厚度。絕緣載體20用于從基座8電絕緣頂部金屬化21。在基板2上布置一個(gè)或更多半導(dǎo)體芯片I。在圖I的實(shí)施例中，功率半導(dǎo)體芯片I中的每一個(gè)可以包括可控功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，例如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、J-FET (結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、或晶閘管或二極管。然而，在功率半導(dǎo)體模塊的其他示例中，布置在基板2上的產(chǎn)生廢熱的功率半導(dǎo)體芯片I的數(shù)目和類 型是任意的。在圖IA中，功率半導(dǎo)體芯片I通過(guò)連接層11安裝且電連接到頂側(cè)金屬化21，所述連接層例如是焊料層、具有大量金屬間相的擴(kuò)散焊料層、導(dǎo)電膠或燒結(jié)層。半導(dǎo)體芯片I的頂側(cè)例如可以通過(guò)接合、導(dǎo)電膠合、燒結(jié)或通過(guò)壓力接觸而電連接。在圖IA的實(shí)施例中，提供很多連接模塊100的相應(yīng)部件的接合線5。代替接合線5，功率半導(dǎo)體芯片I的頂側(cè)可以通過(guò)夾子電連接，所述夾子可以被焊接、擴(kuò)散焊接、燒結(jié)或壓力接觸到相應(yīng)功率半導(dǎo)體芯片I的頂側(cè)接觸。為了允許功率半導(dǎo)體芯片I的充分冷卻，低傳熱電阻是電介質(zhì)層20的重要屬性。因此，電介質(zhì)層20的材料和厚度需要適配為功率半導(dǎo)體模塊100的要求。例如，絕緣載體20可以是陶瓷，使得基板2形成陶瓷基板。例如，絕緣載體20可以包括或由以下材料之一組成氧化鋁(A1203)、氮化鋁(A1N)、氮化硅(Si3N4)15然后，例如，這種陶瓷基板中的一個(gè)、一些或全部的厚度可以從0. 2mm至2mm變動(dòng)。在一些實(shí)施例中，基板2中至少之一可以是直接銅接合基板(DCB基板)或直接鋁接合基板(DAB基板)或有源金屬釬焊基板(AMB基板)。底座8可以包含導(dǎo)電金屬板(例如由銅或招制成)或由其組成，該導(dǎo)電金屬板可選地可以在其表面上提供有改善底座8的可焊接性的材料(例如鎳)薄層?！愣裕β拾雽?dǎo)體模塊100包括很多連接接線片(Iug) 3，該連接接線片3具有允許將模塊100電連接到諸如電源單元、DC鏈接電容器、電機(jī)、其他功率半導(dǎo)體模塊之類的其他部件和/或電連接到控制單元的端子31。在模塊外殼4內(nèi)，連接接線片3電連接到頂部金屬化21和/或到功率半導(dǎo)體芯片I中的一個(gè)或更多。在圖IA的實(shí)施例中，相應(yīng)的電連接通過(guò)接合線5實(shí)現(xiàn)。然而，其他連接技術(shù)也是適當(dāng)?shù)?。為了將模塊100的底側(cè)Sb安裝到熱沉(未示出)上，底座8和模塊外殼4可以分別具有螺絲孔84和44?？蛇x地，外殼4的內(nèi)部可以填充有絕緣軟灌封材料(未示出)，例如有機(jī)硅凝膠，其從底座8延伸且至少覆蓋頂部金屬化21和功率半導(dǎo)體芯片I以便改善模塊100的介電強(qiáng)度。底部金屬化22的底側(cè)即底部金屬化22面對(duì)底座88的一側(cè)的區(qū)域例如可以大于或等于0. 2mm，這與常規(guī)電子部件的區(qū)域相比是大的。因此，焊接基板2到底座8是復(fù)雜的。例如，如果在焊料層23中出現(xiàn)收縮孔，則基板2和功率半導(dǎo)體芯片I之間的電和熱接觸不良，且在功率半導(dǎo)體芯片I中產(chǎn)生的廢熱向底座8的耗散并不適當(dāng)。為了改善焊接連接的質(zhì)量，提供一種使得能夠在加熱步驟和/或后續(xù)冷卻步驟二者期間監(jiān)控待焊接的很多部件的單獨(dú)溫度的方法。該方法允許持久地監(jiān)控通過(guò)焊接所產(chǎn)生的每個(gè)單元的瞬時(shí)溫度。不需要使用虛擬單元進(jìn)行溫度測(cè)量。由于知道所有單元在任何時(shí)間的瞬時(shí)溫度，可以根據(jù)溫度控制加熱溫度和/或冷卻溫度。為了產(chǎn)生如參考圖IA解釋的功率半導(dǎo)體模塊100，可以通過(guò)在第一步驟中焊接基板2和底座8之間的連接且通過(guò)在后續(xù)第二步驟中將該預(yù)組裝的單元安裝到模塊外殼4來(lái)產(chǎn)生包含底座8、焊料23、基板2、焊料11以及功率半導(dǎo)體芯片I的單元。在第一步驟的焊接工藝中，可以通過(guò)同時(shí)焊接很多相似或相同的單元來(lái)預(yù)組裝這些單元。對(duì)于待產(chǎn)生的每個(gè)單元，提供如圖IB所示的部件8、10和23的組50。組50包括第一焊接對(duì)象8、第二焊接對(duì)象10以及焊料23。在本示例中，第一焊料對(duì)象是底座8。第二焊接對(duì)象10是裝配有通過(guò)連接層11焊接到基板2的一個(gè)或更多功率半導(dǎo)體芯片I的基板2。連接層11的熔點(diǎn)可以高于焊料23的熔點(diǎn)以便避免在后續(xù)焊接工藝期間連接層11的重新熔化或其他劣化。根據(jù)另一實(shí)施例，第一焊接對(duì)象可以是半導(dǎo)體芯片I且第二焊接對(duì)象可以是半導(dǎo)體芯片待焊接到的基板2。根據(jù)又一實(shí)施例，組50或組50中的每一個(gè)可以包括多于一個(gè)焊接對(duì)象。例如，可以在相同的焊接步驟期間通過(guò)焊接來(lái)產(chǎn)生半導(dǎo)體芯片I和基板2之間的焊料連接11以及相同基板2和底座8之間的焊料連接23，即存在三個(gè)焊接對(duì)象半導(dǎo)體芯片I ;基板2以及底座8。與常規(guī)焊料連接相比，焊料11和23在大區(qū)域上延伸。例如，焊料11可以呈現(xiàn)至少25m2的占位面積(foot print)且焊料23呈現(xiàn)至少400mm2的占位面積。因此，產(chǎn)生相應(yīng)的焊接連接11和23是有挑戰(zhàn)的。例如，存在在完成焊接之后在焊料11、23中可能出現(xiàn)的收縮孔的危險(xiǎn)。收縮孔可能不利地影響在相應(yīng)的焊接對(duì)象之間的電和熱連接。圖IA的功率半導(dǎo)體模塊僅僅是功率半導(dǎo)體模塊的說(shuō)明性實(shí)施例。其他實(shí)施例可以呈現(xiàn)不同細(xì)節(jié)。例如，代替厚底座8，具有兩個(gè)或更多金屬化層21、22以及一個(gè)或更多絕緣載體20的基板2可以用作底座，即這種基板2的最底部金屬化層22形成功率半導(dǎo)體模塊的外表面。圖2說(shuō)明具有加熱部210、冷卻部220以及接收及控制部230的焊接機(jī)200。焊接機(jī)200可以用于同時(shí)焊接尤其如上所述的很多組50。在下文中，將描述一種使用呈現(xiàn)與所描述的焊接機(jī)200相同或類似的特征的焊接機(jī)的焊接工藝，其中很多組50同時(shí)被焊接。示例性，組50是如參考圖IB解釋的組。然而，可以以相同的方式焊接其他組。在焊接機(jī)200的加熱部210中存在至少一個(gè)加熱腔室211、212、213，且在冷卻部220中存在至少一個(gè)冷卻腔室221、222。加熱腔室211、212和213可以用于預(yù)加熱組50或用于熔化組50的焊料23。在所有組的焊料23被熔化之后，可以在一個(gè)或更多冷卻腔室221、222中發(fā)生組50的冷卻。例如，在焊接機(jī)200中，可以存在一到三個(gè)加熱腔室211、212、213以及一個(gè)或兩個(gè)冷卻腔室221、222。在每個(gè)加熱腔室211、212、213中，存在用于預(yù)加熱組50和/或用于熔化組50的焊料23的加熱裝置250。在一個(gè)示例中，加熱裝置250可以包括一個(gè)或更多感應(yīng)、器。相應(yīng)地在每個(gè)冷卻腔室221、222中，存在冷卻裝置260、270。舉例而言，冷卻腔室221包括提供一個(gè)或更多冷卻流體(例如，空氣或其他氣體)流的冷卻裝置260。在另ー示例中，冷卻腔室222包括冷卻裝置270，該冷卻裝置270包括很多冷卻板。加熱裝置250和冷卻裝置260、270均可以借助于控制器232控制以便分別根據(jù)所有組50的単獨(dú)溫度來(lái)適配所需的加熱和/或冷卻強(qiáng)度。用于控制加熱裝置250和冷卻裝置260、270的基礎(chǔ)是至少兩個(gè)或理想地所有組50的溫度向作為接收及控制裝置230的一部分的控制單元232的傳輸。更精確而言，溫度的傳輸通過(guò)對(duì)應(yīng)于溫度的信號(hào)的傳輸而發(fā)生。如圖2所示，這些信號(hào)可以是經(jīng)由射頻(RF)發(fā)射器裝置300發(fā)射且由接收單元231接收的射頻(RF)信號(hào)。耦合到接收單元231的控制単元232評(píng)估包含在由接收單元231接收的射頻(RF)信號(hào)中的溫度信息且根據(jù)溫度信息來(lái)控制加熱裝置250和/或冷卻裝置260、270。圖3A說(shuō)明設(shè)計(jì)為接收如參考圖IB詳細(xì)解釋的若干組50的載體350的截面。載 體350包含開(kāi)ロ 351和適配為接收如圖IB所示的單組50的臺(tái)階352。如從圖3B可以看出，具有在第一焊接對(duì)象(在本示例中為底座8)和第二焊接對(duì)象10 (在本示例中為承載與之焊接的半導(dǎo)體芯片I的基板2)之間布置的焊料23的組50定位于開(kāi)ロ 351上方。直到那時(shí)，在基板2和底座8之間沒(méi)有焊接連接。在向下朝載體350移動(dòng)夾具353之后，組50通過(guò)夾具353保持在臺(tái)階352內(nèi)，如圖3C所示。夾具353可以對(duì)底座8的頂側(cè)8t或?qū)?的頂側(cè)施加壓力。在夾具353中集成了電接觸底座8的頂側(cè)8t或基板2的頂部金屬化21的導(dǎo)電第一接觸構(gòu)件354以及導(dǎo)電第二接觸構(gòu)件355。根據(jù)ー個(gè)實(shí)施例，第一接觸構(gòu)件354和第二接觸構(gòu)件355由不同材料制成，這一旦接觸構(gòu)件354、355與相同的導(dǎo)電部分電接觸就導(dǎo)致第一接觸構(gòu)件354和導(dǎo)電部分之間的第一接觸電勢(shì)差以及在第二接觸構(gòu)件355和導(dǎo)電部分之間的第二接觸電勢(shì)差。例如，導(dǎo)電部分可以是底座8、基板2的頂部金屬化21、或功率半導(dǎo)體芯片I之一的頂部金屬化。第一接觸電勢(shì)差和第二接觸電勢(shì)差之間的差異是針對(duì)導(dǎo)電部分的溫度的測(cè)量。根據(jù)另ー實(shí)施例,第一接觸構(gòu)件354和第二接觸構(gòu)件355可以(但不是)不必要求由不同材料制成。在該示例中，接觸構(gòu)件354、355 二者與溫度傳感器元件的端子電接觸，該溫度傳感器元件熱耦合到組50的某一位置。如圖3D所示，溫度傳感器元件356可以集成在功率半導(dǎo)體芯片I中和/或溫度傳感器元件357附連到基板2或底座8。這樣，接觸構(gòu)件354、355能夠分接(tap)由相應(yīng)的傳感器元件356或357提供的信號(hào)。接觸構(gòu)件354、355和溫度傳感器元件356、357的端子之間的電連接的一部分可以利用在基板2的頂部金屬化21中形成的導(dǎo)電線來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，傳感器元件356可以是ニ極管，傳感器元件357能夠是比如NTC電阻器(NTC=負(fù)溫度系數(shù))、PTC電阻器(PTC=正溫度系數(shù))、熱電偶等的任意類型的溫度元件。圖4A是示例性示出加熱腔室211、212、213和接收及控制裝置230的焊接機(jī)200的部分的橫截面圖。存在至少ー個(gè)冷卻腔室，但是為了說(shuō)明簡(jiǎn)單起見(jiàn)沒(méi)有示出。在載體350上布置兩個(gè)如參考圖3A至3D描述的組50。在載體350下方存在作為單個(gè)感應(yīng)器的加熱裝置250。感應(yīng)器可以設(shè)計(jì)成比如具有一個(gè)或更多繞組的線圈。如果感應(yīng)器連接到交流電流，電磁場(chǎng)出現(xiàn)且在底座8 (示為黑色)中導(dǎo)致渦流，這導(dǎo)致底座8、焊料23和裝配有功率半導(dǎo)體芯片I (見(jiàn)圖3B至3D)的基板的溫度上升。針對(duì)這些組50中的每組，分配射頻(RF)發(fā)射器300。射頻(RF)發(fā)射器300中的每ー個(gè)向共同的接收單元231發(fā)射包含關(guān)于相應(yīng)組50的溫度的信息的信號(hào)。隨后，控制單元232評(píng)估兩組50的溫度信息且根據(jù)溫度信息維持、減小或增加交流電流的強(qiáng)度。圖4B中的布置與圖4A的布置不同在于存在發(fā)射兩組50的溫度信息的共同的射頻(RF)發(fā)射器300。圖5A是示例性示出加熱腔室211、212、213以及接收及控制裝置230的焊接機(jī)200的部分的橫截面圖。存在至少ー個(gè)冷卻腔室，但是為了說(shuō)明簡(jiǎn)單起見(jiàn)沒(méi)有示出。在載體350上布置三個(gè)如參考圖3A至3D描述的組50。如圖4A的布置中的那樣，每組50的溫度信息 通過(guò)不同的射頻(RF)發(fā)射器300單獨(dú)發(fā)射到共同的接收單元231且由控制単元232評(píng)估。在載體350下方存在具有至少兩個(gè)感應(yīng)器250的加熱裝置250。感應(yīng)器250中的每ー個(gè)可以設(shè)計(jì)成比如具有一個(gè)或更多繞組的線圈。感應(yīng)器250中的每ー個(gè)布置在組50之一和僅之ー下方，使得如果相應(yīng)感應(yīng)器提供有交流電流，則僅導(dǎo)致相應(yīng)組50的溫度上升(雜散效應(yīng)不明顯且可以忽略)。因此，可以根據(jù)與布置在相應(yīng)感應(yīng)器上方的相應(yīng)組50有關(guān)的溫度信息來(lái)單獨(dú)控制不同的感應(yīng)器250。S卩，組50的加熱可以被単獨(dú)控制且因此被單獨(dú)適配為焊接エ藝的某些要求。圖5B的布置與圖5A的布置不同在于存在發(fā)射加熱腔室211、212、213中的所有組50的溫度信息的共同的射頻(RF)發(fā)射器300。圖6A是布置在焊接熔爐中且具有很多開(kāi)ロ的載體350的頂視圖。開(kāi)ロ 351中的每ー個(gè)設(shè)計(jì)為接收待焊接的部件組。對(duì)于開(kāi)ロ 351中的每ー個(gè)，即對(duì)于待插入在開(kāi)ロ 351中的組中的每組，提供單獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器300。在裝載有很多組之后，載體350能夠在不同的加熱和冷卻腔室之間移動(dòng)，而不干擾關(guān)于組的溫度信息的射頻(RF)傳輸。當(dāng)沒(méi)有組插入在載體350中時(shí)，載體350的開(kāi)口下方的感應(yīng)器可見(jiàn)，每個(gè)感應(yīng)器単獨(dú)分配給開(kāi)ロ 351之一和僅之一。圖6B示出圖6A的載體，其中開(kāi)ロ 351裝載有如參考圖3A至3D描述的組。圖7A中示出的載體350與圖6A的載體不同在于僅存在一個(gè)射頻(RF)發(fā)射器300而不是很多射頻(RF)發(fā)射器。在夾具353中的每ー個(gè)中，第一和第二接觸構(gòu)件如參考圖3A至3D所描述的那樣集成。所有第一和第二接觸構(gòu)件通過(guò)電線302、301電連接到相同的射頻(RF)發(fā)射器300。圖7B示出圖7的載體，其中開(kāi)ロ 351裝載有如參考圖3A至3D描述的組。射頻(RF)發(fā)射器300向共同的接收單元231共同發(fā)射所有組50的単獨(dú)溫度信息。圖8A是示例性示出冷卻腔室221、222以及接收及控制裝置230的焊接機(jī)200的部分的橫截面圖。存在至少ー個(gè)加熱腔室，但是為說(shuō)明簡(jiǎn)單起見(jiàn)沒(méi)有示出。在載體350上布置三個(gè)如參考圖3A至3D描述的組50。如在圖4A、5A和6B中的實(shí)施例中的那樣，每組50的溫度信息通過(guò)不同的射頻(RF)發(fā)射器300單獨(dú)發(fā)射到共同的接收單元231且由控制單元232評(píng)估。在載體350下方存在包括很多冷卻板的冷卻裝置270。冷卻板可以向上朝組50且向下彼此獨(dú)立地移動(dòng)，如圖8A中的黒色雙箭頭所示。冷卻板的移動(dòng)能夠通過(guò)控制単元232彼此単獨(dú)地控制。如果要求冷卻板冷卻它所分配到的組50，則冷卻板向上朝相應(yīng)組50移動(dòng)，直到它與底座8熱接觸，由此確立從相應(yīng)組50向冷卻板的熱流動(dòng)。圖8B的布置與圖8A的布置不同在于存在向接收單元231共同發(fā)射載體350上的每組50的単獨(dú)溫度信息的共同的射頻(RF)發(fā)射器300。代替冷卻板，組50的冷卻可以通過(guò)一個(gè)或更多可控的冷卻流體(例如空氣或其他氣體)流發(fā)生。如果僅存在ー個(gè)冷卻流體流，則該流可以影響冷卻腔室221、222內(nèi)的所有組50。這樣，根據(jù)關(guān)于冷卻腔室222中的所有組50的溫度信息，通過(guò)單個(gè)冷卻流進(jìn)行的冷卻能夠以與通過(guò)參考圖4A和4B描述的單個(gè)感應(yīng)器進(jìn)行的加熱相同的方式控制。然而，也可以針對(duì)冷卻腔室221、222中的組50中的每組提供単獨(dú)的冷卻流體流，即單獨(dú)影響組50之一和僅之ー的流。這樣，根據(jù)關(guān)于冷卻腔室222中的所有組50的溫度信息，能夠以與通過(guò)參考圖5A和5B描述的單獨(dú)感應(yīng)器進(jìn)行的加熱相同的方式控制通過(guò)單獨(dú)冷卻流進(jìn)行的冷卻。
如果要求識(shí)別各組50，例如如果在完成焊接エ藝之后每組50要標(biāo)記有其在焊接機(jī)200中的溫度的單獨(dú)時(shí)間路線，則在其中如參考圖5A、5B、6A、6B、7A、7B所描述的那樣向組50中的每組分配単獨(dú)感應(yīng)器的布置中，所有感應(yīng)器隨后能夠瞬時(shí)提供有電能以便在組50之一中產(chǎn)生明顯的瞬時(shí)溫度上升。通過(guò)監(jiān)控所有組50的溫度，顯然，呈現(xiàn)明顯溫度上升的組50已通過(guò)電能加熱且因此能夠分配給相應(yīng)感應(yīng)器。在隨后針對(duì)所有感應(yīng)器重復(fù)該方法——在時(shí)間上充分交錯(cuò)以便避免分辨率問(wèn)題中，每組50能夠被分配給感應(yīng)器中的另ー個(gè)。如果存在發(fā)射的不合理的溫度信息，則能夠推斷存在針對(duì)溫度傳感器或電連接、針對(duì)傳輸?shù)腻e(cuò)誤，或者一個(gè)或更多開(kāi)ロ并沒(méi)有接收組50。圖9示出布置在冷卻腔室221中的載體350。載體具有很多開(kāi)ロ 351，每個(gè)開(kāi)ロ 351設(shè)計(jì)為接收待焊接的部件組。針對(duì)開(kāi)ロ 315中的每ー個(gè)提供単獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器300。圖10示出載體350，該載體350與圖9的載體不同在于待焊接的部件組提供有共同的射頻(RF)發(fā)射器300而不是単獨(dú)的射頻(RF)發(fā)射器。所描述的加熱和冷卻エ藝能夠彼此任意組合。例如，再次參考圖2，可以在第一加熱腔室211中執(zhí)行第一加熱步驟以便將組50預(yù)加熱到約低于焊料23的熔點(diǎn)的第一溫度。在對(duì)布置在第二加熱腔室212中的組50實(shí)施的后續(xù)第二加熱步驟中，組50的溫度可以增加到約高于第一溫度但是仍低于焊料23的熔點(diǎn)的第二溫度?？蛇x地，焊接對(duì)象的焊接表面可以在包含形成氣體或甲酸等的氣氛中激活。然后，在對(duì)布置在第三加熱腔室213中的組50實(shí)施的后續(xù)第三加熱步驟中，組50的溫度可以增加到約高于焊料23的熔點(diǎn)的第三溫度以便熔化焊料23?？蛇x地，第三加熱步驟可以在第三加熱腔室213中在低氣壓(例如低于20hPa)下實(shí)施以便避免焊接連接中的收縮孔。在對(duì)布置在第一冷卻腔室221中的組50實(shí)施的后續(xù)第一冷卻步驟中，組50的溫度可以減小到低于焊料23的熔點(diǎn)的第四溫度以便固化焊料23。然后，在對(duì)布置在第二冷卻腔室222中的組50實(shí)施的后續(xù)第二冷卻步驟中，組50的溫度可以緩慢減小到低于第四溫度的第五溫度以便避免焊接的単元中的熱機(jī)械應(yīng)力。焊接機(jī)的所有腔室211、212、213、221、222之間的組的傳輸可以在整個(gè)焊接エ藝期間組50保留在相同的載體350上的情況下實(shí)施。
圖11示出功率半導(dǎo)體100，該功率半導(dǎo)體100與圖IA的功率半導(dǎo)體模塊不同在于代替厚金屬性底座8，基板2自身形成模塊100的底座?；?通過(guò)粘合劑7接合到模塊外殼4?；?具有兩個(gè)或更多金屬化層21、22以及ー個(gè)或更多絕緣載體20，其中在金屬化層21、22中的任何兩個(gè)之間布置絕緣載體20中的至少ー個(gè)。因?yàn)榛?用作底座，所以基板2的金屬化層22的最底部提供功率半導(dǎo)體模塊100的外表面。圖12是在焊接期間包括兩個(gè)焊接對(duì)象的組的橫截面圖。第一焊接對(duì)象是基板2，第二焊接對(duì)象是功率半導(dǎo)體芯片I。該組插入在載體350中。焊接通過(guò)尤其在基板2的最底部金屬化層22中產(chǎn)生渦流的感應(yīng)器250發(fā)生。由于這些渦流，基板2和功率半導(dǎo)體芯片I之間的焊料11熔化。除了不存在厚金屬化底座，可以以與參考圖2至10描述的相同方式完成焊接和后續(xù)冷卻的エ藝。在該焊接エ藝中產(chǎn)生的単元可以用于組裝如參考圖IA所描述的功率半導(dǎo)體模塊100且也用于組裝如參考圖11描述的功率半導(dǎo)體模塊100。為描述簡(jiǎn)單起見(jiàn)，使用諸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等的空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)來(lái)解釋ー個(gè)元件相對(duì)于第二元件的定位。這些術(shù)語(yǔ)g在涵蓋器件的除了與圖中示出的取向 不同的取向之外的不同取向。另外，諸如“第一”、“第二”等的術(shù)語(yǔ)也用于描述各個(gè)元件、區(qū)域、部等且也并非g在限制。貫穿本描述，相似的術(shù)語(yǔ)表示相似的元件。如此處使用的術(shù)語(yǔ)“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是指示陳述的元件或特征的存在但是不排除附加元件或特征的開(kāi)放式術(shù)語(yǔ)。除非上下文明確另外指示，冠詞“ー(a)”、“ー個(gè)(an)”及“該” g在包括復(fù)數(shù)和単數(shù)。要理解，除非另外具體指出，此處描述的各個(gè)實(shí)施例的特征可以彼此組合。盡管此處已說(shuō)明和描述了特定實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下各種備選和/或等價(jià)的實(shí)施方式可以替代示出和描述的特定實(shí)施例。本申請(qǐng)g在覆蓋此處討論的特定實(shí)施例的任何修改或變型。因此，g在本發(fā)明僅由權(quán)利要求及其等價(jià)物限制。
權(quán)利要求
1.一種焊接方法，包含 提供包含加熱腔室的焊接機(jī)，該加熱腔室具有可操作為提供能量的加熱單元； 提供待焊接的至少兩個(gè)部件組，每組包含第一焊接對(duì)象、第二焊接對(duì)象和焊料； 定位部件組中的每組，使得每組的焊料在加熱腔室內(nèi)布置在每組的第一焊接對(duì)象和每組的第二焊接對(duì)象之間； 針對(duì)至少兩組中的每組提供單獨(dú)分配給相應(yīng)組的溫度測(cè)量單元； 提供射頻發(fā)射器和射頻接收器； 提供耦合到射頻接收器的控制單元，該控制單元可操作為控制加熱單元； 熱耦合每個(gè)溫度測(cè)量單元到部件的相應(yīng)組的焊接對(duì)象之一； 針對(duì)溫度測(cè)量單元中的每一個(gè)通過(guò)射頻發(fā)射器向射頻接收器發(fā)射關(guān)于相應(yīng)溫度測(cè)量單元的溫度的溫度信息； 通過(guò)由加熱單元提供的能量來(lái)加熱部件組；以及 基于溫度信息經(jīng)由控制單元控制由加熱單元提供的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中在部件組的加熱期間溫度信息被連續(xù)監(jiān)控。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中加熱單元是感應(yīng)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中溫度測(cè)量單元中的第一個(gè)包含導(dǎo)電第一接觸構(gòu)件和導(dǎo)電第二接觸構(gòu)件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其中 導(dǎo)電第一接觸構(gòu)件和導(dǎo)電第二接觸構(gòu)件由不同材料制成； 被分配以第一溫度測(cè)量單元的第一焊接對(duì)象或第二焊接對(duì)象形成為導(dǎo)電部分或包含導(dǎo)電部分； 第一接觸構(gòu)件和第二接觸構(gòu)件二者均與所述導(dǎo)電部分直接電壓力接觸；以及溫度信息依賴于第一接觸構(gòu)件和導(dǎo)電部分之間的第一接觸電勢(shì)差以及第二接觸構(gòu)件和導(dǎo)電部分之間的第二接觸電勢(shì)差。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊接方法，其中被分配以第一溫度測(cè)量單元的組的焊接對(duì)象之一包含溫度測(cè)量元件或熱耦合到溫度測(cè)量元件，該溫度測(cè)量元件通過(guò)壓力接觸而直接或間接電連接到第一接觸構(gòu)件和第二接觸構(gòu)件二者。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中加熱單元是在部件組的加熱期間為至少兩個(gè)部件組提供能量的感應(yīng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊接方法，其中感應(yīng)器在焊接對(duì)象中的至少一個(gè)中產(chǎn)生渦流。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中針對(duì)部件的每個(gè)不同組提供分離的射頻發(fā)射器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中 加熱單元包含至少兩個(gè)感應(yīng)器； 感應(yīng)器中的每一個(gè)被分配給部件組中的不同組；并且 感應(yīng)器中的每一個(gè)在部件組的加熱期間單獨(dú)向被分配以相應(yīng)感應(yīng)器的部件組提供能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的焊接方法，其中每個(gè)感應(yīng)器在被分配以相應(yīng)感應(yīng)器的部件組的焊接對(duì)象中的至少一個(gè)中產(chǎn)生渦流。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中溫度信息包含關(guān)于部件組的溫度的溫度信息。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中 提供至少兩個(gè)射頻發(fā)射器； 每個(gè)射頻發(fā)射器被分配給部件組中的不同組；并且 每個(gè)射頻發(fā)射器可操作為發(fā)射關(guān)于被分配以相應(yīng)射頻發(fā)射器的部件組的溫度而不是關(guān)于有關(guān)另一組的溫度的溫度信息。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中 加熱單元包含至少兩個(gè)感應(yīng)器； 每個(gè)感應(yīng)器被分配給部件組中的不同組； 每個(gè)感應(yīng)器可操作為在部件組的加熱期間單獨(dú)向被分配以相應(yīng)感應(yīng)器的部件組提供能量； 提供至少兩個(gè)射頻發(fā)射器； 每個(gè)射頻發(fā)射器被分配給部件組中的不同組； 每個(gè)射頻發(fā)射器可操作為發(fā)射關(guān)于被分配以相應(yīng)射頻發(fā)射器的部件組的溫度而不是關(guān)于有關(guān)另一組的溫度的溫度信息； 該方法還包括以下步驟序列 (a)瞬時(shí)增加由感應(yīng)器之一和僅之一提供的能量以便單獨(dú)加熱被分配以該感應(yīng)器的部件組； (b)將每個(gè)射頻發(fā)射器發(fā)射的溫度信息進(jìn)行比較且識(shí)別示出溫度中的最大增加的溫度"[目息;以及 (c)向瞬時(shí)增加能量所針對(duì)的感應(yīng)器分配與溫度中的最大增加相關(guān)聯(lián)的射頻發(fā)射器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的焊接方法，其中針對(duì)感應(yīng)器中的每一個(gè)相繼重復(fù)步驟序列。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中 焊接機(jī)包含具有冷卻單元的至少一個(gè)冷卻腔室； 在所有組的焊料被加熱到至少其相應(yīng)熔點(diǎn)之后，將所有部件組從加熱腔室傳送到冷卻腔室中；以及 通過(guò)基于溫度信息控制冷卻單元，經(jīng)由冷卻單元來(lái)冷卻部件組。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的焊接方法，其中在所有部件組從加熱腔室傳送到冷卻腔室中的同時(shí)，溫度信息被連續(xù)監(jiān)控。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的焊接方法，其中在部件組的冷卻期間，溫度信息被連續(xù)監(jiān)控。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的焊接方法，其中冷卻單元可操作為提供影響至少兩個(gè)部件組的冷卻空氣流。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的焊接方法，其中冷卻單元可操作為提供至少兩個(gè)冷卻空氣流，每個(gè)空氣流被分配給部件組中的不同組，且每個(gè)空氣流單獨(dú)冷卻被分配以相應(yīng)冷卻流的部件組。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的焊接方法，其中冷卻單元包含至少兩個(gè)冷卻板，每個(gè)冷卻板被分配給部件組中的不同組，且每個(gè)冷卻板通過(guò)熱接觸被分配以相應(yīng)冷卻板的部件組來(lái)單獨(dú)冷卻該組。
22.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中部件組中的每組的第一焊接對(duì)象是金屬板。
23.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中部件組中的每組的第二焊接對(duì)象包含絕緣基板。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的焊接方法，其中組中的每組的第二焊接對(duì)象包含在部件組的加熱之前接合到基板的半導(dǎo)體芯片。
25.根據(jù)權(quán)利要求I所述的焊接方法，其中 部件組中的每組的焊料熔化且隨后固化以便在第一焊接對(duì)象和第二焊接對(duì)象之間形 成焊接連接；并且 在組中的每組的焊料熔化之后且在組中的每組的焊料固化之前,組中的每組的熔化焊料在小于或等于20hPa的壓力下暴露于還原氣氛。
全文摘要
提供一種焊接方法。根據(jù)該方法，至少兩個(gè)部件組被加熱且通過(guò)加熱進(jìn)行焊接。每組包括第一焊接對(duì)象、第二焊接對(duì)象以及焊料。在焊接工藝期間，組中的每組的單獨(dú)溫度通過(guò)射頻發(fā)射器發(fā)射到接收及控制單元?？刂茊卧鶕?jù)發(fā)射的單獨(dú)溫度控制這些組的加熱。
文檔編號(hào)B23K1/00GK102728917SQ201210094830
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者A.弗勒梅爾特, G.施特羅特曼 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司