真空反作用力焊接方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及真空共晶焊接裝置，尤其涉及真空反作用力焊接方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]共晶焊接技術(shù)在微電子與光電子封裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如芯片與基板的粘接、基板與管殼的粘接、管殼蓋板封裝等。焊點作為器件的連接材料，擔(dān)負(fù)著機(jī)械、電路連接以及熱交換等任務(wù)，相比于普通的導(dǎo)電膠粘接方式，共晶焊接技術(shù)具有熱導(dǎo)率高、電阻小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢，特別適用于各類大功率或高頻芯片與基板、基板與管殼的互聯(lián)。對芯片較高散熱要求或可靠性要求的功率器件均采用共晶焊接，如IGBT封裝、微波功率器件、大功率LED芯片、激光二極管、多芯片組件、航空航天電子器件等。影響共晶焊接質(zhì)量的主要因素有升降溫速率，共晶壓力，溫度均勻性，保護(hù)氣氛和焊料匹配等。這些因素處理不當(dāng)極易產(chǎn)生的金屬間化合物層(IMC)過厚、分布不均，空洞率偏高，引發(fā)可靠性隱患。
[0003]目前主要的共晶焊接設(shè)備工藝有:紅外回流焊爐、帶有吸嘴和鑷子的共晶機(jī)、真空共晶爐等，上述設(shè)備及工藝方法均存在以下不足:
[0004](I)紅外回流焊爐存在升降溫速度慢、溫區(qū)不均勻、傳送過程存在抖動容易導(dǎo)致芯片移位；
[0005](2)采用帶有吸嘴和鑷子的共晶機(jī)存在產(chǎn)量低，易對芯片尤其光電類芯片造成損傷、影響產(chǎn)品光電性能，同時因采用逐個芯片共晶，如果是多芯片組件易致部分先共晶的芯片長時間芯片重復(fù)受熱造成芯片材料性能劣化，焊料多次融化影響焊接的壽命和性能；
[0006](3)真空共晶爐具有較高的升降溫速率，但為保證共晶質(zhì)量，常常用額外的治具對芯片施加壓力，適合較大芯片封裝，不適合小芯片和表面脆弱的芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供真空反作用力焊接方法，能在避免芯片損傷的前提下，對芯片施加加速度反作用力，能有效降低焊點空洞率。
[0008]本發(fā)明的目的之二在于提供真空反作用力焊接裝置。
[0009]本發(fā)明的目的之一采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0010]真空反作用力焊接方法，包括如下步驟:
[0011]S1.芯片通過焊料固晶于基板形成半成品；
[0012]S2.半成品置入真空共晶爐的真空共晶腔內(nèi)；
[0013]S3.對真空共晶腔進(jìn)行抽真空；
[0014]S4.預(yù)熱真空共晶腔，使溫度緩慢上升；
[0015]S5.迅速加熱真空共晶腔，使焊料融化；
[0016]S6.對真空共晶腔施加作用力，使真空共晶腔下降后加速上升；
[0017]S7.對真空共晶腔外部進(jìn)行強(qiáng)制制冷，內(nèi)部通入保護(hù)氣體；
[0018]S8.在焊料固化后解除真空共晶腔的真空狀態(tài)。
[0019]優(yōu)選地，在所述步驟S6中，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動真空共晶腔先以加速度al加速下降，然后以加速度a2減速下降，再以加速度a3加速上升，最后以加速度a4減速上升。
[0020]優(yōu)選地，加速度a2>加速度al，加速度a3>加速度a4。
[0021]本發(fā)明的目的之二采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0022]采用所述真空反作用力焊接方法的真空反作用力焊接裝置，包括機(jī)箱、用于置入待焊接半成品的真空共晶腔、升溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和變速驅(qū)動機(jī)構(gòu)，真空共晶腔位于機(jī)箱內(nèi)且沿豎直方向與機(jī)箱滑動配合；變速驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)箱內(nèi)，與真空共晶腔驅(qū)動相連并用于驅(qū)動真空共晶腔沿豎直方向變速移動；升溫系統(tǒng)設(shè)于真空共晶腔內(nèi)，冷卻系統(tǒng)設(shè)于機(jī)箱內(nèi)并位于真空共晶腔外。
[0023]優(yōu)選地，真空共晶腔包括金屬腔體和抽真空裝置，金屬腔體的腔壁開有氣孔，該氣孔經(jīng)真空管道與抽真空裝置相連。
[0024]優(yōu)選地，真空共晶腔的腔底開有用于卡裝待焊接半成品的卡槽，卡槽外側(cè)的真空共晶腔腔底螺接有用于固定待焊接半成品的固定墊圈。
[0025]優(yōu)選地，升溫系統(tǒng)包括加熱板和紅外加熱管，加熱板內(nèi)嵌于真空共晶腔的腔底，紅外加熱管固定于真空共晶腔的腔頂。
[0026]優(yōu)選地，真空共晶腔的外圍圍罩有可開合的保溫殼體。
[0027]優(yōu)選地，冷卻系統(tǒng)包括散熱器、用于向真空共晶腔吹風(fēng)的風(fēng)冷裝置和用于向真空共晶腔噴射低溫氣體的氣冷裝置，散熱器連接于真空共晶腔的外底部，風(fēng)冷裝置和氣冷裝置均安裝于機(jī)箱內(nèi)并位于真空共晶腔外。
[0028]優(yōu)選地，機(jī)箱內(nèi)還設(shè)有支撐件、滑軌、滑塊，變速驅(qū)動機(jī)構(gòu)為直線電機(jī)，直線電機(jī)的輸出端與支撐件相連，真空共晶腔通過支撐件與滑塊相連，滑塊與滑軌滑動配合，滑軌固定于機(jī)箱內(nèi)。
[0029]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于:
[0030]本發(fā)明通過快速升降溫、真空、加壓，由于金屬間化合物層的形成與焊料組分和升降溫曲線密切相關(guān)，因此共晶焊料通過快速升溫和退火可達(dá)到最佳焊接效果。而焊點空洞通常是由焊料表面的氧化膜、粉塵微粒、熔化時未排出的氣泡形成，本發(fā)明通過真空、對芯片施加壓力等措施，尤其在加壓過程中采用的是超重原理，即通過加速度產(chǎn)生的反作用力來對半成品施壓，不存在外界壓力對芯片造成的損傷，在實現(xiàn)良好焊接效果的同時，提高器件的可靠性，可以有效降低焊點空洞率。
[0031]另外，傳統(tǒng)工藝在焊接過程中必須多次對芯片、焊料和基板進(jìn)行加熱降溫，對于最早進(jìn)行焊接的芯片來說，這個過程必須反復(fù)直到整板焊接完成，在此過程中存在芯片損傷、焊料產(chǎn)生空洞、芯片移位等可靠性風(fēng)險，而本發(fā)明可在真空共晶腔內(nèi)實現(xiàn)一次同時焊接數(shù)十個芯片，與傳統(tǒng)加壓共晶焊接工藝必須一個一個芯片地進(jìn)行焊接相比，生產(chǎn)效率可提升數(shù)十倍，且本發(fā)明可有效解決以上問題。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明真空反作用力焊接裝置的機(jī)箱示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明真空反作用力焊接裝置的機(jī)箱內(nèi)的正面示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明真空反作用力焊接裝置的機(jī)箱內(nèi)的側(cè)面示意圖；
[0035]圖4為本發(fā)明真空反作用力焊接裝置的真空共晶腔和保溫殼體的配合示意圖；
[0036]圖5為本發(fā)明真空反作用力焊接裝置的工作溫度、真空度與時間關(guān)系示意圖；
[0037]圖6為本發(fā)明為本發(fā)明真空反作用力焊接裝置的共晶段焊料溫度、芯片與基板相互作用力的關(guān)系示意圖；
[0038]圖7為本發(fā)明為本發(fā)明真空反作用力焊接裝置的加速度變化示意圖。
[0039]圖中:1、底座；2、箱體；3、安全門；4、狀態(tài)指示燈；5、觸摸屏；6、真空共晶腔；601、卡槽；602、固定墊圈；603、氣孔；7、加熱板；8、紅外加熱管；9、散熱器；10、氣冷系統(tǒng)；11、保溫殼體；12、直線電機(jī)；13、滑軌；1301、滑塊；14、支撐架；15、支撐件；16、半成品。
【具體實施方式】
[0040]下面，結(jié)合附圖以及【具體實施方式】，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述:
[0041]真空反作用力焊接方法，包括如下步驟:
[0042]S1.芯片通過焊料固晶于基板形成半成品；
[0043]S2.半成品置入真空共晶爐的真空共晶腔內(nèi)；
[0044]S3.對真空共晶腔進(jìn)行抽真空；
[0045]S4.預(yù)熱真空共晶腔，使溫度緩慢上升；
[0046]S5.迅速加熱真空共晶腔，使焊料融化；
[0047]S6.對真空共晶腔施加作用力，使真空共晶腔下降后加速上升；
[0048]S7.對真空共晶腔外部進(jìn)行強(qiáng)制制冷，內(nèi)部通入保護(hù)氣體；
[0049]S8.在焊料固化后解除真空共晶腔的真空狀態(tài)。
[0050]可在真空共晶腔外設(shè)置保溫殼體，以對加熱時的真空共晶腔進(jìn)行保溫。上述步驟S3中，可根據(jù)實際情況確定是否加入保護(hù)氣氛或還原氣氛。在步驟S4中，通過升溫系統(tǒng)慢速均勻升溫，使系統(tǒng)溫度分布均勻，升溫曲線如圖5所示，慢速升溫后進(jìn)入一定保溫階段。在步驟S5中，本例設(shè)定當(dāng)溫度超過180°C時，進(jìn)入快速加熱階段(圖5中所示的共晶段)，真空共晶腔內(nèi)溫度迅速提升至300°C以上，焊料融化并進(jìn)入潤濕狀態(tài)(定義:熔融焊料在被焊金屬表面形成均勻、平滑、連續(xù)并且附著牢固的合金的過程，稱為潤濕)，要得到一個優(yōu)質(zhì)的焊點，須在液態(tài)焊料充分填滿全部焊縫間隙，保證焊接質(zhì)量。
[0051]在步驟S6中，對真空共晶腔下降后加速上升的操作，目的是使半成品處于超重狀態(tài)，在半成品超重的同時，如圖6所示，此時溫度曲線開始快速下降，同時真空共晶腔由于加減速運動產(chǎn)生芯片對基板的反作用力，形成壓力，在焊料固化的溫度點，芯片因嚴(yán)重超重產(chǎn)生較大的壓力向基板方向擠壓，使芯片、焊料和基板緊密連接，同時有助于降低焊點空洞率，優(yōu)化焊接效果。步驟S7中，可通過冷卻系統(tǒng)對真空共晶腔進(jìn)行強(qiáng)制制冷。
[0052]作為一個優(yōu)選的實施方式，在所述步驟S6中，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動真空共晶腔先以加速度al加速下降，然后以加速