真空反作用力焊接方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及真空共晶焊接装置，尤其涉及真空反作用力焊接方法及其装置。
【背景技术】
[0002]共晶焊接技术在微电子与光电子封装领域得到广泛应用，如芯片与基板的粘接、基板与管壳的粘接、管壳盖板封装等。焊点作为器件的连接材料，担负着机械、电路连接以及热交换等任务，相比于普通的导电胶粘接方式，共晶焊接技术具有热导率高、电阻小、可靠性强等优势，特别适用于各类大功率或高频芯片与基板、基板与管壳的互联。对芯片较高散热要求或可靠性要求的功率器件均采用共晶焊接，如IGBT封装、微波功率器件、大功率LED芯片、激光二极管、多芯片组件、航空航天电子器件等。影响共晶焊接质量的主要因素有升降温速率，共晶压力，温度均匀性，保护气氛和焊料匹配等。这些因素处理不当极易产生的金属间化合物层(IMC)过厚、分布不均，空洞率偏高，引发可靠性隐患。
[0003]目前主要的共晶焊接设备工艺有:红外回流焊炉、带有吸嘴和镊子的共晶机、真空共晶炉等，上述设备及工艺方法均存在以下不足:
[0004](I)红外回流焊炉存在升降温速度慢、温区不均匀、传送过程存在抖动容易导致芯片移位；
[0005](2)采用带有吸嘴和镊子的共晶机存在产量低，易对芯片尤其光电类芯片造成损伤、影响产品光电性能，同时因采用逐个芯片共晶，如果是多芯片组件易致部分先共晶的芯片长时间芯片重复受热造成芯片材料性能劣化，焊料多次融化影响焊接的寿命和性能；
[0006](3)真空共晶炉具有较高的升降温速率，但为保证共晶质量，常常用额外的治具对芯片施加压力，适合较大芯片封装，不适合小芯片和表面脆弱的芯片。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供真空反作用力焊接方法，能在避免芯片损伤的前提下，对芯片施加加速度反作用力，能有效降低焊点空洞率。
[0008]本发明的目的之二在于提供真空反作用力焊接装置。
[0009]本发明的目的之一采用以下技术方案实现:
[0010]真空反作用力焊接方法，包括如下步骤:
[0011]S1.芯片通过焊料固晶于基板形成半成品；
[0012]S2.半成品置入真空共晶炉的真空共晶腔内；
[0013]S3.对真空共晶腔进行抽真空；
[0014]S4.预热真空共晶腔，使温度缓慢上升；
[0015]S5.迅速加热真空共晶腔，使焊料融化；
[0016]S6.对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.对真空共晶腔外部进行强制制冷，内部通入保护气体；
[0018]S8.在焊料固化后解除真空共晶腔的真空状态。
[0019]优选地，在所述步骤S6中，通过驱动机构带动真空共晶腔先以加速度al加速下降，然后以加速度a2减速下降，再以加速度a3加速上升，最后以加速度a4减速上升。
[0020]优选地，加速度a2>加速度al，加速度a3>加速度a4。
[0021]本发明的目的之二采用以下技术方案实现:
[0022]采用所述真空反作用力焊接方法的真空反作用力焊接装置，包括机箱、用于置入待焊接半成品的真空共晶腔、升温系统、冷却系统和变速驱动机构，真空共晶腔位于机箱内且沿竖直方向与机箱滑动配合；变速驱动机构安装于机箱内，与真空共晶腔驱动相连并用于驱动真空共晶腔沿竖直方向变速移动；升温系统设于真空共晶腔内，冷却系统设于机箱内并位于真空共晶腔外。
[0023]优选地，真空共晶腔包括金属腔体和抽真空装置，金属腔体的腔壁开有气孔，该气孔经真空管道与抽真空装置相连。
[0024]优选地，真空共晶腔的腔底开有用于卡装待焊接半成品的卡槽，卡槽外侧的真空共晶腔腔底螺接有用于固定待焊接半成品的固定垫圈。
[0025]优选地，升温系统包括加热板和红外加热管，加热板内嵌于真空共晶腔的腔底，红外加热管固定于真空共晶腔的腔顶。
[0026]优选地，真空共晶腔的外围围罩有可开合的保温壳体。
[0027]优选地，冷却系统包括散热器、用于向真空共晶腔吹风的风冷装置和用于向真空共晶腔喷射低温气体的气冷装置，散热器连接于真空共晶腔的外底部，风冷装置和气冷装置均安装于机箱内并位于真空共晶腔外。
[0028]优选地，机箱内还设有支撑件、滑轨、滑块，变速驱动机构为直线电机，直线电机的输出端与支撑件相连，真空共晶腔通过支撑件与滑块相连，滑块与滑轨滑动配合，滑轨固定于机箱内。
[0029]相比现有技术，本发明的有益效果在于:
[0030]本发明通过快速升降温、真空、加压，由于金属间化合物层的形成与焊料组分和升降温曲线密切相关，因此共晶焊料通过快速升温和退火可达到最佳焊接效果。而焊点空洞通常是由焊料表面的氧化膜、粉尘微粒、熔化时未排出的气泡形成，本发明通过真空、对芯片施加压力等措施，尤其在加压过程中采用的是超重原理，即通过加速度产生的反作用力来对半成品施压，不存在外界压力对芯片造成的损伤，在实现良好焊接效果的同时，提高器件的可靠性，可以有效降低焊点空洞率。
[0031]另外，传统工艺在焊接过程中必须多次对芯片、焊料和基板进行加热降温，对于最早进行焊接的芯片来说，这个过程必须反复直到整板焊接完成，在此过程中存在芯片损伤、焊料产生空洞、芯片移位等可靠性风险，而本发明可在真空共晶腔内实现一次同时焊接数十个芯片，与传统加压共晶焊接工艺必须一个一个芯片地进行焊接相比，生产效率可提升数十倍，且本发明可有效解决以上问题。
【附图说明】
[0032]图1为本发明真空反作用力焊接装置的机箱示意图；
[0033]图2为本发明真空反作用力焊接装置的机箱内的正面示意图；
[0034]图3为本发明真空反作用力焊接装置的机箱内的侧面示意图；
[0035]图4为本发明真空反作用力焊接装置的真空共晶腔和保温壳体的配合示意图；
[0036]图5为本发明真空反作用力焊接装置的工作温度、真空度与时间关系示意图；
[0037]图6为本发明为本发明真空反作用力焊接装置的共晶段焊料温度、芯片与基板相互作用力的关系示意图；
[0038]图7为本发明为本发明真空反作用力焊接装置的加速度变化示意图。
[0039]图中:1、底座；2、箱体；3、安全门；4、状态指示灯；5、触摸屏；6、真空共晶腔；601、卡槽；602、固定垫圈；603、气孔；7、加热板；8、红外加热管；9、散热器；10、气冷系统；11、保温壳体；12、直线电机；13、滑轨；1301、滑块；14、支撑架；15、支撑件；16、半成品。
【具体实施方式】
[0040]下面，结合附图以及【具体实施方式】，对本发明做进一步描述:
[0041]真空反作用力焊接方法，包括如下步骤:
[0042]S1.芯片通过焊料固晶于基板形成半成品；
[0043]S2.半成品置入真空共晶炉的真空共晶腔内；
[0044]S3.对真空共晶腔进行抽真空；
[0045]S4.预热真空共晶腔，使温度缓慢上升；
[0046]S5.迅速加热真空共晶腔，使焊料融化；
[0047]S6.对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.对真空共晶腔外部进行强制制冷，内部通入保护气体；
[0049]S8.在焊料固化后解除真空共晶腔的真空状态。
[0050]可在真空共晶腔外设置保温壳体，以对加热时的真空共晶腔进行保温。上述步骤S3中，可根据实际情况确定是否加入保护气氛或还原气氛。在步骤S4中，通过升温系统慢速均匀升温，使系统温度分布均匀，升温曲线如图5所示，慢速升温后进入一定保温阶段。在步骤S5中，本例设定当温度超过180°C时，进入快速加热阶段(图5中所示的共晶段)，真空共晶腔内温度迅速提升至300°C以上，焊料融化并进入润湿状态(定义:熔融焊料在被焊金属表面形成均匀、平滑、连续并且附着牢固的合金的过程，称为润湿)，要得到一个优质的焊点，须在液态焊料充分填满全部焊缝间隙，保证焊接质量。
[0051]在步骤S6中，对真空共晶腔下降后加速上升的操作，目的是使半成品处于超重状态，在半成品超重的同时，如图6所示，此时温度曲线开始快速下降，同时真空共晶腔由于加减速运动产生芯片对基板的反作用力，形成压力，在焊料固化的温度点，芯片因严重超重产生较大的压力向基板方向挤压，使芯片、焊料和基板紧密连接，同时有助于降低焊点空洞率，优化焊接效果。步骤S7中，可通过冷却系统对真空共晶腔进行强制制冷。
[0052]作为一个优选的实施方式，在所述步骤S6中，通过驱动机构带动真空共晶腔先以加速度al加速下降，然后以加速