专利名称：三明治结构焊点简易制备平台和制备方法
技术领域：
本发明涉及一种三明治结构焊点简易制备平台和制备方法，以在实验室条件下制 备模拟的Cu (Ni-P) /Solder/ (Ni-P) Cu三明治结构的焊点，如图1所示。
技术背景在电子封装工业生产中，倒装焊接技术或表面贴装技术广泛使用热风回流焊炉来 实现电子元器件的贴装。在基础试验研究中，主要研究如图1所示的焊点Cu(Ni—P) /Solder的界面反应及其力学性能。因此，如果在与热风回流焊炉相当条件的实验室 条件下制备出三明治结构焊点，就既能满足实验室的研究需要又能大幅度降低试验研 究成本。基于上述思路，设计一个简易的三明治焊点制备平台并配合控温炉制备 Cu/Solder/Cu焊点试样是非常必要和有实际意义的。 通常的焊点制备方法主要有1、 表面贴装技术(Surface Mount Technology),在印刷电路板(PCB)上首先涂 覆焊膏，然后在贴片机上进行元器件贴装，最后通过热风回流焊炉焊接。将焊接后的 PCB板机械切割以备实验室的研究之需。该方法的优点是获得的焊点与实际条件完 全相同，但试验成本高、试验周期长；2、 其他的实验室焊点制备方法，如文献"Influence of interfacial intermetallic compound on fracture behavior of solder joints. Hwa-Teng Lee, Ming-Hung Chen etc. Materials Science & Engineering A 358(2003)134-141."中描述的制备方法将两根铜棒 用铁丝固定，中间预留一定间隙，然后将其浸入融化的液态焊料池中，待冷却后提出 铜棒，清除铜棒表面的焊料，只留下两铜棒对接端之间的焊料，作为连接两根铜棒的 焊点。该方法存在以下缺点(1)由于纯手工操作，无法保证铜棒两端严格对中；(2) 无法精确控制焊点厚度；(3)不能精确控制融池中的焊料温度，制备焊点与SMT所 得焊点的凝固速率有偏差，进而影响焊点组织；(4)铜棒表面的焊料清理繁琐、焊料 的消耗过多，实验成本上升。发明内容本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种三明治结构焊点简易制备平台和制备方法，能在热风回流焊炉相当条件的实验室条件下制备出三明治结构焊 点，满足实验研究需要，大幅降低成本。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案一种三明治结构焊点简易制备平台，包括一个底座，其特征在于所述的底座上竖 直安装一个内径与F焊接铜棒滑配的下套筒，所述的下套筒通过可拆卸连接件与一个 内径与上焊接铜棒滑配的上套筒同轴线连接，所述的上套筒的上端旋配一个端盖，而 上套筒上端内孔滑配一块圆片，所述的圆片与端盖内底之间由一个弹簧弹性支承。上述的可拆卸连接件为两片连接片，每片的连接片两端通过螺钉分别与上套筒和 下套筒连接，在连接处，上套筒的下端外壁和下套筒上端外壁上分别有180°分布的 凹槽与两片连接片的上下端滑配相嵌，实现上套筒与下套筒处于同一中心线。上述的可拆卸连接件为一个两端带有内螺纹而中部有穿孔的外套筒，而所述的上 套筒下端和下套筒的上端有外螺纹与其相旋接。上述的下套筒下端有外螺纹与所述的底座上的螺孔旋接。一种三明治结构焊点制备方法，采用上述的三明治结构焊点简易制备平台进行制 备，其特征在于制备步骤为(1) 制备焊接铜棒；(2) 选择焊料；(3) 将铜棒和焊料装卡在三明治结构焊点简易制平台中； (4) 将装好铜棒的焊料的制备平台放置于可控温回火炉中，调控峰值温度及峰值 温度停留时间。上述的焊接铜棒中的上焊接铜棒制成上粗下细的T型阶梯圆柱结构，其上粗段的 外圆与平台中的上套筒的上端内孔滑配，而其下细段的外圆与上套筒下部内孔滑配； 焊接铜棒中的下焊接铜棒为直圆柱结构，其外圆与平台中的下套筒内孔滑配。上述的焊料为Sn-3.0Ag-0.5Cu或Sn-Co-Cu制成(<|)6mm±0.1mm) X (4mm± 0.1mm)的薄片。上述的控温保温为对Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料的焊点试样，其峰值温度为250±5 。C，对Sn-Co-Cu焊料的焊点试样，其峰值温度为260土5X:，整个焊接时间为5min， 其中峰值温度持续时间为lmin，然后试样室冷至室温。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本 发明将两根焊接铜棒置于上下对中的两个套筒中，确保了两铜棒端头严格对中；由于在弹簧力的作用下，能精确控制焊点的厚度；操作方便，焊料消耗少，成本较低。
图1是铜/焊料/铜三明治结构焊点示意图。图2是本发明一个实施例的结构示意图。图3是图2中A-A处剖面图。图4是Cu/Solder/Cu三明治结构焊点的照片图。图5是拉伸测试后的Cu/Solder/Cu三明治结构焊点的照片图。 图6是Cu/Solder/Cu三明治结构焊点在150°不同时间时效处理后的拉伸断裂强 度与时效时间的关系曲线图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例是参见图l，本三明治结构焊点简易制备平台包括一 个底座7，底座7上竖直安装一个内径与F焊接铜棒8滑配的下套筒6，下套筒6通 过可拆卸连接件5与一个内径与上焊接铜棒10滑配的上套筒4同轴线连接，上套筒 4的上端旋配一个端盖1，而上套筒4上端内孔滑配一块圆片3，圆片3与端盖1内 底之间由一个弹簧2弹性支承。上述的可拆卸连接件5为两片连接片，每片的连接片 两端通过螺钉分别与上套筒4和下套筒6连接，在连接处，参见图3，上套筒4的下 端外壁和下套筒6上端外壁上分别有180°分布的凹槽与两片连接片的上下端滑配相 嵌，实现上套筒4与下套筒6的对中。下套筒6下端有外螺纹与底座7上的螺孔旋接。本实施例用于制备图1所示的铜/焊接/铜(Cu/Solder/Cu)三明治结构焊点本发明的另一个实施例是本实施例基本上与上述实施例相同，所不同之处在于 可拆卸连接件5采用一个两端带有内螺纹而中部有穿孔的外套筒，而上述的上套筒4 下端和下套筒6上端有外螺纹与其相旋接，则同样可确保上下套筒的对中连接。本发明的第三个实施例是本三明治结构焊点制备方法是采用上述的三明治结构 焊点简易制备平台进行制备，其制备步骤为制备焊接铜棒(8、 10)、选择焊料(9)、将铜棒和焊料装卡在平台中、将平台置于可控温回火炉中调控峰值温度及峰值温度停 留时间进行焊接。本实施例用于制备图1所示的铜/焊接/铜(Cu/Solder/Cu)三明治结构焊点配合 图2所示的上套筒，根据设定的焊点厚度，将上铜棒设计成上粗下细的T型阶梯圆柱 结构。T型铜棒总长度50mm，具体结构尺寸公式如下(单位mm)，令焊料厚度为d;T型铜棒上端(粗)直径为C7，长度为A， A=20-d; T型铜棒下端(细)直径为C6,长度为B， B=30+d;其使用方法如下首先将下套筒6旋入底座7中，下铜棒8的上端涂敷助焊剂后 插入下套筒6中，将块状焊料9放置在下铜棒8上端，随后安装连接件5和上套筒4， 并插入底端涂敷了助焊剂的上铜棒10到上套筒4中再放置圆片3和弹簧2在上铜棒 IO上端，最后旋紧端盖l。连接件5采用内嵌式结构的连接片确保了上下套筒4、 6的严格对中，上下套筒 4、 6以及底座7的内腔同轴度士5pm。铜棒8、 10与套筒4、 6为间隙配合(06H8/f7)。 连接件5起到支撑和连接上下套筒4、 6的作用并保证其间有一个镂空的间隙。该间 隙确保了薄片状焊料融化一凝固过程中粘附在套筒4、 6内腔及可能的焊料塌陷形成 的焊瘤不会影响已焊试样的装卸；底座7内壁为内螺纹结构，与下套筒6的螺纹配合。下套筒6在底座7的上下旋转并结合与端盖1的配合，不仅可以调节试样的受力大小， 而且可以适当调节预留的待焊接间隙。Cu (Ni-P) /Solder/ (Ni-P) Cu三明治结构焊点在可控温回火炉内的温度一时间 工艺Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点试样在250士5。C ( Sn-3.0Ag-0.5Cu熔点220°C )， Sn-0.4Co-0.7Cu焊点试样在260±5°C (Sn-0.4Co-0.7Cu熔点227°C)分别保持焊接时 间5min (峰值温度持续时间约lmin)，取出空冷至室温。其中焊料的制备为和装卡于平台的方法是取法国Avantec化工公司提供的 Sn-3.0Ag-0.5Cu棒材和自行研制的Sn-Co-Cu合金分别制成(p6mmx4mm的焊料薄片 (切成4mm厚是考虑了部分融化焊料的流失)，使用商业用纯铜(299%),用40% 硝酸溶液去除两根铜棒端面的氧化层，将上铜棒加工成尺寸为(p7mmxl8mm + cp6mmx32mm的T型结构的圆柱，下铜棒尺寸为(p6mmx50mm，将铜棒及薄片状焊 料(涂覆德国产助焊剂Kester艮Tacky soldering flux)装夹在图2所示的焊接平台上。图4示出本实施例制备的Cu/Solder/Cu三明治结构焊点。图5是在图2所示的平台上制备的三明治结构的焊点经15(TC时效处理后拉伸断 裂的原始试样。图6是上述焊点在150'C不同时间时效处理后的拉伸断裂强度与时效时间的关系 曲线。获得的结果与采用其他方法制备的焊点强度与时效时间的关系曲线具有相同趋 势。
权利要求
1. 一种三明治结构焊点简易制备平台，包括一个底座(7)，其特征在于所述的底座(7)上竖直安装一个内径与下焊接铜棒(8)滑配的下套筒(6)，所述的下套筒(6)通过可拆卸连接件(5)与一个内径与上焊接铜棒(10)滑配的上套筒(4)同轴线连接，所述的上套筒(4)的上端旋配一个端盖(1)，而上套筒(4)上端内孔滑配一块圆片(3)，所述的圆片(3)与端盖(1)内底之间由一个弹簧(2)弹性支承。
2. 根据权利要求l所述的三明治结构焊点简易制备平台，其特征在于所述的可拆卸 连接件(5)为两片连接片，每片的连接片两端通过螺钉分别与上套筒(4)和下套筒(6) 连接，在连接处，上套筒(4)的下端外壁和下套筒(6)上端外壁上分别有180°分布 的凹槽与两片连接片的上下端滑配相嵌，实现上套筒(4)与下套筒(6)处于同一中心 线。
3. 根据权利要求l所述的三明治结构焊点简易制备平台，其特征在于所述的可拆卸 连接件(5)为一个两端带有内螺纹而中部有穿孔的外套筒，而所述的上套筒(4)下端 和下套筒(6)的上端有外螺纹与其相旋接。
4. 根据权利要求l所述的三明治结构焊点简易制备平台，其特征在于所述的下套筒 (6)下端有外螺纹与所述的底座(7)上的螺孔旋接。
5. —种三明治结构焊点制备方法，采用根据权利要求1所述的三明治结构焊点简易 制备平台进行制备，其特征在于制备步骤为(1) 制备焊接铜棒(8、 10);(2) 选择焊料(9);(3) 将铜棒和焊料装卡在三明治结构焊点简易制备平台中；(4) 将装好铜棒的焊料的制备平台放置于可控温回火炉中，调控峰值温度及峰值温度停留时间。
6. 根据权利要求5所述的三明治结构焊点制备方法，其特征在于所述的焊接铜棒中 的上焊接铜棒(10)制成上粗下细的T型阶梯圆柱结构，其上粗段的外圆与平台中 的上套筒(4)的上端内孔滑配，而其下细段的外圆与上套筒(4)下部内孔滑配；焊接 铜棒中的下焊接铜棒(8)为直圆柱结构，其外圆与平台中的下套筒(6)内孔滑配。
7. 根据权利要求5所述的三明治结构焊点制备方法，其特征在于所述的焊料(9)为 Sn-3.0Ag-0.5Cu或Sn-Co-Cu制成(<j)6mm±0.1mm) X (4mm土0.1mm)的薄片。
8. 根据权利要求5所述的三明治结构焊点制备方法，其特征在于所述的控温保温为对Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料的焊点试样，其峰值温度为250±5°C ，对Sn-Co-Cu焊料 的焊点试样，其峰值温度为260±5°C，整个焊接时间为5min，其中峰值温度持 续时间为lmin，然后试样室冷至室温。
全文摘要
本发明涉及一种三明治结构焊点简易制备平台和制备方法。制备平台包括一个底座，底座上竖直安装一个内径与下焊接铜棒滑配的下套筒，下套筒通过可拆卸连接件与一个内径与上焊接铜棒滑配的上套筒同轴线连接，上套筒的上端旋配一个端盖，而上套筒上端内孔滑配一块圆片，圆片与端盖内底之间由一个弹簧弹性支承。制备方法步骤为制备焊接铜棒、选择焊料、将铜棒和焊料装卡在平台内，将平台置于可控温回火炉中进行焊接。本发明能确保两铜棒端头严格对中，能精确控制焊点厚度，操作方便，焊料消耗少，成本低。
文档编号G01N1/28GK101231221SQ200710042738
公开日2008年7月30日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者吉小萍, 鹏 孙, 鞠国魁, 韦习成 申请人:上海大学