一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置及方法与流程

本发明涉及陶瓷覆铜板的制造领域，特别涉及一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置及方法。

背景技术：

超声波测厚技术就是通过超声波换能器发射一定频率的超声波进入待测物品内，在待测物体内向前传播的过程中，超声波遇到介质分界面，如钎缝、固液结合面等，入射波长在这些界面产生反射波长，通过分析反射波长包含的频率、传播时间、波形以及幅值类型等信息，将检测到的反射波长的材料声学特性反馈到压电陶瓷晶片由声信号转变为电信号，从而得到钎缝形貌及位置、厚度尺寸、内部缺陷等信息。超声检测具有灵敏度高、检测环境要求低、时间短效率高、结果精准、检测成本低、检测范围大、对人体无伤害等优点，被广泛应用于交通运输、电力、航天航空、国防、船舶、石油和化工等领域。

陶瓷覆铜板是将高导电无氧铜与陶瓷表面进行焊接而形成的一种复合金属陶瓷基板，既具有陶瓷的高导热性、高绝缘性、高机械强度以及低膨胀等特性，又具有无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能，易于刻蚀出各种图形，是电力电子领域功率模块封装连接芯片与散热衬底的关键材料。其中，陶瓷覆铜板常用的制备方法分为三种：活性钎焊法、直接覆铜法和化学覆铜法，本发明主要针对的是采用活性钎焊法制备的陶瓷覆铜板。目前，陶瓷覆铜板的超声检测主要是针对钎缝焊合率的检测，并未涉及陶瓷覆铜板的钎缝厚度的检测，而钎缝厚度的均匀性会直接影响陶瓷覆铜板钎缝的抗弯强度和断裂韧性，若钎缝的厚度过薄或存在缺陷，钎缝将会在基板热循环过程中发生断裂，进而严重影响电子元器件的工作性能，造成经济损失。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置及方法，旨在解决现有技术不能有效获取准确的钎缝厚度信息的问题。

本发明的技术方案如下：

一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置，其中，包括用于放置陶瓷覆铜板的变位工作台，设置在所述变位工作台上方且可移动的超声波换能器，与所述超声波换能器电连接的计算机，所述超声波换能器与所述计算机之间设置有用于对超声波换能器测得的扫描信息进行预处理的组合电路。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置，其中，所述组合电路包括依次连接的放大电路、滤波电路以及a/d采样电路。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置，其中，所述超声波换能器与计算机之间还设置有信号发射电路，所述计算机、信号发射电路、超声波换能器以及组合电路依次电连接并形成闭合电路。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置，其中，还包括设置于所述变位工作台一侧并与所述计算机相连的翻转夹爪。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置，其中，还包括与所述变位工作台固定连接的第一支架，与所述超声波换能器固定连接的第二支架，所述第一支架与第二支架通过滑动导轨连接。

一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其中，包括步骤：

在计算机的控制下，通过移动超声波换能器对待焊铜板进行扫描，获取所述待焊铜板中各个点的厚度；

在所述计算机的控制下，通过移动超声波换能器对陶瓷覆铜板进行扫描，获取所述陶瓷覆铜板中各个点的铜板与钎缝总厚度；

通过所述计算机进行数据处理，获取所述陶瓷覆铜板的钎缝厚度并生成钎缝信息的三维云图；

利用翻转夹爪使所述陶瓷覆铜板翻转180°，检测所述陶瓷覆铜板另一面的钎缝厚度，并生成相应的钎缝信息的三维云图。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其中，所述在在计算机的控制下，通过移动超声波换能器对待焊铜板进行扫描，获取所述待焊铜板中各个点的厚度的步骤包括：

在计算机的控制下，信息发射电路将所述计算机的信号传输至超声波换能器；

所述超声波换能器接收到所述计算机的信号对待焊铜板进行扫描，所述计算机实时记录所述超声波换能器的超声波发射时间t1和接收到反射波信号的时间t2以及所述超声波换能器的位移速度；

所述计算机对获取的数据进行处理，得到所述待焊铜板中各个点的厚度。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其中，所述在计算机的控制下，通过移动超声波换能器对陶瓷覆铜板进行扫描，获取所述陶瓷覆铜板中各个点的铜板与钎缝总厚度的步骤包括：

所述超声波换能器接收到所述计算机的信号，对陶瓷覆铜板进行扫描，所述计算机实时记录所述超声波换能器的波长发射时间t3和接收到反射波长信号的时间t4；

所述计算机对获取的数据进行处理，得到所述陶瓷覆铜板中各个点的铜板与钎缝总厚度h1。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其中，所述自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其中，所述通过所述计算机进行数据处理，获取钎缝厚度并生成钎缝信息的三维云图的步骤包括：

利用所述计算机对所述待焊铜板的厚度进行修正，获得修正后的已焊铜板的厚度h2，将所述陶瓷覆铜板中铜板与钎缝总厚度h1减去修正后的所述已焊铜板的厚度h2，即得钎缝厚度h0，并生成钎缝信息的三维云图。

所述的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其中，所述在计算的控制下，通过移动超声波换能器对待焊铜板/陶瓷覆铜板进行扫描之前还包括步骤：

对所述待焊铜板和陶瓷覆铜板的表面进行清洗，在清洗后的待焊铜板和陶瓷覆铜板的表面涂覆耦合剂

有益效果：本发明提供了一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置，通过在计算机的控制下，利用超声波换能器对待焊铜板以及陶瓷覆铜板分别进行扫描，获取待焊铜板中各个点的厚度以及陶瓷覆铜板中各个点的铜板与钎缝总厚度，其后，利用计算机对数据进行处理，得到钎缝厚度以及钎缝的三维云图，实现了陶瓷覆铜板的钎缝厚度的有效及准确测量，适用于工业生产。

附图说明

图1为本发明一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置结构示意图。

图2为本发明一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置及其方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的陶瓷覆铜板的超声检测主要是针对钎缝焊合率的检测，并未涉及陶瓷覆铜板的钎缝厚度的检测，而钎缝厚度的均匀性会直接影响陶瓷覆铜板钎缝的抗弯强度和断裂韧性，若钎缝的厚度过薄或存在缺陷，钎缝将会在基板热循环过程中发生断裂，而严重影响电子元器件的工作性能。

基于现有的陶瓷覆铜板的超声检测不能有效获取准确钎缝厚度信息的问题，本发明实施例提供一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置，如图1所示，其包括用于放置陶瓷覆铜板的变位工作台10，设置在所述变位工作台10上方且可移动的超声波换能器20，与所述超声波换能器20电连接的计算机50，所述超声波换能器20与所述计算机50之间设置有用于对超声波换能器20测得的扫描信息进行预处理的组合电路30，所述超声波换能器20与计算机50之间还设置有信号发射电路40，所述计算机50、信号发射电路40、超声波换能器20以及组合电路40依次电连接并形成闭合电路。

在本实施例中，通过信号发射电路40将计算机50的信号传输至超声波换能器20，所述超声波换能器20接收到所述计算机50的信号后，对待焊铜板或陶瓷覆铜板分别进行扫描，其后，超声波换能器20将接收到的声波信息转换成电信号经过组合电路30预处理后传输给所述计算机50，所述计算机接收并实时记录数据，其后，对数据进行处理得到所述陶瓷覆铜板的钎缝厚度及生成钎缝信息的三维云图。

如图1所示，本实施例中，所述陶瓷覆铜板包括从上至下依次层叠设置的第一铜板1、第一活性焊料钎缝2、第一反应层3、陶瓷板4、第二反应层5、第二活性焊料钎缝6、第二铜板7。作为举例，所述反应层可以是活性钎料中的金属钛与氮化铝陶瓷板发生反应aln+ti→al+tin生成的一层反应层，反应层的厚度是亚微米级或甚至更薄，由于反应层的反射波波峰与氮化铝陶瓷波峰相近，可视为和氮化铝陶瓷为一体，当超声波进入所述陶瓷覆铜板时，铜板与活性焊料钎缝之间的介质分界面形成的反射波信号弱难以检测，当超声波继续向前传播达到活性焊料钎缝与反应层的介质分界面时，产生反射波，超声波换能器接收反射波并将声信号转变为电信号，进一步地，通过组合电路预处理后传输给计算机。

在一些实施方式中，如图1所示，所述组合电路30包括依次连接的放大电路31、滤波电路32以及a/d采样电路33。其中，所述放大电路31用于将获得的扫描信息进行放大处理并使传输线路阻抗匹配，所述滤波电路32用于对扫描信息的噪声和元器件的噪声过滤，所述a/d采样电路33用于将所述扫描信息由电信号转变为数字信号，本实施例中，通过将扫描信息依次经过放大电路31、滤波电路32以及a/d采样电路33进行处理，最后转变为数字信号由计算机50进行实时记录。

在一些实施方式中，如图1所示，还包括设置于所述变位工作台10一侧并与所述计算机50相连的翻转夹爪60。本实施例中，在计算机50的控制下，当测完所述陶瓷板一侧的钎缝厚度，所述翻转夹爪60可夹持所述陶瓷覆铜板进行180°的翻转，使所述陶瓷覆铜板的另一侧朝上，采用超声波换能器20继续进行扫描，通过所述翻转夹爪60对所述陶瓷覆铜板进行翻转，避免了人为翻转过程中，对所述陶瓷覆铜板表面的污染，从而影响厚度测量的准确性，同时，采用所述翻转夹爪60还有利于提高生产效率，缩短操作时间。

在一些实施方式中，如图1所示，所述变为工作台10上固定连接有第一支架11，所述超声波换能器20上固定连接有第二支架21，所述第一支架11与所述第二支架21通过滑动导轨70连接。在本实施例中，所述第一支架位于竖直方向，所述第二支架21位于水平方向，所述第一支架11通过所述滑动导轨70可带动所述超声波换能器20沿水平方向移动，也就是说，本实施例通过将所述第一支架11与所述第二支架21通过滑动导轨70连接，保证了所述超声波换能器20能够相对所述陶瓷覆铜板70在竖直和水平方向稳定地扫描，避免了超声波换能器20在扫描过程中受到外界因素干扰，发生微弱倾斜，从而导致测量结果发生误差，使测得的钎缝厚度的准确性低，影响对陶瓷覆铜板品质的判断。

在一些实施方式中，还提供一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其包括步骤：

s100、在计算机的控制下，通过移动超声波换能器对待焊铜板进行扫描，获取所述待焊铜板中各点的厚度以及边界轮廓信息；

s200、在所述计算机的控制下，通过移动超声波换能器对陶瓷覆铜板进行扫描，获取所述陶瓷覆铜板中各点的铜板与钎缝总厚度以及所述陶瓷覆铜板的铜板边界轮廓信息；

s300、通过所述计算机进行数据处理，获取陶瓷覆铜板钎缝厚度并生成钎缝信息的三维云图；

s400、利用翻转夹爪使所述陶瓷覆铜板翻转180°，检测所述陶瓷覆铜板另一面的钎缝厚度，并生成相应的钎缝信息的三维云图。

本实施例中，如图2所示，通过在计算机的控制下，首先，通过移动超声波换能器对待焊铜板进行扫描，获取所述待焊铜板的厚度以及边界轮廓信息，其后，通过移动所述超声波换能器对陶瓷覆铜板进行扫描，获取所述陶瓷覆铜板朝上一侧的铜板与钎缝的总厚度以及所述陶瓷覆铜板的铜板边界轮廓信息，通过对上述获取的数据进行处理，可得所述陶瓷覆铜板一侧的钎缝厚度，并生成相对应的钎缝信息的三维云图，将所述陶瓷覆铜板翻转180°进行检测，可获得另一面的钎缝厚度并生成相应的钎缝信息的三维云图。本实施例中采用的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法操作简单、工作效率高、检测结果准确性好、适用于大批量生产。

在一些实施方式中，所述陶瓷覆铜板的厚度为0.1mm-1.2mm。本实施例中，采用的自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法使用于检测厚度为0.1mm-1.2mm的陶瓷覆铜板。

在一些实施方式中，所述在在计算机的控制下，通过移动超声波换能器对待焊铜板进行扫描，获取所述待焊铜板的厚度以及边界轮廓信息的步骤包括：

在计算机的控制下，信息发射电路将所述计算机的信号传输至超声波换能器；

所述超声波换能器接收到所述计算机的信号对待焊铜板进行扫描，所述计算机实时记录所述超声波换能器的超声波发射时间t1和接收到反射波信号的时间t2以及所述超声波换能器的位移速度；

所述计算机对获取的数据进行处理，得到所述待焊铜板的厚度以及边界轮廓信息。

本实施例中，超声波换能器对待焊铜板进行扫描时，将所述超声波换能器贴合在所述待测铜板表面，使所述超声波换能器发出的超声波直接进入所述待测铜板，并利用计算机实时记录下所述超声波换能器的超声波发射时间t1，当超声波信号在所述待测铜板内向前进行传播至铜板底部与空气之间的介质分界面时，在介质分界面产生反射波，所述超声波换能器接收反射波的信号将声信号转化为电信号，进一步地，将其传输给所述计算机，利用所述计算机实时记录下所述超声波换能器接收到反射波的时间t2，并通过公式h＝1/2*c*(t2-t1)即可计算出所述待测铜板各点处的铜板厚度，其中，c代表超声波在所述待测铜板之间的传播速度，同时，采用所述超声换能器对所述待测铜板进行扫描时，还可通过所述计算机获取所述超声波换能器的位移速度，即可获得所述待测铜板的边界轮廓信息，将其与各点处的铜板厚度结合还可获得所述待测铜板的三维云图。

在一些实施方式中，所述在计算机的控制下，通过移动超声波换能器对陶瓷覆铜板进行扫描，获取所述陶瓷覆铜板中的铜板与钎缝的总厚度以及所述陶瓷覆铜板的铜板边界轮廓信息的步骤包括：

所述超声波换能器接收到所述计算机的信号，对陶瓷覆铜板进行扫描，所述计算机实时记录所述超声波换能器的波长发射时间t3和接收到反射波长信号的时间t4以及所述超声波换能器的的位移速度；

所述计算机对获取的数据进行处理，得到所述陶瓷覆铜板中铜板与钎缝的总厚度h1以及铜板的边界轮廓信息。

在本实施例中，超声波换能器对陶瓷覆铜板进行扫描时，将所述超声波换能器贴合在所述陶瓷覆铜板表面，使所述超声波换能器发出的超声波直接进入所述陶瓷覆铜板，并利用计算机实时记录下所述超声波换能器的超声波发射时间t3，当超声波信号在所述陶瓷覆铜板内向前进行传播至活性焊料钎缝层与反应层之间的介质分界面时，在介质分界面会产生反射波，所述超声波换能器接收所述反射波的信号并将其转化为电信号，进一步地，将其传输给所述计算机，利用所述计算机实时记录下所述超声波换能器接收到反射波的时间t4，并通过公式h＝1/2*c*(t4-t3)即可计算出所述待陶瓷覆铜板中各点处的铜板与钎缝的总厚度h1，其中，c代表超声波在所述陶瓷覆铜板的铜板内的传播速度，与此同时，采用所述超声换能器对所述陶瓷覆铜板进行扫描时，还可通过所述计算机获取所述超声波换能器的位移速度，即可得到所述陶瓷覆铜板的边界轮廓信息。

在一些实施方式中，所述自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的方法，其中，所述通过所述计算机进行数据处理，获取钎缝厚度并生成钎缝信息的三维云图的步骤包括：

利用所述计算机对所述待焊铜板的厚度进行修正，获得修正后的已焊铜板的厚度h2，将所述陶瓷覆铜板中铜板与钎缝的总厚度h1减去修正后的所述已焊铜板的厚度h2，即得钎缝厚度h0，并生成钎缝信息的三维云图。

本实施例中，由于铜板在焊接前后的质量不会发生变化，在默认焊接前后铜板的密度不变的前提下，根据质量和密度不变所以体积守恒的原理，采用计算机根据所述陶瓷覆铜板上的铜板的轮廓信息对所所述待焊铜板的轮廓进行修正，进一步地，得到修正后的已焊铜板的厚度h2，将所述陶瓷覆铜板中铜板与钎缝的总厚度h1减去修正后的所述已焊铜板的厚度h2，即得钎缝厚度h0，同时，可根据钎缝厚度信息生成钎缝信息的三维云图。

在一些实施方式中，所述在计算的控制下，通过移动超声波换能器对待焊铜板/陶瓷覆铜板进行扫描之前还包括步骤：

对所述待焊铜板/陶瓷覆铜板的表面进行清洗，在清洗后的待焊铜板/陶瓷覆铜板的表面涂覆耦合剂。

本实施例中，首先对所述待焊铜板/陶瓷覆铜板的表面进行清洗，除去表面的杂质及油污，其次，在清洗后的所述待焊铜板/陶瓷覆铜板的表面涂覆耦合剂，耦合剂排除了超声波换能器与所述待焊铜板/陶瓷覆铜板之间的空气，使超声波能够有效地穿入所述待焊铜板/陶瓷覆铜板中，有利于提高测量的准确度。

在一些实施方式中，所述耦合剂为甘油。

下面通过具体实施例对本发明一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置及其方法做进一步的解释说明：

实施例1

对尺寸为114mm×114mm×0.3mm的铜板进行清洗，除去其表面氧化物和杂质，其后在表面涂覆一层甘油，在计算的控制下，利用超声波换能器对其进行扫描，获得铜板的厚度以及边界尺寸的模型。

采用ag-cu-ti活性焊料使铜板与陶瓷板在880℃下进行活性钎焊得到陶瓷覆铜板，将陶瓷覆铜板进行清洗，并在其表面涂覆一层甘油，采用超声波换能器以10mm/s的速度水平移动对陶瓷覆铜板进行扫描，通过计算机测得铜板与钎缝的总厚度为312um，根据质量和密度不变的原理，通过计算机软件ansysworkbenchenvironment利用焊接后陶瓷覆铜板上铜板的边界尺寸对焊接前的铜板尺寸进行修正，并通过计算公式计算得到钎缝整体平均厚度为15um，钎缝最薄厚度为5um，钎缝最厚厚度为21um。

将陶瓷覆铜板翻转180°检测另一侧的钎缝平均厚度为15um，钎缝最薄厚度为6um，钎缝最厚厚度为19um。

实施例2

对尺寸为114mm×114mm×0.7mm的铜板进行清洗，除去其表面氧化物和杂质，其后在表面涂覆一层甘油，在计算的控制下，利用超声波换能器对其进行扫描，获得铜板的厚度以及边界尺寸的模型。

采用ag-cu-ti活性焊料使铜板与陶瓷板在880℃下进行活性钎焊得到陶瓷覆铜板，将陶瓷覆铜板进行清洗，并在其表面涂覆一层甘油，采用超声波换能器以10mm/s的速度水平移动对陶瓷覆铜板进行扫描，通过计算机测得铜板与钎缝的总厚度为720um，根据质量和密度不变的原理，通过计算机软件ansysworkbenchenvironment利用焊接后陶瓷覆铜板上铜板的边界尺寸对焊接前的铜板尺寸进行修正，并通过计算公式计算得到钎缝整体平均厚度为25um，钎缝最薄厚度为16um，钎缝最厚厚度为28um。

将陶瓷覆铜板翻转180°检测另一侧的钎缝平均厚度为24um，钎缝最薄厚度为15um，钎缝最厚厚度为26um。

综上所述，本发明中设计了一种自动检测陶瓷覆铜板钎缝厚度的装置及其方法，通过在计算机的控制下，利用超声波换能器对待焊铜板以及陶瓷覆铜板分别进行扫描，获取待焊铜板的厚度和轮廓信息以及陶瓷覆铜板中铜板与钎缝的总厚度和铜板的轮廓信息，其后，利用计算机对数据进行处理，得到钎缝厚度以及钎缝的三维云图，实现了陶瓷覆铜板的钎缝厚度的有效测量，适用于工业生产。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。