控制变形与焊料润湿的功率器件外壳过渡环及其装配方法与流程

本发明是一种控制变形与焊料润湿的功率器件外壳过渡环及其装配方法，属于电子封装的封装工艺设计技术领域。

背景技术：

功率器件外壳的热沉材料具有散热的作用，因此，往往采用了热导率较高的铜及其复合材料。目前最常用的热沉材料如cpc材料，cmc材料等，它们具有良好的热导率，热沉的表面均为纯铜面。

功率器件外壳在应用时，关键芯片键合区域内不允许流入焊料等杂质。因此，外壳生产过程中，焊料的润湿范围应严格控制。同时，由于热沉材料为金属材料，而陶瓷框为氧化铝陶瓷。两者间存在着一定的线膨胀系数差异，易导致两者钎焊后存在变形，不利于芯片的贴装与外壳的应用。解决上述关键问题，才能实现铜面功率器件外壳的有效生产。

技术实现要素：

本发明提出的是一种控制变形与焊料润湿的功率器件外壳过渡环及其装配方法，其目的在于为了缓解功率器件的铜面热沉与陶瓷框钎焊时，两者膨胀系数差异造成外壳变形，同时控制铜面热沉面上焊料润湿的范围，避免焊料流入芯片键合区，提供了一种铜面热沉功率器件外壳的变形控制与银铜焊料润湿控制方法。该方法通过在陶瓷框与铜面热沉间引入可伐过渡片，利用线膨胀系数的梯度过渡控制变形的同时，利用可伐与银铜焊料间的较差的润湿性控制焊料的润湿范围，从而实现陶瓷框与热沉的可靠钎焊。

本发明的技术解决方案：控制变形与焊料润湿的功率器件外壳过渡环，其结构为环状方形框，安装于功率器件外壳的陶瓷框与热沉间，所述过渡环外围长度比功率器件外壳的陶瓷框外围长度小0.05mm，外围宽度比陶瓷框外围宽度小0.05mm，所述过渡环内腔长度比陶瓷框内腔长度大0.05mm，内腔宽度比陶瓷框内腔宽度大0.05mm，厚度为0.10mm~0.50mm。

其装配方法，包括如下步骤：

（1）制备功率器件外壳过渡环；

（2）过渡环装架钎焊；

（3）热沉装架钎焊。

本发明的有益效果：

1）引入过渡环，通过氧化铝与铜面金属热沉间线膨胀系数的梯度过渡，实现了两者间应力应变的控制，避免了外壳的变形量较大的问题。

2）利用可伐材料与银铜焊料间润湿角较大，两者不易润湿的特性，控制热沉铜面上焊料润湿的范围，实现焊料润湿的控制。

3）解决了铜面热沉功率器件外壳生产的难题，显著提升了该类产品生产的合格率。

附图说明

附图1是功率器件外壳陶瓷框的外形示意图。

附图2是功率器件外壳过渡环的结构示意图。

附图3是功率器件外壳的结构示意图。

附图4是功率器件外壳的剖面示意图。

具体实施方式

控制变形与焊料润湿的功率器件外壳过渡环，其结构为环状方形框，安装于功率器件外壳的陶瓷框与热沉间，所述过渡环外围长度比功率器件外壳的陶瓷框外围长度小0.05mm，外围宽度比陶瓷框外围宽度小0.05mm，所述过渡环内腔长度比陶瓷框内腔长度大0.05mm，内腔宽度比陶瓷框内腔宽度大0.05mm，厚度为0.10mm~0.50mm。

所述过渡环的材料为可伐材料。

所述过渡环的材料为4j42、4j34或4j29。

所述过渡环采用的厚度为0.10mm，材料为4j29。

其装配方法，包括如下步骤：

（1）制备功率器件外壳过渡环；

（2）过渡环装架钎焊；

（3）热沉装架钎焊。

所述步骤（1）制备功率器件外壳过渡环包括如下工艺步骤：

a)根据功率器件外壳的陶瓷框外围尺寸设计过渡环的外围尺寸其中，所述过渡环外围长度比陶瓷框外围长度小0.05mm，外围宽度比陶瓷框外围宽度小0.05mm；

b)根据功率器件外壳的陶瓷框内腔尺寸设计过渡环的内腔尺寸其中，所述过渡环内腔长度比陶瓷框内腔长度大0.05mm，内腔宽度比陶瓷框内腔宽度大0.05mm；

c)所述过渡环的设计为0.10mm~0.50mm；

d)过渡环的材料为可伐材料。

所述步骤（2）过渡环装架钎焊：首先将陶瓷框放置入模具相应槽孔位置；其次在陶瓷框上放置形状与过渡环匹配的焊料；随后将过渡环放置在焊料上方，在显微镜下调整陶瓷框、焊料与过渡环间的位置，将所有零件按照中心线对准并装配在一起，完成装架；最后将装架好的模具放入钎焊炉中完成钎焊。

所述步骤（3）热沉装架钎焊：首先将焊有过渡环的陶瓷框半成品放置入模具相应槽孔位置；其次在过渡环上放置形状与过渡环匹配的焊料；然后把热沉放置在焊料上方，在显微镜下调整各个零件间的位置，将所有零件按照中心线对准并装配在一起，完成装架；最后将装架好的模具放入钎焊炉完成钎焊。

所述装架包括以下步骤：首先将陶瓷框放置入模具；其次在陶瓷框上放置特定的焊料；然后把过渡环放置在焊料上方，将所有零件按照中心线对准并装配在一起，完成装架。同一石墨模具具备多个定位槽孔，可以实现一次装架多个成品，提高生产效率和产品一致性。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如附图1、2所示，控制变形与焊料润湿的功率器件外壳过渡环，其结构为环状方形框，安装于功率器件外壳的陶瓷框与热沉间，所述过渡环外围长度比功率器件外壳的陶瓷框外围长度小0.05mm，外围宽度比陶瓷框外围宽度小0.05mm，所述过渡环内腔长度比陶瓷框内腔长度大0.05mm，内腔宽度比陶瓷框内腔宽度大0.05mm，厚度为0.10mm~0.50mm。

如附图3、4所示，功率器件外壳过渡环的装配方法包括：

（1）过渡环装架钎焊：首先将陶瓷框放置入模具相应槽孔位置；其次在陶瓷框上放置与过渡环形状匹配的焊料；然后把过渡环放置在焊料上方，在显微镜下调整陶瓷框、焊料片与过渡环间的位置，将所有零件按照中心线对准并装配在一起，完成装架。将装架好的模具放入钎焊炉采用常规钎焊工艺完成钎焊。

（2）热沉装架钎焊：首先将焊有过渡环的陶瓷框半成品放置入模具相应槽孔位置；其次在过渡环上放置与过渡环形状匹配的焊料；然后把铜面热沉放置在焊料上方，在显微镜下调整各个零件间的位置，将所有零件按照中心线对准并装配在一起，完成装架。将装架好的模具放入钎焊炉采用常规钎焊工艺完成钎焊。

实施例1

具有陶瓷框的功率器件外壳一般包括引线、陶瓷框、热沉三部分组成。为实现本发明提出的焊料润湿范围控制和变形控制，在陶瓷框与铜面热沉间增加了可伐过渡片。通过焊料实现连接。

首先，根据图1所示的陶瓷框，对过渡环的尺寸进行设计。

a)根据外壳的陶瓷框外围长度x1=10.05mm、外围宽度y1=10.05mm，配合合理的尺寸公差，设计过渡环的外围尺寸x2、y2，其中，x2=x1-0.05mm=10.00mm，y2=y1-0.05mm=10.00mm；

b)根据外壳的陶瓷框内腔长度m1=8.65mm、内腔宽度n1=7.20mm，配合合理的尺寸公差，设计过渡环的内腔尺寸m2、n2，其中，m2=m1+0.05mm=8.70mm，n2=n1+0.05mm=7.25mm；

c)过渡环的厚度为0.10mm；

d)过渡环的材料为可伐材料4j29；

而后，将陶瓷框、焊料、过渡环依次放置进入模具内，并微调零件位置至所有零件按照中心线对准后，放入钎焊炉采用常规钎焊工艺完成钎焊。

最后，将陶瓷框半成品、焊料、铜面热沉依次放置如模具内，并微调零件位置至所有零件按照中心线对准后，放入钎焊炉采用常规钎焊工艺完成钎焊。焊后的外壳焊料润湿范围在热沉面较窄的区域内，润湿范围小于250μm。外壳的变形量非常微小。测试平面度数值为2.61μm，外壳背面几乎为完全平面。

对比不再用过渡环时，在相同工艺条件下钎焊过的的外壳，测试平面度数值为-27.40μm，外壳存在哭脸型的弯曲变形。本发明提出的方法切实有效。