多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法

專利名稱：多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，尤其是需要高精度溫度控制焊接電子微組件集成為電子組件的微組裝工藝方法。
背景技術：
在多功能電子組件的微組裝過程中，焊接涉及到產品的可靠性和質量，直接影響到產品的電性能指標和產品環境適應性考核驗收審查。此外，由于電子組件朝著輕、薄、小的方向快速發展，提出了一系列焊接工藝難題，為此，整機電子裝備制造廠家圍繞電子組件特別是TR組件焊接工藝展開了激烈的競爭，旨在進一步提高焊接質量，克服焊接中存在的焊接空洞率變化、虛焊等缺陷。目前，最廣泛使用的電子TR組件微組裝焊接工藝主要是在需要焊接的電子微組件表面先電鍍金或電鍍銀作為可焊性鍍層，然后在鍍層表面裝夾軟釬 料，連同夾具一起放入指定的爐中進行釬焊，焊接最常用的焊料是共晶錫鉛合金錫63%;鉛37%，常規的焊接工藝設計是高于合金液體溫度183°C以上30°C 40°C，保持一段時間后降溫取出。常規工藝組件焊接面常用金、銀鍍層，焊接時與熔融焊料間有一個液固相界面原子擴散的浸潤過程，焊料成份與溫度微小變化會影響擴散，易發生缺陷；如果不使用單一熔點溫度的共晶錫鉛合金焊接而采用多熔點焊料，其它熔點焊料在鍍金或鍍銀表面的浸潤能力隨著溫度的變化差異很大，各種不同熔點焊料焊接的空洞率只靠金銀鍍層表面、焊料表面、助焊劑、夾具等綜合控制，控制因素多，操作復雜，焊接最終結果隨機性大，不能滿足產品不斷提升的高可靠性要求。隨著新一代電子產品朝著微型化、輕型化、多功能、高集成、高可靠方向發展，一個TR組件中需要在五個甚至六個安裝面上集成多個不同功能和輸入/輸出接口的微電子組件從而實現多通道、多功能的功能應用需要。由于產品要滿足功能與環境適應性要求，從安裝強度、微組件傳熱及TR組件的散熱等設計綜合考慮，焊接工藝是優選方案。產品使用中還要承受高振動量級，長期溫度交變循環的考驗，對焊接技術提出了更高的要求。產品輕量化，意味著一個TR組件內大量存在熱膨脹系數相差較大的輕質合金材料焊接組合，焊接面存在疲勞損害的風險。我們的研究結果表明采用低熔點焊料能夠實現差異熱膨脹系數材料之間的可靠性焊接，可有效緩解焊后殘余應力，并且能夠滿足電子TR組件的使用要求。隨著小型化、多功能化、輕量化的要求日益增多，在組裝電子TR組件過程中開始大量采用電子微組件焊接組裝技術代替螺釘緊固連接組裝技術，解決組件散熱和小型化連接。傳統焊接中遇到的首要問題是焊接失效問題。焊接失效原因主要有焊接面可焊性鍍層起層；可焊性鍍層電鍍污染難定量檢測，助焊劑清洗效果差；輕質活波金屬材料電鍍鍍層不穩定，限制了應用；焊料與微組件鍍層難于組分和原子擴散匹配，可焊性鍍層加工難，穩定性差；很多焊料與金銀鍍層表面在熔點上30°C原子擴散慢，空洞率高；在組件的六個面上焊接電子微組件，焊料厚度緊靠夾持力調節難控制，熱膨脹系數失配組件焊接易發生應力開裂等。現代軍用裝備在環境適應性振動量級要求上呈數量級的遞增，為焊接面定量探傷不能逾越很多電子元器件禁用的檢驗難題。焊接溫度梯級大于30°C，可選用的焊料種類急劇減少，限制了微組件的組裝集成設計靈活度。高精度溫度控制、高一致性和穩定性的焊接工藝已成為制約軍事裝備向小型化、多功能化、輕量化方向發展的瓶頸。

發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術存在的問題，提供一種簡單方便，高效，加工質量穩定可靠，焊接流動性好，焊接空洞少的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，以解決目前電子TR組件焊接溫度梯級少，多功能集成度低，輕質材料因熱膨脹失配受限，焊接指標穩定性、一致性差，定量探傷檢測難的問題。本發明的上述目的可以通過以下措施來達到一種多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，包括如下步驟 O根據不同焊料熔點可以達到25V ±5°C的溫度梯級差，設計焊料溫度梯級，分別制作從次高溫度段到最低溫度段不同溫度梯級焊料薄片和焊接面對應熔點溫度的焊料鍍膜層；
2)用輕質兩性金屬合金材料作基座組件、組件腔體11或電磁屏蔽隔板10的焊接面；將電子微組件上功能基板和過渡母板分為不同溫度梯級焊料的焊接面，焊接面直接采用濺射鍍膜涂覆一層焊料鍍膜層；在電子組件焊接面上布設至少三點或以上更多點多邊形布局的焊料厚度控制銷，且焊接后焊料厚度=焊料厚度控制銷設計厚度；
3)按電子微組件(I)、焊料薄片(3)、基座組件(5)順序疊層，焊料薄片與焊接面鍍膜層材料緊貼，放入有復進壓力保持機構的夾具中進爐真空焊接，必要時通入甲酸氣體作為還原氣氛；
4)首先完成高溫梯級焊接，形成一個初級電子微組件，再保護其基座組件下一溫度梯級焊接不使用的其它表面，在焊接面濺射鍍膜涂覆一層下一個溫度梯級的焊料鍍膜層(2)，按上述步驟3)形成電子微組件；然后逐級從次高溫度梯級到最低溫度梯級焊接，重復上述步驟，直到完成組裝的全部焊接形成TR組件的基礎結構，再微組裝完成電路互連。本發明與現有多功能TR組件工藝相比較，具有如下技術效果
本發明在焊接面有厚度控制銷的焊接工藝方法，采用在焊接面上設置厚度控制銷4，分別在不同溫度要求的焊接面濺射鍍膜一定厚度的相應熔點溫度的焊料鍍膜層，兩個焊接面焊接時還要在焊接面間填充一層或兩層焊料薄片3，焊料薄片3應避開焊料厚度控制銷4并緊貼焊接面，之間涂刷助焊劑，放入有復進壓力保持機構的夾具中焊接，首先焊接所有使用最高溫度梯級焊料的焊接面，其次再焊接所有使用第二級次高溫度階梯焊料的焊接面，如此反復，直到毫米波組件電子微組件組裝完成。焊接面直接采用濺射鍍膜涂覆一層焊料鍍膜層，代替電鍍鍍涂工藝形成可焊性鍍層，可以使用輕質兩性金屬合金材料，沒有腐蝕發生；濺射鍍膜設備特有鍍膜面濺射清洗功能，可以有效除去輕質活波金屬表面在工件轉移過程中形成的氧化膜；濺射環境為無氧真空環境，輕質活波金屬表面在濺射清洗后處于絕氧惰性氣體環境，不會再氧化；采用高能短時原子轟擊濺射鍍膜，焊料原子在金屬鍍膜面中有一定深度，附著力大于在金屬鍍膜表面原子轉換的電鍍鍍層附著力。干法工藝，幾乎零排放，沒有廢水排放限制。焊接面不需要進行復雜的焊接面表面電鍍鍍層處理。電鍍層為了附著可靠需要實施的多鍍種多鍍層的電鍍處理工藝，濺射工藝減少了濺射鍍層起層脫落的幾率；濺射鍍膜層的基底表面充分利用了設備特有的基底表面鍍前清洗功能，最大限度地減小了鍍層因污染起層的問題；濺射鍍膜層在初始鍍膜時采用短時高能量，提高了濺射原子在焊接面的沖擊速率，形成了一定的金屬焊料原子在組件焊接面的嵌入深度，有利于后期焊接的焊接原子擴散形成共價鍵或化合物。濺射鍍膜是物理原子動能遷移過程，不會改變焊料鍍膜層2的組成成分；如果電子微組裝金屬與焊料金屬成份沒有可焊性，可用過渡金屬作為捆綁層，擁綁層材料有欽、鶴、欽鶴合金、懾、鎮絡合金等，常用欽、鶴、欽鶴合金，厚度為IOOOnm 1500nm，在捆綁層上用濺射形成焊料金屬膜層；焊接過程中焊料原子是在同種組分材料金屬的液相融合，焊接面形成金屬鍵的均勻性和一致性遠好，厚度控制銷4設計解決了焊接后焊料厚度控制難題，提高了組件金屬因熱膨脹系數失配產生剪切應力的消除能力；工藝過程為干法工藝，所用工藝介質為無毒無臭的惰性氣體，極低排放，環境污染小。本發明采用真空焊接，焊接流動性好，焊接空洞少；使用空氣爐中焊，焊接前應充 分除潮并使用助焊劑；用同種組分焊料材質對同一溫度段的焊接面實施鍍膜，焊接時在焊接面填充薄焊料，可以同時實施在立方體六個面上同時焊接，且保持焊料的厚度滿足設計要求；焊料厚度控制銷4設計，可以在焊接前通過精密測量記錄焊料厚度，并且有很高一致性和穩定性，避免了焊接后焊料厚度的檢測難題；鍍膜時靶材溫度要升高，為了避免低溫靶材熔化，應采用高能短時工藝完成底層鍍膜，再降低能量和間斷冷卻完成鍍膜厚度；焊料鍍膜在隔絕氧氣和潮氣的環境中可以保存40天；夾具可以是弓形夾等工裝，但在施力點下要增加橡膠、彈簧等彈性體保持焊接面復進壓力；無論組裝焊接的溫度梯級如何設計，都可以對有溫度上限要求的焊接面實施高精度焊接溫度控制，特別適合采用無鉛焊料，在傳統焊接工藝上無鉛焊料因異種組分金屬表面潤濕能力弱應用受限制。并具有
(I)簡單方便，高效，加工質量穩定可靠，采用濺射干法鍍膜工藝，鍍膜層厚度均勻性比電鍍高，鍍膜層金屬表面工藝污染小。基底表面可以做到無氧化層、無雜質污染的純金屬表面，鍍層原子通過高速轟擊，在基底上有一定深度。鍍膜均勻性好，批次膜厚均勻性< 4%。鍍膜層結合力強，在經受了 +95°C，-55°C，保溫30分鐘，轉換時間< I分鐘，溫度循環沖擊15次后，鍍膜層面能經受20N/cm的膠帶垂直拉力，不起泡、不脫落。( 2 )焊接后焊料厚度一致性穩定性好，可以測量量化。在焊接面設計了焊料厚度控制銷4，使焊接面在焊接時只能下降到控制銷高度，其間焊料靠自身張力保持，多余焊料擠出。在焊接組裝前測量控制銷厚度，即知焊料厚度，避免了焊接后焊料厚度測量的難度。(3)焊接溫度的高精度控制性。由于焊接面表面鍍層材料與焊料為同種材料，且組成成份幾乎不變，因此在熔點以上的原子擴散深度和速度理論為100%，遠大于傳統電鍍的異種金屬原子擴散速率。電鍍合金容易發生成份改變，在焊接工藝中常發生焊料浸潤問題，難于事前防范。(4)容易實現選擇性鍍膜層。濺射鍍膜方向性強，是物理轟擊鍍膜，可以實現選擇性保護，在鍍膜完成后拆除保護層，實現選擇性鍍膜，不會產生焊接后其它外觀表面的焊料污染。本發明解決了目前多溫度梯級焊接難于高精度溫度控制的微組裝工藝方法難題。本發明適用于多溫度梯級焊接需要高精度溫度控制的微組裝工藝。


圖I是本發明多溫度梯級焊接高精度溫度控制的工藝方法流程圖。圖2是電子微組件焊接面濺射鍍膜層的形成示意圖。圖3是焊料厚度控制銷4分布示意圖。圖4是電子微組件焊接疊層的裝配分解示意圖。圖5是圖4的俯視圖。圖6是焊接前的可見斷面的分解示意圖。·
圖7是焊接后的可見斷面的分解示意圖。圖8是電子組件的組成示意圖。圖中1電子微組件，2焊料鍍膜層，3焊料薄片，4厚度控制銷，5基座組件、6焊接面、7過渡微帶、8靶材、9焊料、10電磁屏蔽隔板、11組件腔體、12電子組件。
具體實施例方式參閱圖I。靶材8是物理鍍膜物質的來源，不同靶材材料有不同熔點溫度、組成成份，形成的焊接面鍍膜層2的熔點與對應熔點溫度的焊料薄片3材料熔點、成份完全一樣。采用電子微組件I焊接面鍍膜層和焊料薄片3均是同一種組份材料。最高溫度焊接因無升溫上限限制，可以提高溫度解決可焊性問題。基座組件5是相對概念，對微電子組件12，它是與TR組件腔體11連接的紐帶，對TR組件，是指整個組件的最后封裝殼體；焊料薄片3的形狀與焊接面形狀完全一致，由于焊料厚度控制銷4的凸點存在，焊料薄片3剪裁應避開凸點的位置。焊接工藝流程可按下述步驟進行。(I)設計焊料溫度梯級。根據不同焊料熔點可以達到25°C ±5°C熔點溫度差，設計焊料溫度梯級，分別制作從次高溫度段到最低溫度段相應溫度不同梯級焊料薄片3、焊接面對應熔點溫度的焊料鍍膜層2和對應焊料靶材8。根據設計確定焊接溫度梯級和焊接面形狀，在焊接面的現對容易加工面設計布設焊料厚度控制銷4并與焊接一起加工成型。在電子組件12焊接面上布設至少三點或以上更多點多邊形布局的焊料厚度控制銷4 ;齊套焊接組件，完成必要的清洗工作，使焊接面清潔。用輕質兩性金屬合金材料作基座組件、組件腔體11或電磁屏蔽隔板10的焊接面；
(2)成型焊料薄片。按焊接面形狀成型焊料薄片3，焊料薄片3厚度比設計厚度控制銷4厚O. 04mm O. 06mm,形狀與焊接面一致且避開厚度控制銷4。( 3 )成型焊料控制銷。在每一對焊接面中的其中一面成型厚度控制銷，厚度控制銷
4一般設計厚度在O. OlOmm O. 095mm之間，測量控制銷高度，記錄。(4)焊料鍍膜層鍍涂。將電子微組件I上功能基板和過渡母板分為不同溫度梯級焊料的焊接面，焊接面直接采用濺射鍍膜涂覆一層焊料鍍膜層2，此時焊料厚度控制銷4應與焊接面其它部位一樣鍍上焊料鍍膜層2 ;焊料鍍膜層2的形成工藝先采用高能短時原子轟擊鍍膜，完成底層鍍膜，再降低能量和間斷冷卻完成鍍膜厚度；當一個電子微組件I的兩面或多面有不同溫度焊料的焊接要求時，應先濺鍍次高溫度梯級焊料鍍膜層2。當次高溫度梯級焊接實施后，再鍍涂下一個溫度梯級焊料鍍膜層2。鍍涂焊料鍍膜層2厚度>0. 8 μ m。(5)焊料薄片裝夾。在同一焊接溫度梯度的兩個焊接面之間填充焊料薄片3。(6)焊接件的裝夾。按微電子組件I、焊料薄片3、基座組件5順序疊層，放入有復進功能夾具中，固定。放入有復進壓力保持機構的夾具中進爐真空焊接，焊料薄片3與焊接面鍍膜層材料緊貼，兩者之間刷涂助焊劑。(7)焊接。將焊接件的裝夾夾具，放入超過焊接溫度梯度熔點25°C ±5°C的真空爐中，完成當前溫度梯級焊接面焊接。(8)清理焊接邊緣。將焊接后擠出的多余焊料清理干凈。(9)保護。只裸露下一梯級焊接表面。( 10)焊料鍍膜層鍍涂。焊接面濺射鍍涂即將焊接的下一溫度梯級焊料鍍膜層2。(11)首先完成高溫梯級焊接，形成一個初級電子微組件1，再保護其焊基座組件5下一溫度梯級焊接不使用的其它表面，在焊接面濺射鍍膜涂覆一層下一個溫度梯級的焊料 鍍膜層2，形成電子微組件I后逐級從次高溫度梯級到最低溫度梯級焊接，直到完成組裝的全部焊接形成TR組件的基礎結構，再微組裝完成電路互連。重復上述步驟，直到完成組裝的全部焊接形成TR組件的基礎結構，再微組裝完成電路互連。重復從5至9的步驟，逐級從次高溫度梯級到最低溫度梯級，完成焊接。(12) X射線探傷檢測。檢查焊接內部的意外缺陷，及時消除隱患。(13)轉微組裝電路互連。進行重要的芯片組裝與電路鍵合等互連工作。參閱圖2。電子微組件I的焊接面6與焊料鍍膜層2的外形狀一致。如果焊接面6金屬成分與焊料金屬成份沒有可焊性，可用過渡金屬作為捆綁層，捆綁層材料有鈦、鎢、鈦鎢合金、鑷、鎳鉻合金等，常用鈦、鎢、鈦鎢合金。在捆綁金屬層上再濺射焊料金屬鍍膜層，則金屬鍍膜層是兩種金屬的復合鍍膜層。所有濺射鍍膜層金屬由靶材8提供。圖中厚度控制銷4以矩形分布的方式，布局在微電子組件焊接面6四周邊緣，厚度控制銷4形狀多為圓錐臺或圓柱形狀，可以是三點、四點和多點分布狀態，點數設計以保證焊接時夾緊后焊接面厚度一致為準。參閱圖3。圖中厚度控制銷4以對稱分布的方式，布局在微電子組件焊接面6四周邊緣，厚度控制銷4形狀多為圓錐臺形狀，可以是三點、四點和多點分布狀態，點數設計以保證焊接時夾緊后焊接面厚度一致為準。參閱圖4、圖5。微電子組件是獨立功能的信道電路，可以是焊接在基座組件5上的多層電路板等形式。基座組件5可以是過渡板或電路母板。基座組件5提供了向下一級連接的空間，基座組件5示意在這一級是基座組件5，在下一級僅是這個微電子組件的焊接面。在微電子組件I的下表面6和基座組件5的上、下表面均鍍有焊料鍍膜層2，厚度控制銷4設置在基座組件5上表面焊料鍍膜層2焊接面的邊緣，厚度控制銷4示意只在一個焊接面設置即可。在基座組件5的一側直角邊還設有除焊料鍍膜層2外，還有其它方向的鍍膜層2。焊料薄片3位于微電子組件與基座組件5之間組成焊接疊層。俯視圖表明多通道不同高度的電子微組件I焊接后的組合示意圖，伸出的過渡微帶7還要與其它組件焊接。以上所述的僅是本發明的優選實施例。應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干變形和改進，比如，可以將濺射鍍膜改為真空蒸發鍍膜、手工搪焊料鍍涂等，這些變更和改變應視為屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，包括如下步驟 1)根據不同焊料熔點可以達到25°c±5°C的溫度梯級差，設計焊料溫度梯級，分別制作從次高溫度段到最低溫度段不同溫度梯級焊料薄片和焊接面對應熔點溫度的焊料鍍膜層； 2)用輕質兩性金屬合金材料作基座組件、組件腔體(11)或電磁屏蔽隔板(10)的焊接面；將電子微組件上功能基板和過渡母板分為不同溫度梯級焊料的焊接面，焊接面直接采用濺射鍍膜涂覆一層焊料鍍膜層；在電子組件焊接面上布設至少三點或以上更多點多邊形布局的焊料厚度控制銷，且焊接后焊料厚度=焊料厚度控制銷設計厚度； 3)按電子微組件(I)、焊料薄片(3)、基座組件(5)順序疊層，焊料薄片與焊接面鍍膜層材料緊貼，放入有復進壓力保持機構的夾具中進爐真空焊接，必要時通入甲酸氣體作為還原氣氛； 4)首先完成高溫梯級焊接，形成一個初級電子微組件，再保護其基座組件下一溫度梯級焊接不使用的其它表面，在焊接面濺射鍍膜涂覆一層下一個溫度梯級的焊料鍍膜層(2)，按上述步驟3)形成電子微組件；然后逐級從次高溫度梯級到最低溫度梯級焊接，重復上述步驟，直到完成組裝的全部焊接形成TR組件的基礎結構，再微組裝完成電路互連。
2.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，焊料鍍膜層的形成工藝先采用高能短時原子轟擊濺射鍍膜，完成底層鍍膜，再降低能量和間斷冷卻完成鍍膜厚度。
3.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，焊料薄片(3)厚度比設計厚度控制銷(4)厚O. 04mm O. 06mm,形狀與焊接面一致且避開厚度控制銷⑷。
4.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，當一個電子微組件的兩面或多面有不同溫度焊料的焊接要求時，先鍍次高溫度焊料鍍膜層(2)，當次高溫度熔點梯級焊接實施后，再鍍涂下一熔點溫度梯級的焊料鍍膜層(2)。
5.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，焊接面濺射鍍膜鍍涂焊料鍍膜層厚度> O. 8 μ m。
6.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，焊料薄片(3)夾持緊貼在有同種熔點鍍膜層的兩個焊接面之間，放入有復進壓力保持機構的夾具中焊接。
7.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，首先完成高溫梯級焊接，形成一個初級電子微組件，再保護其它基座組件下一溫度梯級焊接不使用的其它表面，在焊接面濺射鍍膜涂覆一層下一個溫度梯級的焊料鍍膜層(2)，裝配疊加焊接后形成電子組件。
8.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，厚度控制銷設計為錐臺形狀，使其表面與焊接面同時鍍膜，有利于焊料浸潤。
9.如權利要求I所述的多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，其特征在于，焊接面鍍膜層金屬材料與焊料為同種焊接材料，有完全相同的熔點和成分。
全文摘要
本發明提出的一種多溫度梯級焊接電子微組件的工藝方法，簡單方便，高效，加工質量穩定可靠，焊接流動性好，焊接空洞少。本發明通過下述技術方案予以實現根據不同焊料熔點設計焊料溫度梯級，分別制作從次高溫度段到最低溫度段不同溫度梯級焊料薄片；將電子微組件上功能基板和過渡母板分為不同溫度梯級焊料的焊接面，焊接面直接采用濺射鍍膜涂覆一層焊料鍍膜層；在電子組件焊接面上布設更多點的焊料厚度控制銷；按電子微組件(1)、焊料薄片(3)、基座組件(5)順序疊層，放入有復進壓力保持機構的夾具中進爐真空焊接；首先完成高溫梯級焊接，再保護基座組件下一溫度梯級焊接不使用的其它表面，在焊接面濺射鍍膜涂覆一層下一個溫度梯級的焊料鍍膜層。
文檔編號B23K1/008GK102950350SQ20121037627
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月5日 優先權日2012年10月5日
發明者詹為宇 申請人:中國電子科技集團公司第十研究所