一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置及方法，包括加熱組件、升降組件及承載組件，所述加熱組件包括加熱臺，加熱臺通過導線與電源相連，加熱臺通過熱傳遞塊向待加熱基板底部傳遞熱量，加熱臺通過升降組件與待加熱基板接觸或者脫離，所述升降組件內嵌有齒輪傳動機構，可旋轉旋鈕升降加熱臺，熱傳遞塊上方設置有承載組件，所述承載組件包括兩個承載板及兩個調節塊，調節塊設置在外殼的上部的平面的相對位置上，所述調節塊上設置有滑槽，每個承載板的兩端分別放置在相對位置的調節塊的滑槽上，承載板之間的距離可調。本裝置結構簡單、可操作性好、易于生產并能長期使用，能夠較大程度提高焊接效率。
【專利說明】一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置及方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(A1203)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面(單面或雙面)上的特殊工藝板。所制成的超薄復合基板具有優良電絕緣性能，高導熱特性，優異的軟釬焊性和高的附著強度，并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結構技術和互連技術的基礎材料。而更多的基于陶瓷材料的封裝技術也得到廣泛應用，如低溫共燒陶瓷(Low TemperatureCo-fired Ceramic LTCC)技術和高溫共燒陶瓷技術。隨著電子元件不斷趨向于小型化、集成化、模塊化，在陶瓷基板上焊接的電子元件的也日趨小型化，同時也對相應的焊接工藝提出了更高的技術要求。
[0003]在陶瓷基板上焊接元器件，常用的連接方式是錫焊連接。焊接過程根據批量大小和成本控制，通常采用小型焊接加熱裝置或者平流爐進行焊接。該方法首先要在元器件背部涂抹焊錫膏并置于基板上，隨后加熱使之融化，取下基板待錫膏冷卻固化后即完成焊接。而冷卻過程中待焊元器件，尤其是尺寸較小的元器件，其任何微小位移都會極大降低焊接質量。
[0004]現有焊接工藝的主要問題是:當基板上元器件尺寸較小時(橫向尺寸小于ImmX Imm)，元件尺寸與錫膏尺寸相近，冷卻過程中基板的任何微小移動都會造成元器件的晃動，焊點會因此呈現出各種不規則形狀，器件會出現倒狀、扭轉、移出焊盤、虛焊等現象，即使元器件尺寸稍大，也會存在焊盤移動、虛焊等現象，嚴重影響焊接質量和產品性能；同時由于焊接過程受操作人員熟練度影響較大，導致焊接一致性較差，焊接效率較低。
【發明內容】
[0005]為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置及方法，發明一種新型的焊接加熱裝置，本發明的目的在于改進現有的焊接方法，該裝置能夠最大程度保證加熱和冷卻過程中焊接對象的穩定性和焊點的可靠性，同時充分考慮高質量焊接所需要的升溫和冷卻速度，提高焊接過程的可操作性，有效提高焊接質量和焊接效率，改善焊接工藝環節。
[0006]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0007]—種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，包括加熱組件、升降組件及承載組件，所述加熱組件包括電加熱臺，電加熱臺通過升降組件與待加熱基板接觸或者脫離，電加熱臺上方設置有承載組件，所述承載組件包括調節塊，用于調節承載板間的間距的調節塊設置在外殼的上。
[0008]所述升降組件固定于外殼內壁上，升降組件包括齒輪齒條傳動機構，齒輪與升降旋鈕相連，齒輪齒條傳動機構的齒條與連接板相連，加熱臺固定在連接板上，通過旋轉升降旋鈕，即可升降加熱臺。
[0009]所述調節塊上設置有滑槽，承載板的兩端分別放置在相對布置的調節塊的滑槽上，承載板之間的距離可調，承載板用于承載待加熱基板。
[0010]所述承載板的數量為兩個，調節塊的數量為兩個，通過調節塊上的兩個滑槽，調節承載板之間的距離。
[0011]所述承載板之間可以通過增加生瓷片的方式，用于承載極小尺寸的基板；極小尺寸的基板的尺寸為長寬均為4_。
[0012]所述加熱臺通過熱傳遞塊向待加熱基板底部傳遞熱量，所述熱傳遞塊放置在加熱臺上，熱傳遞塊的加熱面與基板底面充分接觸。
[0013]所述基板本身采用陶瓷材料，直接與基板接觸的承載板采用環氧玻璃布板材料。
[0014]所述焊接裝置還包括觀察組件，觀察組件包括放大鏡和支撐軸，放大鏡通過支撐軸固定在外殼的上部。
[0015]一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置的方法，包括以下步驟:
[0016]步驟一:根據待加熱基板的尺寸，調節承載板的間距，根據承載板間距，選擇熱傳遞塊，并放置于加熱臺上；將待加熱基板放置在承載板之間的間距上；
[0017]步驟二:開啟電源，加熱臺預熱；
[0018]步驟三:旋轉升降旋鈕，借助齒輪齒條配合提升加熱臺，當看到待加熱基板頂起后，停止提升，通過放大鏡觀察，等待焊錫融化，待融化完全，下降加熱臺；
[0019]步驟四:待觀察到焊錫膏完全凝固，取下基板，完成焊接。
[0020]所述步驟一中承載板的間距使得承載板能恰好支撐起待加熱基板并保證所有待加熱部位都能與熱傳遞塊貼合。
[0021]所述步驟一中熱傳遞塊放置于加熱臺上時，通過升降組件調節加熱臺的高度，使得熱傳遞塊能恰好通過承載板中間的空擋。
[0022]本發明能保證焊接過程穩定性，本裝置將升降機構與承載機構相結合，來確保焊接過程中基板、焊錫膏以及元器件的穩定性。如圖3所示，旋轉升降旋鈕提升加熱臺直至陶瓷基片被略微頂起，此時焊錫膏開始融化，待融化完全，下降加熱臺。下降瞬間基片就已經被承載板撐起，不再移動，此時焊錫膏還遠未凝固。因此自錫膏開始冷卻到凝固完成的整個過程，基板和元器件都處于靜止狀態，最大程度的保證了焊接過程的穩定性。
[0023]本發明能保證焊接可靠性，由于本裝置并沒有對基板進行裝夾，僅僅是將其放置在承載板上，因此基板幾乎不受力，避免了由于裝夾受力對陶瓷基板造成損傷。采用圖3所示承載機構，由于這種設計能夠使得有效加熱的前提下接觸面最小，且所有元件都處于自由放置狀態，不會存在由于受力變形導致面與面之間出現縫隙的情況，因此能最大限度保證面與面的貼合，降低加熱面出現虛接觸的可能性，從而極大的減少焊接空洞現象，提高焊接可靠性。觀察組件的存在，能夠有效掌握錫膏完全融化和完全凝固時機，進一步提高焊接可靠性。
[0024]本發明能保證基板冷卻速度，焊錫膏融化后的冷卻過程中，要求基板和元器件不能移動。在冷卻期間，由于基板不能取下，若基板冷卻速度較慢，會極大的降低焊接效率，降低該焊接裝置和工藝的可行性。考慮到陶瓷板本身具有極好的導熱特性和較低的比熱容，因此陶瓷材料的基板在空氣中能夠快速冷卻，根據此原理，本裝置從結構和材料上來設計，確保基板具有較快的冷卻速度。
[0025]如圖3所示，在散熱過程中，直接與基板接觸的承載板采用環氧玻璃布板材料，該材料為非金屬耐高溫材料，能夠有效的隔絕熱量。同時采用圖中所示結構，加熱時熱傳遞塊直接與基板接觸，隨即脫離，這種設計使得只有基板本身參與整個升溫降溫過程，而基板本身主要為陶瓷材料，散熱速度快。實驗表明該設計能夠在基板不動的同時做到快速冷卻，滿足焊接要求。
[0026]本發明的裝置具有通用性，由于承載板間距可調，同時有多種不通尺寸的熱傳遞塊進行傳熱。因此本裝置可以適用于多種不通尺寸的平面基板。如圖4所示，對于在尺寸極小的基板上焊接元器件的情況，為保證基板完全受熱和穩定放置，本裝置在承載板上增加一個生瓷片用于承載基板，由于生瓷片平面度極高、散熱速度極快，同樣可以滿足散熱速度和焊接可靠性要求。
[0027]本發明的有益效果:
[0028]本發明將加熱裝置與位移機構相結合，把傳統的加熱臺不動基板移動的焊接加熱方式，變為基板不動加熱臺移動，同時針對整個錫焊過程進行有效的材料設計和結構設計，最大程度保證加熱和冷卻過程中焊接對象的穩定性和焊點的可靠性，有效提高焊接的可操作性，保證較高的焊接質量和焊接效率。
[0029]利用此焊接裝置及方法，能夠避免目前已公開和應用的技術中普遍存在的“熱源固定，焊接元件移動”所引發的微小元件焊接時出現的倒狀、扭轉、移出焊盤、虛焊等現象，同時采用多種設計控制焊接過程，改善工藝環節，進而提高焊接質量和一致性。本裝置結構簡單、可操作性好、易于生產并能長期使用，能夠較大程度提高焊接效率，具有良好的經濟和社會效應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1本發明的焊接裝置示意圖；
[0031]圖2本發明的升降裝置的運動關系；
[0032]圖3本發明的承載裝置示意圖；
[0033]圖4小型基板焊接方式不意圖；
[0034]圖中，1-外殼，2-連接板，3-加熱臺，4-升降旋鈕，5-熱傳遞塊，6_調節塊，7_承載板，8-齒輪傳動裝置，9-兀器件,10-基板,11-放大鏡，12-支撐軸，13-小型基板，14-生瓷片。
【具體實施方式】
:
[0035]下面結合附圖對本發明進行詳細說明:
[0036]如圖1所示，利用該裝置能夠實現在多種陶瓷基板上錫焊元器件，相較傳統的焊接加熱裝置，本裝置具有更好的焊接質量和更高的焊接效率。一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，該裝置由外殼1、加熱組件、升降組件、承載組件以及觀察組件四部分組成。外殼的底部通過連接板2與加熱組件的加熱臺3連接。
[0037]加熱組件:加熱組件由加熱臺3、電源以及熱傳遞塊5組成，電源通過導線與加熱臺相連，可以調節加熱臺溫度。現在通用的加熱臺3，限于材料熱導率和比熱容的限制，其加熱部分很難做到快速的升溫和冷卻。因此冷卻過程需要使加熱臺3與被加熱件脫離，本裝置利用升降組件實現這一點。熱傳遞塊5用來向待加熱件底部傳遞熱量，需根據不同的基板10尺寸，選擇合適大小的熱傳遞塊5，以保證加熱面與基板底面充分接觸。
[0038]升降組件:升降組件內嵌有齒輪齒條傳動機構8，旋轉升降旋鈕4可帶動齒輪轉動，通過齒輪齒條傳動，將齒輪的旋轉運動轉化為齒條直線運動，帶動加熱臺上下移動，該齒輪嚙合裝置的嚙合關系經過充分設計，使之具備自鎖功能，不會因為自重而下降，并能在行程內任意位置停止。
[0039]承載組件:承載組件由兩個承載板7，兩個調節塊6構成，通過調節塊6上的兩個滑槽，可以調節承載板7之間的距離，以適應不同尺寸的基板10。同時本裝置附帶有一系列不通尺寸的熱傳遞塊5以及生瓷片14，可以適用多種的焊接情況。
[0040]觀察組件:由放大鏡11和支撐軸12組成，可通過觀察裝置實現對焊錫及元器件狀態的精確掌握，不用時可移開。
[0041]一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置的方法，包括以下步驟:
[0042]步驟1:根據待加熱基板10的尺寸，調節承載板7間距，使得承載板7能恰好支撐起陶瓷基片10并保證所有待加熱部位都能與熱傳遞塊5貼合；根據承載板7間距，選擇合適大小的熱傳遞塊5，并放置于加熱臺3上，嘗試升降加熱臺3，使得熱傳遞塊5能恰好通過承載板7中間的空擋.
[0043]步驟2:開啟電源，加熱臺3預熱.
[0044]步驟3:旋轉升降旋鈕4，借助齒輪齒條配合提升加熱臺，具體運動關系如圖2。當看到待加熱基板10被略微頂起后，停止提升，通過放大鏡11觀察，等待焊錫融化。
[0045]步驟4:稍待片刻，待觀察到焊錫膏完全凝固，可取下基板，完成焊接。
[0046]保證焊接過程穩定性的設計:
[0047]本裝置將升降組件與承載組件相結合，來確保焊接過程中基板10、焊錫膏以及元器件9的穩定性。如圖3所示，旋轉升降旋鈕4提升加熱臺直至陶瓷基片10被略微頂起，此時焊錫膏開始融化，待融化完全，下降加熱臺3。下降瞬間基片10就已經被承載板7撐起，不再移動，此時焊錫膏還遠未凝固。因此自錫膏開始冷卻到凝固完成的整個過程，基板10和元器件9都處于靜止狀態，最大程度的保證了焊接過程的穩定性。
[0048]保證焊接可靠性的設計:
[0049]由于本裝置并沒有對基板10進行裝夾，僅僅是將其放置在承載板7上，因此基板10幾乎不受力，避免了由于裝夾受力對陶瓷基板10造成損傷。采用圖3所示承載組件，由于這種設計能夠使得有效加熱的前提下接觸面最小，且所有元件都處于自由放置狀態，不會存在由于受力變形導致面與面之間出現縫隙的情況，因此能最大限度保證面與面的貼合，降低加熱面出現虛接觸的可能性，從而極大的減少焊接空洞現象，提高焊接可靠性。觀察組件的存在，能夠有效掌握錫膏完全融化和完全凝固時機，進一步提高焊接可靠性。
[0050]保證基板10冷卻速度的設計:
[0051]鑒于前文所述原因，焊錫膏融化后的冷卻過程中，要求基板10和元器件9不能移動。在冷卻期間，由于基板10不能取下，若基板10冷卻速度較慢，會極大的降低焊接效率，降低該焊接裝置和工藝的可行性。考慮到陶瓷板本身具有極好的導熱特性和較低的比熱容，因此陶瓷材料的基板10在空氣中能夠快速冷卻，根據此原理，本裝置從結構和材料上來設計，確保基板10具有較快的冷卻速度。
[0052]如圖3所示，在散熱過程中，直接與基板10接觸的承載板7采用環氧玻璃布板材料，該材料為非金屬耐高溫材料，能夠有效的隔絕熱量。同時采用圖3中所示結構，加熱時熱傳遞塊5直接與基板10接觸，隨即脫離，這種設計使得只有基板本身參與整個升溫降溫過程，而基板10本身主要為陶瓷材料，散熱速度快。實驗表明該設計能夠在基板10不動的同時做到快速冷卻，滿足焊接要求。
[0053]通用性設計:由于承載板7間距可調，同時有多種不通尺寸的熱傳遞塊進行傳熱。因此本裝置可以適用于多種不通尺寸的平面基板10。如圖4所示，對于在尺寸極小的小型基板13上焊接元器件的情況，為保證小型基板13完全受熱和穩定放置，本裝置在承載板7上增加一個生瓷片14用于承載小型基板13，由于生瓷片14平面度極高、散熱速度極快，同樣可以滿足散熱速度和焊接可靠性要求。
【權利要求】
1.一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，其特征是，包括加熱組件、升降組件及承載組件，所述加熱組件包括電加熱臺，電加熱臺通過升降組件與待加熱基板接觸或者脫離，電加熱臺上方設置有承載組件，所述承載組件包括調節塊，用于調節承載板間的間距的調節塊設置在外殼上。
2.如權利要求1所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，其特征是，所述升降組件固定于外殼內壁上，升降組件包括齒輪齒條傳動機構，齒輪與升降旋鈕相連，齒輪齒條傳動機構的齒條與連接板相連，加熱臺固定在連接板上。
3.如權利要求1所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，其特征是，所述調節塊上設置有滑槽，承載板的兩端分別放置在相對布置的調節塊的滑槽上，承載板之間的距離可調。
4.如權利要求1所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，其特征是，所述焊接裝置還包括觀察組件，觀察組件包括放大鏡和支撐軸，放大鏡通過支撐軸固定在外殼的上部。
5.如權利要求1所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，其特征是，所述加熱臺通過熱傳遞塊向待加熱基板底部傳遞熱量，所述熱傳遞塊放置在加熱臺上，熱傳遞塊的加熱面與基板底面充分接觸。
6.如權利要求1所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，其特征是，所述承載板之間通過增加生瓷片用于承載極小尺寸基板。
7.如權利要求6所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置，其特征是，所述基板本身采用陶瓷材料，直接與基板接觸的承載板采用環氧玻璃布板材料。
8.如權利要求1所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置的方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一:根據待加熱基板的尺寸，調節承載板的間距，根據承載板間距，選擇熱傳遞塊，并放置于加熱臺上；將待加熱基板放置在承載板之間的間距上； 步驟二:開啟電源，加熱臺預熱； 步驟三:旋轉升降旋鈕，借助齒輪齒條配合提升加熱臺，當看到待加熱基板頂起后，停止提升，通過放大鏡觀察，等待焊錫融化，待融化完全，下降加熱臺； 步驟四:待觀察到焊錫膏完全凝固，取下基板，完成焊接。
9.如權利要求8所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置的方法，其特征是，所述步驟一中承載板的間距使得承載板能恰好支撐起待加熱基板并保證所有待加熱部位都能與熱傳遞塊貼合。
10.如權利要求8所述的一種用于陶瓷基板上錫焊元器件的新型焊接裝置的方法，其特征是，所述步驟一中熱傳遞塊放置于加熱臺上時，通過升降組件調節加熱臺的高度，使得熱傳遞塊能恰好通過承載板中間的空擋。
【文檔編號】B23K3/08GK104400174SQ201410531664
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】王文強, 路波, 霍建東, 鄭如松, 趙秉玉, 張強 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所