三明治式微型钎焊接头及其制备时所用夹具和方法技术

本发明专利技术提供了三明治式微型钎焊接头及其制备时所用夹具和方法。利用形状、尺寸一致的金属基板作为钎焊母材，并选取基板的一个表面作为待焊面，在上、下两个金属基板待焊面之间放置尺寸与待焊面一致的钎料层，形成金属基板/钎料层/金属基板结构，将该结构依次置于特制夹具之中，夹具包括金属底座、垫片、重量块三个部分，而后将夹具置于加热炉中进行钎焊，焊后即可得到上、下金属基板呈中心对齐且待焊面均实现完全连接的三明治式微型钎焊接头。这种钎焊接头的应用可有效解决当前电子制造焊点研究中存在的所用钎焊接头结构与实际焊点相差较大的问题，其制备所用夹具可保证上、下金属基板呈中心对齐，且可实现压力的精确调控，其制备方法成本较低，能有效提高接头质量与研究效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料焊接与连接领域，开发了三明治式微型钎焊接头，适用于电子产品内部焊点的相关研究，并涉及制备此类接头时所用的夹具及方法。
技术介绍
近年来，随着电子产品的使用与人们的生活联系越来越密切，电子制造业已成为世界各国优先发展的重要领域。因此，作为电子制造技术的重要组成部分，电子封装技术得到了越来越多的关注。在电子产品内部的各级封装中，需要利用互连技术实现各元器件的连接。钎焊因具有较强的应力匹配能力、显著的经济性及工艺相对简单等优点，而成为各级封装中互连技术的首选方法。特别地，在很多情况下，各元器件的互连只能通过钎焊连接完成。电子封装中的钎焊具体是指采用熔点低于元器件上待焊金属衬底熔点的金属作为钎料，在高于钎料熔点而低于金属衬底熔点的温度下，钎料熔化并润湿衬底、填充间隙，同时与衬底发生互扩散形成金属间化合物，从而实现各元器件的连接。钎焊完成后，形成的焊点不仅能够实现各组件的机械连接，还能实现不同组件的电气连接。显然，焊点是影响电子产品性能的重要因素。为了确保钎焊后能形成质量良好的焊点，进而使电子产品的性能达到预期，针对电子产品中的焊点，研究人员开展了广泛研究。当前，相关研究主要集中在两个方面，分别为焊点形成过程中界面相生长研究以及焊点可靠性研究。随着电子产品的不断微型化，其内部焊点的尺寸已减小至微米数量级，为了研究方便，在研究时需要对焊点尺寸进行适度放大，即选用微型钎焊接头作为研究对象。作为对焊点开展研究的关键问题之一，选取的钎焊接头应能反映出工业生产的实际情况，只有这样，所得到的研究结果才能对实际生产具有指导意义。然而，针对钎焊接头的选取，目前并没有相应行业标准，已有研究中使用的钎焊接头均是根据研究者自身需求进行设计，其形式主要分为两类，分别为简单的搭接形式，如图1所示，以及扩散偶形式，如图2所示。对于简单的搭接形式，是指先选取两个形状、尺寸一致的金属基板作为母材，分别将两个金属基板表面的末端作为焊接端，通过钎焊使两个焊接端连接在一起，进而形成这种搭接形式。此种形式钎焊接头用于进行焊点可靠性方面研究，两个金属基板的中心并没有对齐，且两个基板待焊面均只有一部分形成了连接。然而，在电子产品内部焊点中，两个金属衬底通常呈中心对齐，同时至少一个金属衬底待焊面会在钎焊后完全实现连接。显然，这种形式钎焊接头与实际焊点结构具有较大差别。对于扩散偶形式，是指先在金属基板表面放置钎料，钎焊完成后钎料和基板通过金属间化合物层连接到一起，进而形成类似于扩散偶形式，为一些研究者对焊点形成过程中界面相生长开展研究时所用。严格意义上，这并不算一种接头形式，因为它并没有实现母材之间的连接，而电子产品中实际焊点会使两个金属衬底形成连接。由此可知，扩散偶形式钎焊接头与实际生产中的焊点在结构方面相差更大。因此，对电子产品中焊点开展研究时，利用这两种形式的钎焊接头均存在着结构与实际焊点相差较大的问题，所得研究结果并不具备足够说服力。为解决上述问题，在对电子产品中焊点进行研究时，亟需开发一种新形式的微型钎焊接头，这种接头不仅应符合电子产品内部焊点的实际结构，还应该可以开展焊点形成过程中界面相生长研究以及焊点可靠性研究。为此，本专利技术提出了三明治式微型钎焊接头，并涉及其制备过程中所用的特制夹具和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供三明治式微型钎焊接头及其制备过程中所用的夹具和方法。采用形状、尺寸一致的金属基板作为钎焊母材，选择金属基板一个表面作为待焊面，将与待焊面尺寸相同的钎料层放置在上、下两个金属基板待焊面之间，钎料层与上、下待焊面以最大面积相互接触，形成金属基板/钎料层/金属基板结构，此时两金属基板呈中心对齐，为了使两个金属基板保持中心对齐，且可以方便地向金属基板/钎料层/金属基板结构施加垂直向下的压力，将该结构依次置于特制夹具中，而后将夹具放入加热炉中进行钎焊，夹具在炉中保持水平，钎焊完成后，即可得到三明治式微型钎焊接头，其结构符合电子产品内部焊点结构，可用于焊点形成过程中界面相生长研究、焊点可靠性研究。本专利技术提供的三明治式微型钎焊接头，如图3所示，是由上、下两个尺寸、形状一致的金属基板通过钎焊连接在一起，上、下两个金属基板呈中心对齐，中间夹着连接层，且两个金属基板待焊面均实现了完全连接；优选地，所述金属基板材料为Cu、Ag、Au、Co、Ni中的一种；所述金属基板的形状为长方体，优选地，长度为1mm～3mm，宽度为1mm～3mm，厚度为0.5mm～1.5mm；所述金属基板待焊面为金属基板面积最大的一个表面；本专利技术提供的用于制备三明治式微型钎焊接头的夹具包括三个部分，第一部分为金属底座，金属底座上表面开有凹槽，第二部分为垫片，第三部分为重量块；第二部分和第三部分可以选择性使用；优选地，金属底座材料为铝合金，其形状为长方体，长、宽、高分别为100mm、100mm、5mm，金属底座上表面为一个面积为100mm×100mm表面，凹槽位于上表面中心位置；对于底座上表面所开凹槽，其形状为长方体，作用在于限制垫片的移动，为了方便垫片的放置与取出，凹槽四个顶角处分别开缺口，缺口深度与凹槽深度一致，优选地，凹槽长度为90mm、宽度为90mm、深度为1.6mm，缺口为弧形，曲率半径为3mm；在以所开凹槽底部中心为圆心的圆周上，再开有若干个小凹槽，其作用在于保证三明治式微型钎焊接头制备过程中上、下两金属基板保持中心对齐，这些小凹槽均为长方体，尺寸一致，且长度、宽度与所用金属基板长度、宽度一致，金属基板/钎料层/金属基板结构放入小凹槽后上、下两个金属基板完全被限制在小凹槽内，同时上部金属基板一部分能露出小凹槽，露出的厚度为0.1mm～1mm，为方便金属基板/钎料层/金属基板结构的放置，小凹槽四个顶角处分别开缺口，缺口深度与小凹槽深度一致，优选地，圆周半径为25mm，其上开有4个、6个或8个凹槽，小凹槽长度为1mm～3mm，宽度为1mm～3mm，深度为0.8～2.5mm，缺口为弧形缺口，曲率半径相等，为0.3mm～0.8mm；对于所述重量块，其作用为在三明治式微型钎焊接头的制备过程中向金属基板/钎料层/金属基板结构提供垂直向下的压力，置于垫片表面的中心部位，优选地，重量块呈圆柱状，单个使用，材质为不锈钢，规格为分别为100g、200g、300g、400g、500g、600g、700g、800g、900g、1000g；对于所述垫片，与底座配套使用，其作用为将置于其上的重量块重力转化为面力施加给金属基板/钎料层/金属基板结构，垫片形状为长方体，垫片长度、宽度与底座上表面所开凹槽长度、宽度一致，放置于底座上表面凹槽内，并与各金属基板/钎料层/金属基板结构露出在小凹槽之外的金属基板表面接触，优选地，垫片材料为石英玻璃，垫片长度为90mm、宽度为90mm、厚度为1.5mm；本专利技术还提供了三明治式微型钎焊接头的制备方法，具体包括以下步骤：步骤一：提供一种金属作为钎焊母材，将其剪裁成形状、尺寸一致的金属基板；步骤二：选取金属基板的一个表面作为待焊面，对该面依次进行研磨、抛光处理；步骤三：将钎料层置于上、下两金属基板待焊面之间，钎料层与上、下待焊面以最大面积相互接触，形成金属基板/钎料层/金属基板结构；对于所述钎料层，其长度、本文档来自技高网...

【技术保护点】
三明治式微型钎焊接头，其特征在于，由金属基板/钎料层/金属基板结构通过钎焊连接所形成，钎焊之前，钎料层厚度为1μm～500μm，上、下两个金属基板的形状、尺寸一致，对齐，钎焊之后，上、下两个金属基板仍保持对齐，中间夹有钎料层，且两个金属基板待焊面均实现了完全连接。

【技术特征摘要】
1.三明治式微型钎焊接头，其特征在于，由金属基板/钎料层/金属基板结构通过钎焊连接所形成，钎焊之前，钎料层厚度为1μm～500μm，上、下两个金属基板的形状、尺寸一致，对齐，钎焊之后，上、下两个金属基板仍保持对齐，中间夹有钎料层，且两个金属基板待焊面均实现了完全连接。2.根据权利要求1所述的三明治式微型钎焊接头，其特征在于：所述金属基板为Cu、Ag、Au、Co、Ni、Al、Mo、Pt、Pd中的一种，其形状为长方体，长度为1mm～5mm，宽度为1mm～5mm，厚度为0.5mm～2mm，所述待焊面为金属基板面积最大的一个表面。3.用于制备三明治式微型钎焊接头的夹具，包括金属底座，所述金属底座，其材料为铝合金、铁基合金、镍基合金、钴基合金、不锈钢中的一种，其上、下表面为两个相互平行的平面，上表面局部区域开有凹槽；在以凹槽底部中心为圆心，半径为20mm～30mm的圆周上开有3～9个形状为长方体的小凹槽，用于放置金属基板/钎料层/金属基板结构，这些凹槽中心能将圆周等分，尺寸一致，长度为1mm～5mm，宽度为1mm～5mm，深度为0.8mm～3.5mm，且长度、宽度与所用金属基板长度、宽度一致，四个顶角处分别开缺口，缺口深度与凹槽深度一致，凹槽内部放入金属基板/钎料层/金属基板结构后上、下两个金属基板完全被限制在小凹槽内，同时上部金属基板一部分能露出小凹槽，露出的厚度为0.1mm～1mm。4.根据权利要求3所述的用于制备三明治式微型钎焊接头的夹具，其特征在于：对于所述凹槽，其形状为长方体，长度为80mm～100mm，宽度为80mm～100mm，深度为1mm～3mm，在凹槽四个顶角处分别开缺口，缺口深度与凹槽深度一致。5.根据权利要求3所述的用于制备三明治式微型钎焊接头的夹具，其特征在于：还包括重量块和垫片。6.根据权利要求5所述的用于制备三明治式微型钎焊接头的夹具，其特征在于：对于所述重量块，其材质为铁基合金、镍基合金、钴基合金、不锈钢中任意一种，重量为100g～1000g，单个使用或组合使用，放置于垫片表面的中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓延，姚鹏，梁晓波，李扬，金凤阳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11