一种银烧结设备

技术领域

本发明涉及芯片烧结技术领域，具体涉及一种银烧结设备。

背景技术

银烧结是功率模块加工过程中不可或缺的组成部分，主要的作用是把一颗颗已经划好的芯片从蓝膜或者UV膜上取下，然后贴装到刷好银膏的铜质AMB基板上，然后通过在芯片及铜质AMB上加压10-30MPA，220-280°高温条件下使芯片烧结到AMB上。,

银烧结技术是将纳米银金属颗粒 在低于其块体金属熔点的温度下连接形成块体金属烧结体的现象。纳米银的烧结过程中，一个重要的理论是固态烧结的扩散机制。 纳米银低温烧结机制属于固相烧结，是通过原子间的扩散作用而形成致密化的连接，根据扩散而实现的动力学过程。

现有银烧结技术，如图1，银烧结和银烧结结束后芯片载板（铜质AMB）降温分别处于两个腔体中作业。银烧结时，将贴装好芯片的芯片载板（铜质AMB）放置到下模载台处，抽真空使腔体形成真空状态，然后上模压块提供10-30MPA压力，220-280°高温条件，下模载台提供支撑及220-280°高温，使芯片载台上的芯片下的纳米银颗粒扩散烧结结合，使芯片与芯片载板紧密结合，烧结时间约为2-6分钟。烧结结束后，芯片载板移到降温腔体，在充氮保护气的腔体内，芯片载台经过氮气3分钟左右降温到80℃，使芯片载板不至于高温氧化，至此完成了芯片与芯片载板（铜质AMB）的银烧结粘接过程。现有技术，不管是那种银烧结压力或热源提供方式，烧结和降温时间较长；压块结构单一且为硬质金属结构（为保证压合时压块平整性及压力均匀性压块必须为硬质金属）不能有效保护芯片；为提高效率只能对多芯片同时烧结，导致模具费用增高（模具越大，对平整性要求越高，加工难度越大，费用越高）；多芯片同时烧结对工艺条件的的要求（模具的平整性，压力传导的均匀性）越高，设备故障的可能性增大，因此导致设备停机的产能损失和维护保养等方面投入也越大。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明克服上述缺陷，提供一种冷热同腔、通过减小模具大小降低模具费用和工艺条件的难度的银烧结设备。

本发明的技术解决方案是：一种银烧结设备，包括银烧结机构、自动轨道以及设置在自动轨道一侧的机械手，所述银烧结机构包括移动滑轨以及设置在所述移动滑轨上方的烧结模具，所述自动轨道上设有载板载具，所述载板载具上设有芯片载板，所述烧结模具包括上模和下模，所述上模上方设有第一加热铜模，所述下模下方设有第二加热铜模，所述上模内设有压块，所述压块连接压块油缸，所述压块上方其两侧设有压块导柱，所述压块导柱的外周包裹有缓冲弹簧，所述第一加热铜模和所述第二加热铜模内部均设有加热棒和冷却管道，所述第一加热铜模内还设有氮气管道，所述下模的一侧连接有推送气缸，底部连接有升降油缸。

本发明的进一步改进在于：所述上模底部以及所述下模的顶部沿外周均设有密封圈。

本发明的进一步改进在于：所述上模内部位于所述压块两侧还设有模具导柱。

本发明的进一步改进在于：所述第一加热铜模内部还设有探温棒。

本发明的进一步改进在于：所述探温棒的数量为两个，分别设置在所述第一加热铜模内部的两个对角处。

本发明的进一步改进在于：所述第一加热铜模和所述第二加热铜模内的加热棒和冷却管道的数量均设有两个。

本发明的进一步改进在于：所述下模以及第二加热铜模置于平台上，所述升降油缸置于所述平台底部，输出端连接第二加热铜模。

本发明的有益效果是：1.本发明通单芯片上单压力源，冷热同腔的设计，通过减小模具大小降低了模具费用和工艺条件的难度,且通过冷热同腔的设计，使产品从烧结到冷却在同一腔体完成；2.因模具整体结构的缩小及导热金属的变更（采用加热铜模，铜材热传导率397W/m.K是硬质金属130W/m.K导热的3倍），使烧结冷却时间大大缩短，同时因模具结构的变小也减少了防氧化保护气体氮气的用量；3. 为解决硬质上模压块对芯片载板内芯片的损伤，在上模内设计了弹簧，使压块在刚接触芯片时是弹性压紧，保证了芯片受力的均匀性，随着压力不断上升，弹簧压紧，压力开始变为硬性压紧，为芯片银烧结提供稳定的压力及温度条件。

附图说明

图1是现有银烧结三种压块压力提供方式；

图2是本发明结构示意图；

图3是本发明中第一加热铜模和第二加热铜模剖面示意图；

图4是本发明中上模和下模结构示意图；

其中： 1-自动轨道，2-机械手，3-移动滑轨，4-烧结模具，5-载板载具，6-芯片载板，7-钨钢上模，8-钨钢下模，9-第一加热铜模，10-第二加热铜模，11-压块，12-压块油缸，13-压块导柱，14-缓冲弹簧，15-加热棒，16-冷却管道，17-氮气管道，18-推送气缸，19-升降油缸，20-平台，21-密封圈，22-导柱，23-探温棒，24-取片位置。

具体实施方式。

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图，本实施例提供的一种银烧结设备，包括银烧结机构、自动轨道1以及设置在自动轨道1一侧的机械手2，所述银烧结机构包括移动滑轨3以及设置在所述移动滑轨3上方的烧结模具4，所述自动轨道1上设有载板载具5，所述载板载具5上设有芯片载板6，芯片置于芯片载板6上。所述烧结模具4包括钨钢上模7和钨钢下模8，所述钨钢上模7上方设有第一加热铜模9，所述钨钢下模8下方设有第二加热铜模10，所述钨钢上模7内设有压块11，所述压块11连接压块油缸12，所述压块11上方其两侧设有压块导柱13，所述压块导柱13的外周包裹有缓冲弹簧14，所述第一加热铜模9和所述第二加热铜模10内部均设有两个加热棒15和两个冷却管道16，所述第一加热铜模9内还设有用于充氮气以及抽真空的氮气管道17，所述钨钢下模8的一侧连接有推送气缸18，底部还连接有升降油缸19，所述钨钢下模8以及第二加热铜模10置于平台20上，所述升降油缸19置于所述平台20底部，其输出端连接第二加热铜模10。所述钨钢上模7底部以及所述钨钢下模8的顶部沿外周均设有密封圈21。所述钨钢上模7内部位于所述压块11两侧还设有模具导柱22。所述第一加热铜模9内部还设有探温棒23，所述探温棒23的数量为两个，分别设置在所述第一加热铜模9内部的两个对角处。

本实施例提供的一种银烧结设备，其工作流程是：机械手将自动轨道上载板载具内的芯片载板夹起，推送气缸将钨钢下模通过移动滑轨推送到取片位置24，机械手将芯片载板放到下模固定位置后，推送气缸缩回，钨钢下模退回到作业位置，钨钢下模开始在升降气缸作用下上升到合模位置，钨钢上模和钨钢下模合模后，压块在压块气缸的作用下对芯片、芯片下纳米银和纳米银下芯片载板进行加压高温银烧结作业，作业完成后，压块气缸上升，升降气缸带动钨钢下模下降到作业位置，推送气缸再将钨钢下模推到取片位置24，机械手将模具的芯片载板放回到载板载具中完成一次循环作业。

其中烧结作业的工作流程是：将用锡膏贴装了芯片的芯片载板放置到下模固定位置，升降油缸带动平台上的钨钢下模上升，钨钢下模上的芯片载板随下模一起上升到合模面，钨钢下模与钨钢上模合模后通过密封圈形成密闭环境，通过氮气+真空管道进行抽真空，真空达到设定值后真空装置停止，氮气通过氮气+真空管道充到模具内形成保护，芯片与芯片压块开始接触，两个加热铜模开始加热，压块在压块油缸的作用下，缓慢向下，由于缓冲弹簧的作用与芯片接触进行初期的弹性压紧，并提供需要的压力和温度，使芯片，芯片下纳米银，纳米银下铜质AMB开始进行预烧结，随着压块的持续压紧，缓冲弹簧压紧，芯片压块开始对芯片提供硬性压紧和所需的温度等工艺条件直至烧结工艺完成，探温棒及时测量与载板接触面的温度来实现加热温度稳定。银烧结完成后，压块在压块油缸的作用下上升，加热加压停止，冷却水通过冷却管道对模具降温，探温棒探测模具温度低于80℃后，氮气停止供应，钨钢下模在升降油缸的作用下与上模分离，完成一次循环作业，弹性压紧对烧结初期的均匀性及芯片的保护有良性的改善。

烧结工艺说明：烧结过程可分为初期、中期、末期三个阶段。

第一个阶段（烧结初期），颗粒之间逐渐通过点开始接触，并逐渐聚合形成烧结颈，这是通过原子间扩散作用而逐渐长大并导致的颗粒之间距离的缩小。 随着颗粒之间形成的颈部开始长大变粗并形成晶界，晶界滑移并带动晶粒生长，则进入该烧结过程中的第二阶段（烧结中期）。 随着该烧结过程的进行，颗粒和颗粒开始形成致密化连接，即进入烧结过程中的第三阶段（烧结后期）。该阶段晶粒逐步长大并且颗粒之间的晶界逐渐形成连续网络。气孔相互孤立，并逐渐形成球形，位于晶粒界面或晶粒之间的结合点处。 烧结后期由于晶界滑移导致的晶粒生长特别迅速，从而促进颗粒的聚合和连接。

由于模具的小型化虽然可以降低工艺条件实现的难点（模具平整性，压紧时受力均匀性，升降温的快速性），但单颗作业不可避免的会出现效率较低的问题，因此通过机械手配合下模的伸缩装置，实现了设备作业效率的提高，设备维护保养及故障停机费用的降低，使设备更具有能动性及经济性。单颗银烧结模具可以配合机械手实现多颗产品银烧结，可根据产量需求确认模具数量，同时也可灵活设置维修保养模具，从而实现经济性及能动性。

本实施例解决了现有设备的局限性（单台设备维护保养停机等成本高），工艺要求难度高（多芯片压力稳定性及模具平整性）等问题，并大大提高了降温时间（3分钟降到45秒），设备经济性（模具平整性及压力稳定性要求降低带来的设备价格降低），生产能动性（根据生产需求使用模具数量，维护保养模具数量），减少了保护气体氮气耗用（模具空间的所需及冷却时间的缩短）。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和发明书中描述的只是发明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。