一种半导体模块的超声焊接方法及设备

技术领域

本发明涉及超声焊接技术领域，特别涉及一种半导体模块的超声焊接方法及设备。

背景技术

目前，在功率半导体模块设计及应用过程中，引脚（也即PIN针）承担着“承上启下”的作用，它的底部连接功率半导体内部芯片的衬板，它的头部连接外部PCB的导电过孔，传递模块内部芯片电信号到外部电路板。

相关技术中，IGBT模块PIN针焊接工艺一般对针座采用锡焊，再进行二次插针，但是采用锡焊的方式在进行测试时针座焊接后推拉力较小，且针座锡焊易出现针孔堵锡的情况，直接造成产品报废。

而且此PIN针焊接属于关键特性，PIN针连接的稳定性一直是目前行业内需要客服的难题。

因此，有必要设计一种新的半导体模块的超声焊接方法及设备，以克服上述至少一个问题。

发明内容

本发明实施例提供一种半导体模块的超声焊接方法及设备，以解决相关技术中针座锡焊易出现针孔堵锡的情况，直接造成产品报废的问题。

第一方面，提供了一种半导体模块的超声焊接方法，半导体模块包括衬板，其包括以下步骤：使用焊接模具吸取一体针，其中，一体针包括一体成型的针和焊盘；对所述焊接模具施加超声振动和压力，使所述焊接模具驱动所述一体针的焊盘与所述衬板焊接固定。

一些实施例中，所述焊接模具具有焊接头，所述焊接头内设有真空通孔，所述使用焊接模具吸取一体针，包括：将所述一体针的针插设于所述真空通孔中；控制所述真空通孔内产生负压，使所述焊接头将所述一体针吸附固定，且所述一体针的焊盘挡止于真空通孔的外侧。

一些实施例中，所述焊接模具具有安装部和固设于所述安装部上的焊接头，所述安装部外套设调幅器；所述对所述焊接模具施加超声振动和压力，使所述焊接模具驱动所述一体针的焊盘与所述衬板焊接固定，包括：通过所述调幅器对所述焊接头施加超声振动，使所述焊接头在超声振动波的作用下带动所述一体针沿所述衬板的表面水平振动；同时，对所述焊接头施加预设压力，使所述焊盘与所述衬板的接触面融合于一体。

第二方面，提供了一种半导体模块的超声焊接设备，其包括：焊接模具，所述焊接模具的内部具有真空通孔，所述真空通孔用于吸附一体针；超声波加压装置，所述超声波加压装置与所述焊接模具连接，所述超声波加压装置用于对所述焊接模具施加超声振动和压力。

一些实施例中，所述超声波加压装置包括超声波发生器；所述焊接模具外套设有调幅器，所述调幅器的内部具有空腔，所述焊接模具至少部分插入所述空腔中，所述焊接模具通过所述调幅器与所述超声波发生器连接。

一些实施例中，所述焊接模具包括：安装部，所述安装部与所述超声波加压装置连接；以及焊接头，所述焊接头连接所述安装部，且所述焊接头与所述安装部呈夹角设置，所述真空通孔自所述安装部贯穿至所述焊接头的自由端面，所述焊接头关于中心面对称，其中所述中心面为所述安装部的轴线与所述焊接头的轴线所在的平面。

一些实施例中，所述真空通孔包括：第一孔，所述第一孔部分位于所述安装部内，且位于所述安装部内的所述第一孔沿所述安装部的轴线方向延伸；以及第二孔，所述第二孔位于所述焊接头内，所述第二孔与所述第一孔连通，且所述第二孔的内径小于所述第一孔的内径。

一些实施例中，所述真空通孔还包括第三孔，所述第三孔沿所述安装部的径向方向延伸，且所述第三孔与所述第一孔连通；所述焊接模具还设有第四孔，所述第四孔与所述第三孔的轴线共线，且所述第四孔与所述第一孔之间设有阻挡部。

一些实施例中，所述第三孔包括共轴线的外孔和内孔，所述外孔的内径大于所述内孔的内径，且所述内孔的内径小于所述第一孔的内径，所述外孔的内径大于所述第一孔的内径。

一些实施例中，所述焊接头的端部具有接触面，所述接触面设有齿纹。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种半导体模块的超声焊接方法及设备，由于焊接模具可以吸取一体针，并且焊接模具可以对一体针施加超声振动波，同时，在加压的情况下，使一体针的焊盘与衬板的表面相互摩擦，进而形成分子层之间的融合，实现一体针与衬板的焊接固定，因此，分子层互相融合的一体针与衬板之间的连接强度比锡焊的方式连接强度高，推拉力相对大一些，并且不会出现针孔堵锡的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种半导体模块的超声焊接设备的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的焊接模具的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的焊接模具的主视示意图；

图4为本发明实施例提供的焊接模具的剖视示意图；

图5为本发明实施例提供的焊接模具另一方向的剖视示意图。

图中：

1、焊接模具；11、安装部；12、焊接头；121、接触面；

13、真空通孔；131、第一孔；132、第二孔；133、第三孔；1331、外孔；1332、内孔；

14、第四孔；15、阻挡部；

2、一体针；3、衬板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种半导体模块的超声焊接方法及设备，其能解决相关技术中针座锡焊易出现针孔堵锡的情况，直接造成产品报废的问题。

参见图1所示，为本发明实施例提供的一种半导体模块的超声焊接方法，其中，半导体模块可以包括衬板3，所述超声焊接方法可以包括以下步骤：

S1：使用焊接模具1吸取一体针2，其中，一体针2包括一体成型的针和焊盘，焊盘用于焊接至衬板3上。

S2：对所述焊接模具1施加超声振动和压力，使所述焊接模具1驱动所述一体针2的焊盘与所述衬板3焊接固定。

为了提高IGBT模块的可靠性，传统的分体式插针焊接方式逐渐被一体针2焊接工艺取代，传统的分体式插针焊接模式存在以下问题：

1、如针座采用锡焊工艺，再进行二次插针，同等测试条件下针座焊接后推拉力仅为超声焊接的三分之一，而且针座焊接易出现针孔堵锡情况直接造成产品报废。

2、如针座采用超声焊工艺，再进行二次插针，针座和针的配合公差无法控制，会导致模块PIN针虚插造成的质量缺陷。

而一体针2超声焊接工艺能较好的解决上述问题，采用自动超声焊接一体针2焊接可靠性高，由于针和针座做成一体式的，也不用考虑针与针座的尺寸配合的问题，针和针座的偏差相差大了插不紧，偏差小了针又不能插进针座中。并且由于分体式插针的针和针座之间的配合不管怎么做都是会存在间隙的，而本实施例中的一体针2是一个整体，在应用时，比原来分体式插针的针和针座的配合阻抗小，干扰小，焊接后针高度的一致性较好，能控制在10微米以内。

本实施例中，由于焊接模具1可以吸取一体针2，并且焊接模具1可以对一体针2施加超声振动波，使高频振动波传递到两个需要焊接的物体表面，同时，在加压的情况下（压力值优选为170~190N），一体针2与衬板3作相对高频率机械振动，使一体针2的焊盘与衬板3的表面相互摩擦，进而形成分子层之间的融合，实现一体针2与衬板3的焊接固定，在焊接的过程中，一体针2与衬板3之间先破碎氧化层，然后一体针2与衬板3之间发生原子扩散，最后形成真正意义上的稳定的金属共晶；因此，分子层互相融合的一体针2与衬板3之间的连接强度比锡焊的方式连接强度高，推拉力相对大一些，并且不会出现针孔堵锡的情况。

进一步，本实施例中采用超声焊接的方式，两被焊接的物体重叠，经超声振动加压接合成固态形式，焊接时间短，低温焊接，不破坏金属分子结构。且超声焊与电阻焊方法相比，超声焊的焊接模具1寿命长，模具整修与替代时间少，而且易于实现自动化，处理超声焊接可以不需助焊剂、金属填料、外部加热、气体等外部因素，焊接无火花，环保安全。

参见图2和图5所示，在一些实施例中，所述焊接模具1具有焊接头12，所述焊接头12内设有真空通孔13，所述使用焊接模具1吸取一体针2，可以包括：将所述一体针2的针插设于所述真空通孔13中；控制所述真空通孔13内产生负压，使所述焊接头12将所述一体针2吸附固定，且所述一体针2的焊盘挡止于真空通孔13的外侧。其中，可以采用真空发生器通过气管与焊接头12内的真空通孔13连通，使得真空通孔13内产生足够的负压，便于快速牢靠的吸取一体针2。

本实施例中，焊接头12做成中空吸取一体针2，不会影响超声波传递的稳定性。焊接头12的主要参数是焊接模具1的频率，焊接模具1的频率和电箱的频率一致，焊接头12的能量就可以传递出去。

焊接模具1的频率参数设计如下： 超声波焊接机（也即焊接模具1）都有一个中心频率，例如20KHz、40 KHz等，焊接机的工作频率主要由换能器（Transducer）、变幅杆（Booster）、和焊接头12（Horn）的机械共振频率所决定，超声波发生器的频率根据机械共振频率调整，以达到一致，使焊接头12工作在谐振状态，每一个部分都设计成一个半波长的谐振体。超声波发生器及机械共振频率都有一个谐振工作范围，如一般设定为±0.5 KHz，在此范围内焊接机基本都能正常工作，其制作每一个焊接头12时，都会对谐振频率作调整，要求做到谐振频率与设计频率误差小于0.1 KHZ，如20KHz 的焊接头12，焊接头12的频率会控制在19.90—20.10 KHz，误差为5%。

在其他实施例中，也可以采用其他的吸附方式，比如磁吸的方式来吸取一体针2。

在一些可选的实施例中，所述焊接模具1具有安装部11和固设于所述安装部11上的焊接头12，所述安装部11外可以套设有调幅器；所述对所述焊接模具1施加超声振动和压力，使所述焊接模具1驱动所述一体针2的焊盘与所述衬板3焊接固定，可以包括：通过所述调幅器对所述焊接头12施加超声振动，使所述焊接头12在超声振动波的作用下带动所述一体针2沿所述衬板3的表面水平振动，也即，沿着水平面往复移动；其中，在振动的过程中，一体针2可以沿水平面的X轴做往复振动，其振动一般比较小，大概10~40微米，焊接位置可以直接采用视觉定位，焊接过程中按照视觉定位结果进行超声焊接，不像针座锡焊时位置容易发生偏移；在超声振动的同时，可以通过电机下压对所述焊接头12施加预设压力，使所述焊盘与所述衬板3的接触面121融合于一体，其中，在焊接的过程中，压力可以与超声振动同时施加，且在整个焊接的过程中压力的大小不变。本实施例中，调幅器能够在超声波焊接应用中实现传递超声能量和改变输出振幅；在超声传递路径上有个零点位置，夹持在调幅器的这个位置不会影响到振幅的传递。

其中，本超声焊接方法中使用到的超声焊接设备可以采用下述任意实施例中提供的超声焊接设备，在此不再赘述。

参见图1和图2所示，本发明实施例还提供了一种半导体模块的超声焊接设备，其可以包括：焊接模具1，所述焊接模具1的内部具有真空通孔13，所述真空通孔13用于吸附一体针2，其中，一体针2的针可以插入真空通孔13，而焊盘封堵在真空通孔13的端口处，以对真空通孔13进行密封，且焊盘可以至少部分外露于真空通孔13外，以便于与衬板3焊接；超声波加压装置，所述超声波加压装置可以与所述焊接模具1连接，且所述超声波加压装置用于对所述焊接模具1施加超声振动和压力。

进一步，在一些实施例中，所述超声波加压装置包括超声波发生器；所述焊接模具1外可以套设有调幅器，所述调幅器的内部具有空腔，所述焊接模具1至少部分插入所述空腔中，所述焊接模具1通过所述调幅器与所述超声波发生器连接，其中，焊接模具1可以与调幅器采用螺纹连接的方式。调幅器能够在超声波焊接应用中实现传递超声能量和改变输出振幅；在超声传递路径上有个零点位置，夹持在调幅器的这个位置不会影响到振幅的传递。

进一步，参见图3至图5所示，在一些可选的实施例中，所述焊接模具1可以包括：安装部11，所述安装部11与所述超声波加压装置连接；以及焊接头12，所述焊接头12连接所述安装部11，其中，焊接头12优选与安装部11一体成型，且所述焊接头12与所述安装部11呈夹角设置，该夹角可以为锐角、钝角或者直角，本实施例中，优选直角，也即焊接头12的轴线与安装部11的轴线垂直设置，所述真空通孔13自所述安装部11贯穿至所述焊接头12的自由端面，所述焊接头12关于中心面对称，其中所述中心面为所述安装部11的轴线与所述焊接头12的轴线所在的平面。本实施例中，由于焊接头12关于中心面对称设置，焊接头12设计为中心对称结构，可以保证超声传递的稳定性，本实施例中提供的焊接头12能够稳定的传递超声振动。

优选的，可以在安装部11的上下两侧均安装一个焊接头12，使两个焊接头12关于安装部11的轴线对称设置，设置两个焊接头12，当其中一个损坏时，可以接着使用另一个焊接头12。当然，在其他实施例中，也可以在安装部11上设置一个焊接头12。

参见图5所示，在一些实施例中，所述真空通孔13可以包括：第一孔131，所述第一孔131部分位于所述安装部11内，且位于所述安装部11内的所述第一孔131沿所述安装部11的轴线方向延伸，第一孔131可以沿着安装部11的轴线朝向远离焊接头12的方向贯穿至安装部11的端面，便于在端面处通过气管与真空发生器接通；以及第二孔132，所述第二孔132位于所述焊接头12内，所述第二孔132与所述第一孔131连通，且所述第二孔132的内径小于所述第一孔131的内径。本实施例中，将第一孔131的内径做的相对大一些，可以保证气体流量，而第二孔132的内径相对小一些，大于针的外径，且小于焊盘的外径即可，保证在进行真空吸附时，焊盘可以阻挡在真空通孔13的外侧对真空通孔13进行密封。

参见图4所示，优选的，所述真空通孔13还可以包括第三孔133，所述第三孔133沿所述安装部11的径向方向延伸，且所述第三孔133与所述第一孔131连通，第三孔133也可以通过气管连接真空发生器，进行抽真空；所述焊接模具1还可以设有第四孔14，所述第四孔14与所述第三孔133的轴线共线，且所述第四孔14与所述第一孔131之间设有阻挡部15，也即通过阻挡部15的设置，使得第四孔14在对应第三孔133处不与第一孔131连通，而设置与第三孔133共轴线的第四孔14，可以保证在安装部11的左右两侧，孔的数量以及位置是尽量对称的，从而可以保证安装部11整体呈中心对称结构，保证了安装部11能够稳定的传递超声振动。

参见图4所示，在一些实施例中，所述第三孔133可以包括共轴线的外孔1331和内孔1332，所述外孔1331的内径大于所述内孔1332的内径，且所述内孔1332的内径小于所述第一孔131的内径，所述外孔1331的内径大于所述第一孔131的内径。本实施例中，外孔1331的内径相对大一些，可以容纳气管的端部，可以与气管的外径基本相等，而内孔1332的内径相对小一些，可以与气管的内径基本相等，外孔1331与内孔1332之间的内径差距，使得外孔1331与内孔1332的连接处形成台阶，以对气管进行限位。

优选的，所述焊接头12的端部可以具有接触面121（也即自由端面），所述接触面121设有齿纹，通过齿纹的设置，可以更好的抓牢产品。

本实施例提供的超声焊接设备中，可以采用带倒角的一体针2原料，匹配摩擦焊，可以有效避免焊接过程中对针的损伤，采用超声波摩擦敢接工艺，可以避免焊接后焊渣大量堆积导致的半导体模块短路质量缺陷。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。