一种功率模块全自动热压成型装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术属于功率电子器件封装技术领域，公开了一种功率模块全自动热压成型装置，包括上层工作区和下层附件及控制区，上层工作区内部设置有热压作动系统、热压导向系统、加热组件，下层附件及控制区内部设置水冷系统和控制系统。本实用新型专利技术可以提供不同的烧结压力和烧结温度，同时可以通过闭环反馈精确控制烧结压力和粘接层高度，实现烧结时间、烧结压力、粘接层厚度的多种变化，为研究功率模块热压成型的相关难题提供帮助，对于半导体、微机电系统等高新技术产业的发展具有重要的推动作用。

A fully automatic hot pressing device for power module

The utility model belongs to the technical field of power electronic device package, discloses a power module automatic hot pressing molding device, including the upper and lower work area annex and control area, the internal upper working area is provided with hot pressing and hot pressing actuation system of guiding system, heating components, accessories and the lower control area is arranged inside the water cooling system and control system. The utility model can provide different sintering temperatures and pressure, also can through the closed-loop feedback precise control of sintering pressure and adhesive layer height, to achieve a variety of changes of sintering time and sintering pressure, the thickness of bonding layer, to provide help for the study of power module of hot press molding related problems, which plays an important role in promoting the development of high-tech industries the semiconductor and MEMS.

【技术实现步骤摘要】
一种功率模块全自动热压成型装置
本技术属于功率电子器件封装
，具体的说，是涉及一种用于功率模块热压成型工艺的装置。
技术介绍
电子封装产业的迅速发展，使得电子工业极大的依赖于功率电子。功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成一个模块。目前功率模块在实际应用中主要面临以下两个方面的问题：一方面在汽车、船舶、航空和深井钻孔等领域都需要功率模块在高于200℃的恶劣环境下工作。然而传统的用以连接功率电子器件的技术主要是将半导体芯片利用合金焊料或导电胶粘接在热沉之上或利用铝线或金线键合在另一个半导体芯片之上，这些工艺最高能达到的粘接温度约为150℃，不能满足宽带隙器件在高温运作环境下的要求；另一方面，散热已经成为实现功率电子器件商业化的瓶颈之一。目前解决功率电子器件的散热主要从封装结构、基板材料、粘接材料和热沉结构等方向进行研究。因此芯片与基板之间的粘接界面热阻就成了降低整个热阻的关键。解决这些问题的方案之一是采用纳米银焊膏作为粘接材料。纳米银焊膏作为一种新型绿色封装材料，具有高熔点(961℃)，低烧结温度(小于300℃)和优异的电、热等特点，因此在高温功率电子器件封装中具有广阔的应用前景。但是由于纳米银焊膏的现有工艺在芯片大面积粘接领域，存在连接强度低、宏观多孔、工艺复杂性大等问题，还需要做进一步研究，因此需要一种控制方式更加灵活、功能更加多样的热压成型装置。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种可以实现不同烧结压力和烧结温度，同时可以通过闭环反馈精确控制烧结压力和粘接层高度，实现烧结时间、烧结压力、粘接层厚度进行多种变化的功率模块全自动热压成型装置。为了解决上述技术问题，本技术通过以下的技术方案予以实现：一种功率模块全自动热压成型装置，其特征在于，包括上层工作区和下层附件及控制区；所述上层工作区内部设置有热压作动系统、热压导向系统、加热组件；所述下层附件及控制区内部设置水冷系统和控制系统；所述热压作动系统包括相互平行的上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板在由四根所述支撑螺柱相连接；所述上支撑板的下端面固定有上冷却板，所述上冷却板的下端面固定有上压器；所述上冷却板通过导柱支座、导柱、导套组成的导向机构连接有下冷却板，所述下冷却板的上端面固定有下压器，所述下压器和所述上压器之间为用以放置功率组件的工作区；所述下支撑板固定安装有电动缸，所述电动缸通过力传感器连接有圆头施力件，用于对下冷却板和下压器施力；所述电动缸还安装有旋转编码器；所述热压导向系统包括对称固定于所述上冷却板的下端面两侧的导柱支座，每个所述导柱支座下部固定连接有导柱，所述导柱下端依次穿过导套和下冷却板，两个所述导套分别固定于所述下冷却板的上端面两侧，所述导柱支座和所述导套之间安装有套在所述导柱上的弹簧，所述导套与所述导柱之间安装有直线滚珠套；所述圆头施力件安装在所述施力件固定座中，所述施力件固定座为中空结构，其上端面与所述下冷却板的下端面固定连接，并使所述圆头施力件顶端与所述下冷却板的下端面相接触；所述加热组件包括所述上压器和所述下压器，所述上压器和所述下压器均由压板、陶瓷隔热板、压头支撑板组成；所述压板内部安装多根加热棒，所述压板与所述陶瓷隔热板接触并由所述压头支撑板压紧固定，所述陶瓷隔热板固定于所述上冷却板或所述下冷却板；所述水冷系统包括所述上冷却板、所述下冷却板和冷却水箱，所述冷却水箱泵出冷却水进入所述上冷却板和所述下冷却板，所述上冷却板和所述下冷却板的内部加工有循环管路，参与循环后带走热量的冷却水回流至所述冷却水箱；所述控制系统包括控制电路板、上压器温控表、下压器温控表、开关电源，所述控制电路板与具有配套软件的计算机相连；所述控制电路板与所述电动缸、所述旋转编码器信号连接，用于控制所述下压器的位移以控制粘接层高度；所述控制电路板控制所述电动缸运行，所述电动缸驱动所述圆头施力件带动所述下压器发生位移，同时所述旋转编码器采集所述电动缸的电机旋转角度并传输给所述控制电路板，所述控制电路板将电机旋转角度换算为所述下压器的位移并传输给计算机；所述控制电路板与所述电动缸、所述力传感器信号连接，用于控制烧结压力；所述计算机将软件输入的载荷数值传输给控制电路板，所述控制电路板转换为载荷信号并传输给电动缸，所述电动缸对所述圆头施力件施加的载荷由力传感器采集，并转换为载荷信号反馈给控制电路板；所述上压器温控表、所述下压器温控表控制所述加热棒的启闭，用于控制烧结温度；所述加热棒与所述开关电源之间通过固态继电器连接；所述上压器温控表和所述下压器温控表分别以安装在所述上压器和所述下压器表面的温度传感器所采集的实际温度作为反馈变量，通过所述固态继电器控制所述加热棒进行加热或停止加热。优选地，所述下层附件及控制区外部设置所述上压器温控表、所述下压器温控表、电源及USB接口、五个开关按钮，五个开关按钮分别为“开机”按钮、“加热”按钮、“水冷”按钮、“上升”按钮和“下降”按钮，其中“上升”按钮和“下降”按钮分别与所述控制电路板信号连接；所述计算机通过USB接口连接所述控制电路板。优选地，所述圆头施力件的顶面中部为球冠体，该球冠体顶端与所述下冷却板的下端面始终保持点接触。优选地，所述陶瓷隔热板与所述上冷却板或所述下冷却板接触面的四角处安装四个矮支腿。优选地，所述冷却水箱设置在所述下层附件及控制区内，内部包含潜水泵、连接水管；所述冷却水箱侧面安装水位计和水温表。优选地，所述加热棒与所述开关电源之间通过固态继电器连接；当所述上压器温控表和所述下压器温控表检测到实际温度低于设定温度时，通过所述固态继电器控制所述加热棒进行加热；当所述上压器温控表和所述下压器温控表检测到实际温度达到设定温度时，通过所述固态继电器控制所述加热棒停止加热。优选地，所述开关电源为所述电动缸、所述上压器温控表、所述下压器温控表、所述控制电路板、所述加热棒、所述冷却水箱供电。本技术的有益效果是：(一)与现有技术相比，本技术可以实现不同的烧结压力和烧结温度，同时可以通过闭环反馈精确控制烧结压力和粘接层高度，实现烧结时间、烧结压力、粘接层厚度的全自动控制。例如实施例中提到的300℃、50MPa下保温2小时，之后自动转为20MPa下保温1小时，然后以5MPa/s的速度匀速降压，直至压力为零，这一流程在科学研究和实际生产中常会使用到，而传统的功率模块热压成型装置因为功能较为单一而难以实现。(二)本技术热压作动系统和热压导向系统实现了低摩擦的轴向加载，保证了上下压器的平行度，使得测力更加准确；圆头施力件的点接触设计克服了加工和安装带来的误差；四根支撑螺柱连接上支撑板和下支撑板，热压作动系统和热压导向系统设置于上支撑板和下支撑板之间，整体刚度较高，可以实现大载荷加载。(三)本技术的上压器和下压器的温度可以分别控制，可以实现同步加热或者不同温度的热压功能，丰富了工艺手段；隔热和水冷系统保证了加热组件(上压器和下压器)的温度恒定，防止产生热沉作用，同时保护设备其他零件。(四)本技术的集成度高，设备从结构上分为上下两部分，将热压作动系统、热压导向系统、加热组件、水冷系统、控制系统合理安置，有效减小了设备尺寸，提高了空间利用率。(五)本技术可以进行系列化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率模块全自动热压成型装置，其特征在于，包括上层工作区和下层附件及控制区；所述上层工作区内部设置有热压作动系统、热压导向系统、加热组件；所述下层附件及控制区内部设置水冷系统和控制系统；所述热压作动系统包括相互平行的上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板在由四根所述支撑螺柱相连接；所述上支撑板的下端面固定有上冷却板，所述上冷却板的下端面固定有上压器；所述上冷却板通过导柱支座、导柱、导套组成的导向机构连接有下冷却板，所述下冷却板的上端面固定有下压器，所述下压器和所述上压器之间为用以放置功率组件的工作区；所述下支撑板固定安装有电动缸，所述电动缸通过力传感器连接有圆头施力件，用于对下冷却板和下压器施力；所述电动缸还安装有旋转编码器；所述热压导向系统包括对称固定于所述上冷却板的下端面两侧的导柱支座，每个所述导柱支座下部固定连接有导柱，所述导柱下端依次穿过导套和下冷却板，两个所述导套分别固定于所述下冷却板的上端面两侧，所述导柱支座和所述导套之间安装有套在所述导柱上的弹簧，所述导套与所述导柱之间安装有直线滚珠套；所述圆头施力件安装在所述施力件固定座中，所述施力件固定座为中空结构，其上端面与所述下冷却板的下端面固定连接，并使所述圆头施力件顶端与所述下冷却板的下端面相接触；所述加热组件包括所述上压器和所述下压器，所述上压器和所述下压器均由压板、陶瓷隔热板、压头支撑板组成；所述压板内部安装多根加热棒，所述压板与所述陶瓷隔热板接触并由所述压头支撑板压紧固定，所述陶瓷隔热板固定于所述上冷却板或所述下冷却板；所述水冷系统包括所述上冷却板、所述下冷却板和冷却水箱，所述冷却水箱泵出冷却水进入所述上冷却板和所述下冷却板，所述上冷却板和所述下冷却板的内部加工有循环管路，参与循环后带走热量的冷却水回流至所述冷却水箱；所述控制系统包括控制电路板、上压器温控表、下压器温控表、开关电源，所述控制电路板与具有配套软件的计算机相连；所述控制电路板与所述电动缸、所述旋转编码器信号连接，用于控制所述下压器的位移以控制粘接层高度；所述控制电路板控制所述电动缸运行，所述电动缸驱动所述圆头施力件带动所述下压器发生位移，同时所述旋转编码器采集所述电动缸的电机旋转角度并传输给所述控制电路板，所述控制电路板将电机旋转角度换算为所述下压器的位移并传输给计算机；所述控制电路板与所述电动缸、所述力传感器信号连接，用于控制烧结压力；所述计算机将软件输入的载荷数值传输给控制电路板，所述控制电路板转换为载荷信号并传输给电动缸，所述电动缸对所述圆头施力件施加的载荷由力传感器采集，并转换为载荷信号反馈给控制电路板；所述上压器温控表、所述下压器温控表控制所述加热棒的启闭，用于控制烧结温度；所述加热棒与所述开关电源之间通过固态继电器连接；所述上压器温控表和所述下压器温控表分别以安装在所述上压器和所述下压器表面的温度传感器所采集的实际温度作为反馈变量，通过所述固态继电器控制所述加热棒进行加热或停止加热。...

【技术特征摘要】
1.一种功率模块全自动热压成型装置，其特征在于，包括上层工作区和下层附件及控制区；所述上层工作区内部设置有热压作动系统、热压导向系统、加热组件；所述下层附件及控制区内部设置水冷系统和控制系统；所述热压作动系统包括相互平行的上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板在由四根所述支撑螺柱相连接；所述上支撑板的下端面固定有上冷却板，所述上冷却板的下端面固定有上压器；所述上冷却板通过导柱支座、导柱、导套组成的导向机构连接有下冷却板，所述下冷却板的上端面固定有下压器，所述下压器和所述上压器之间为用以放置功率组件的工作区；所述下支撑板固定安装有电动缸，所述电动缸通过力传感器连接有圆头施力件，用于对下冷却板和下压器施力；所述电动缸还安装有旋转编码器；所述热压导向系统包括对称固定于所述上冷却板的下端面两侧的导柱支座，每个所述导柱支座下部固定连接有导柱，所述导柱下端依次穿过导套和下冷却板，两个所述导套分别固定于所述下冷却板的上端面两侧，所述导柱支座和所述导套之间安装有套在所述导柱上的弹簧，所述导套与所述导柱之间安装有直线滚珠套；所述圆头施力件安装在所述施力件固定座中，所述施力件固定座为中空结构，其上端面与所述下冷却板的下端面固定连接，并使所述圆头施力件顶端与所述下冷却板的下端面相接触；所述加热组件包括所述上压器和所述下压器，所述上压器和所述下压器均由压板、陶瓷隔热板、压头支撑板组成；所述压板内部安装多根加热棒，所述压板与所述陶瓷隔热板接触并由所述压头支撑板压紧固定，所述陶瓷隔热板固定于所述上冷却板或所述下冷却板；所述水冷系统包括所述上冷却板、所述下冷却板和冷却水箱，所述冷却水箱泵出冷却水进入所述上冷却板和所述下冷却板，所述上冷却板和所述下冷却板的内部加工有循环管路，参与循环后带走热量的冷却水回流至所述冷却水箱；所述控制系统包括控制电路板、上压器温控表、下压器温控表、开关电源，所述控制电路板与具有配套软件的计算机相连；所述控制电路板与所述电动缸、所述旋转编码器信号连接，用于控制所述下压器的位移以控制粘接层高度；所述控制电路板控制所述电动缸运行，所述电动缸驱动所述圆头施力件带动所述下压器发生位移，同时所述旋转编码器采集所述电动缸的电机旋转角度并传输给所述控制电路板，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，林强，王磊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津,12