CN111390319B - 一种芯片共晶焊接设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信行业，具体涉及一种芯片共晶焊接设备，该设备包括光学平台、焊接载物台部分、吸嘴位置调节台部分、放置台、控制按钮、主控制器和焊接电源。加热台载体设于滑道上可调节位置，旋转台设于加热台载体上，调节热沉基板的角度；加热台通过隔热柱与加热台载体连接，加热片和焊接模板设于加热台上用于固定热沉基板位置，其上设导流块；吸嘴位置调节台部分通过三轴位移调节台、弧摆台调节吸嘴位置。本发明实现极小尺寸芯片的共晶焊接，最小芯片焊接尺寸为：150μm*150μm，焊接精度可达±10μm；能够替代昂贵的进口手动共晶焊接设备，同时也可用于微小元器件的高精度贴装。
Description
技术领域
本发明属于光通信行业，尤其涉及芯片共晶焊接工艺，具体涉及一种芯片共晶焊接设备。
背景技术
共晶焊接技术在电子封装行业得到广泛应用，与传统的环氧胶固晶粘接相比，共晶焊接具有可靠性强、热导率高、导电电阻小、无助焊剂，共晶焊接后剪切力大等优点，因此在光电器件封装领域应用越来越广，为保持激光发射器长期稳定可靠，激光发射器芯片与基板之间必须采用共晶焊接。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种新型的手动芯片共晶焊接设备及焊接方法，本焊接设备简单、可靠、实用、价廉。
本发明的技术方案为：
一种芯片共晶焊接设备，包括光学平台29、焊接载物台部分、吸嘴位置调节台部分、放置台15、控制按钮、主控制器26和焊接电源27；
所述光学平台29，其一侧开有凹槽，凹槽两侧各设一个滑道14，用于安装焊接载物台部分；
所述焊接载物台部分，包括加热台1、导流块2、加热片3、气体加热块4、隔热柱10、旋转台11、旋转电机12和加热台载体13；所述加热台载体13安装在两个滑道14上，沿滑道14滑动；所述旋转电机12设于加热台载体13底部，旋转台11安装在加热台载体13上表面，旋转电机12与旋转台11连接，旋转电机12调节旋转台11旋转；所述加热台1通过多根隔热柱10固定在旋转台11上；
所述气体加热块4上设有加热块固定孔35和导流块固定孔34，通过加热块固定孔35安装在加热台1上表面，气体加热块4的下表面开设有多个连通的槽作为加热管路31，气体加热块4的中部对称设有两个通孔，分别为左出气孔32和右出气孔33；安装在加热台1上后，内部形成气体流路，外部的氮气从氮气入口30进入，在加热管路31中循环，最终从左出气孔32和右出气孔33流出至两个导流块2内部；
所述加热片3放置在气体加热块4上表面中间部位，加热片3上表面放置有焊接模板，热沉基板放置在焊接模板上；两个导流块2通过导流块固定孔34安装在气体加热块4上表面，对称位于加热片3的两侧，通过导流块2将加热片3和焊接模板压紧；所述导流块2内部为空心结构，且其一个侧面设有开孔，两个导流块2的开孔相对，使其内部的氮气流出，吹向加热片3，使加热片3上的热沉基板保持在氮气氛围中；加热台1对气体加热块4内的氮气以及加热片3进行预热，为共晶焊接芯片提供熔化温度；
所述吸嘴位置调节台部分包括三轴位移调节台、两轴弧摆台、吸嘴16、加热管17、真空吸管接口18、共晶头19、共晶头支架22和压力调节块28；所述三轴位移调节台包括X轴微调台5、Y轴微调台6和Z轴微调台7，固定于光学平台29上，位于加热台1的侧面；所述两轴弧摆台包括X轴弧摆台8和Y轴弧摆台9，安装在Z轴微调台7上；所述共晶头支架22安装在Y轴弧摆台9上，共晶头支架22的一端设有凹槽，共晶头19为杆状结构，共晶头19的一端安装在X轴弧摆台8上，且位于凹槽中，凹槽前端设有上限位块20和下限位块21，通过X轴弧摆台8和Y轴弧摆台9实现共晶头19的水平度调节，并通过上限位块20和下限位块21进行限位；共晶头19上设有压力调节块28，压力调节块28位于共晶头支架22的凹槽空间内，压力调节块28可沿共晶头19滑动，通过杠杆作用实现配重调节，从而控制共晶焊接压力；
所述吸嘴16安装在共晶头19的另一端，吸嘴16上套有加热管17，吸嘴16的顶端通过真空吸管接口18与外部真空装置连接；吸嘴16吸附端面设有避空槽；通过三轴位移调节台和两轴弧摆台实现吸嘴16在各个方向和角度的调节，从而实现芯片的方向和角度调节；所述放置台15水平安装在加热台载体13的侧面，用于放置待焊接的芯片，放置台15可以绕其自身的轴水平旋转，从而实现芯片的方向粗调；吸嘴16吸附放置台15上的芯片；
所述控制按钮包括真空按钮23、焊接按钮24和旋转控制钮25，均固定于光学平台29上，且均与主控制器26连接；所述主控制器26固定于光学平台29上，用于控制设备运行；焊接电源27设于主控制器26上，用于调节加热片3的加热功率，焊接电源27和加热片3均与主控制器26连接，主控制器26调节加热片3的加热时间；其中，真空按钮23用于控制吸嘴16真空吸附芯片，焊接按钮24用于控制共晶焊接开始，旋转控制钮25用于控制旋转电机12。
本发明的有益效果为：本发明可以实现极小尺寸芯片的共晶焊接，最小芯片焊接尺寸为：150μm*150μm，焊接精度可达±10μm；能够替代昂贵的进口手动共晶焊接设备，同时也可用于微小元器件的高精度贴装。
附图说明
图1为本发明的一种芯片共晶焊接设备的结构示意图。
图2为本发明的气体加热块的示意图(底部)。
图中：1加热台，2导流块，3加热片，4气体加热块，5X轴微调台，6Y轴微调台，7Z轴微调台，8X轴弧摆台，9Y轴弧摆台，10隔热柱，11旋转台，12旋转电机，13加热台载体，14滑道，15放置台，16吸嘴，17加热管，18真空吸管接口，19共晶头，20上限位块，21下限位块，22共晶头支架，23真空按钮，24焊接按钮，25旋转控制钮，26主控制器，27焊接电源，28压力调节块，29光学平台，30氮气入口，31加热管路，32左出气孔，33右出气孔，34导流块固定孔，35加热块固定孔。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种芯片共晶焊接设备，包括光学平台29、焊接载物台部分、吸嘴位置调节台部分、放置台15、控制按钮、主控制器26和焊接电源27。
光学平台29为焊接设备提供水平面，一侧开有凹槽，凹槽两侧各设一个滑道14，用于调节热沉基板位置。
焊接载物台部分，包括加热台1、导流块2、加热片3、气体加热块4、隔热柱10、旋转台11、旋转电机12和加热台载体13；所述加热台载体13为U形凹槽结构，倒置设于滑道14上，通过手动操纵加热台载体13沿滑道14前进、后退；旋转电机12设于加热台载体13凹槽内，电动调节固定于加热台载体13上的旋转台11，从而调节热沉基板的水平角度；加热台1通过隔热柱10与加热台载体13连接，为共晶焊接芯片提供基础温度，给待焊接热沉基板预热，以及给焊接保护气体加热；隔热柱10，共4根，分别设于加热台1的四个角，用于隔绝加热台1和加热台载体13直接热量传输；
气体加热块4固定于加热台1上，用于焊接保护气体的预热；气体加热块4的结构如图2所示，所述气体加热块4上设有加热块固定孔35和导流块固定孔34，通过加热块固定孔35安装在加热台1上表面，气体加热块4的下表面开设有多个通槽作为加热管路31，气体加热块4的中部对称设有两个通孔，分别为左出气孔32和右出气孔33；安装在加热台1上后，内部形成气体流路，外部的氮气从氮气入口30进入，在加热管路31中循环，最终从左出气孔32和右出气孔33流出至两个导流块2内部。
加热片3设于气体加热块4上，用于确定热沉基板的摆放位置，为共晶焊接芯片提供熔化温度；所述导流块2，共2块，通过导流块固定孔34固定在气体加热块4上，平行设于加热片3的两端，并将加热片3压紧，使焊接保护气体覆盖芯片焊接区域；所述焊接保护气体为氮气，加热片3为陶瓷加热片，加热片3上还设有焊接模板，用于放置热沉基板。
吸嘴位置调节台部分包括三轴位移调节台、弧摆台、吸嘴16、加热管17、真空吸管接口18、共晶头19、共晶头支架22、压力调节块28；三轴位移调节台包括X轴微调台5、Y轴微调台6、Z轴微调台7，固定于光学平台29靠近加热台1位置，用于调节吸嘴16的X轴、、Y轴、Z轴3个方向的位移；弧摆台包括X轴弧摆台8、Y轴弧摆台9，安装于Z轴微调台7上；共晶头支架22为L形结构，用于支撑共晶头19，一端与弧摆台连接，另一端设凹槽，凹槽内设上限位块20和下限位块21调节共晶头19位置，进而限制吸嘴16的上升和下降的极限；压力调节块28设于共晶头19上，可沿共晶头19左右滑动，用于控制共晶焊接压力；所述共晶头19一端设于共晶头支架22凹槽内，另一端安装有吸嘴16，加热管17套在吸嘴16上，用于加热芯片吸嘴16，在芯片吸嘴16吸取芯片后对芯片进行预热；吸嘴16的顶部通过接真空吸管接口18与外部真空装置连接；所述吸嘴16用于真空吸附芯片，吸嘴16吸附端面设有避空槽，防止与待焊接的芯片上的不可接触的部位相接触。
放置台15安装在加热台载体13的侧面，放置台15的可以旋转，以调节其上的芯片的吸取方向；控制按钮包括真空按钮23、焊接按钮24、旋转控制钮25，分别固定于光学平台29上；其中，真空按钮23用于控制吸嘴16真空吸附芯片，焊接按钮24用于控制共晶焊接开始，旋转控制钮25用于控制旋转电机12正转或者反转；主控制器26设于光学平台29上，用于控制设备运行，调节加热片3的加热时间，与加热片3的加热功率互相配合，达到最好的焊接效果；焊接电源27设于主控器26上，用于调节加热片3的加热功率。
采用上述装置进行芯片共晶焊接，具体步骤如下：
本实施例采用待焊芯片尺寸为150μm*150μm。
步骤1、开启焊接电源27和主控制器26，将焊接加热温度设定到额定值，等待加热台1温度上升到设定的温度值；并打开气体加热块4的气体开关，预热焊接保护氮气。
步骤2、将待焊芯片放在芯片放置台15上；调节三轴位移调节台、弧摆台的位置和放置台15的水平角度，使吸嘴16位于待焊芯片正上方，按真空按钮23，使吸嘴16吸起待焊芯片；打开加热管17预热待焊芯片。
步骤3、用镊子夹取一个热沉基板放入加热片3上的焊接模板内的指定位置；通过调节三轴位移调节台和弧摆台调整吸嘴16的位置，并调节加热台载体13位置和旋转台11角度，通过显微镜观察，使待焊芯片位于热沉基板待焊区域正上方。
步骤4、通过调节Z轴微调台7下移待焊芯片，使待焊芯片与热沉基板待焊区域轻微接触，然后按下焊接按钮24，主控制器26按照设定的程序自动共晶焊接。
步骤5、焊接完毕，调节Z轴微调台7上移吸嘴16到安全高度，手动向后拉动加热台载体13，用镊子小心将共晶焊接好芯片的基板夹出放入成品盒。
步骤6、重复步骤1-5，进行下一颗芯片的共晶焊接。
Claims (1)
1.一种芯片共晶焊接设备，其特征在于，所述的芯片共晶焊接设备包括光学平台(29)、焊接载物台部分、吸嘴位置调节台部分、放置台(15)、控制按钮、主控制器(26)和焊接电源(27)；
所述光学平台(29)，其一侧开有凹槽，凹槽两侧各设一个滑道(14)，用于安装焊接载物台部分；
所述焊接载物台部分，包括加热台(1)、导流块(2)、加热片(3)、气体加热块(4)、隔热柱(10)、旋转台(11)、旋转电机(12)和加热台载体(13)；所述加热台载体(13)为U形凹槽结构，所述加热台载体(13)安装在两个滑道(14)上，沿滑道(14)滑动；所述旋转电机(12)设于加热台载体(13)的凹槽内，旋转台(11)安装在加热台载体(13)上表面，旋转电机(12)与旋转台(11)连接，旋转电机(12)调节旋转台(11)旋转，从而调节热沉基板的水平角度；所述加热台(1)通过多根隔热柱(10)固定在旋转台(11)上；
所述气体加热块(4)用于固定于加热台(1)上，以用于焊接保护气体的预热；所述气体加热块(4)上设有加热块固定孔(35)和导流块固定孔(34)，通过加热块固定孔(35)安装在加热台(1)上表面，气体加热块(4)的下表面开设有多个连通的槽作为加热管路(31)，气体加热块(4)的中部对称设有两个通孔，分别为左出气孔(32)和右出气孔(33)；安装在加热台(1)上后，内部形成气体流路，外部的氮气从氮气入口(30)进入，在加热管路(31)中循环，最终从左出气孔(32)和右出气孔(33)流出至两个导流块(2)内部；
所述加热片(3)放置在气体加热块(4)上表面中间部位，加热片(3)上表面放置有焊接模板，热沉基板放置在焊接模板上；两个导流块(2)通过导流块固定孔(34)安装在气体加热块(4)上表面，对称位于加热片(3)的两侧，通过导流块(2)将加热片(3)和焊接模板压紧；所述导流块(2)内部为空心结构，且其一个侧面设有开孔，两个导流块(2)的开孔相对，使其内部的氮气流出，吹向加热片(3)，使加热片(3)上的热沉基板保持在氮气氛围中；加热台(1)对气体加热块(4)内的氮气以及加热片(3)进行预热，为共晶焊接芯片提供熔化温度；
所述吸嘴位置调节台部分包括三轴位移调节台、两轴弧摆台、吸嘴(16)、加热管(17)、真空吸管接口(18)、共晶头(19)、共晶头支架(22)和压力调节块(28)；所述三轴位移调节台包括X轴微调台(5)、Y轴微调台(6)和Z轴微调台(7)，固定于光学平台(29)上，位于加热台(1)的侧面；所述两轴弧摆台包括X轴弧摆台(8)和Y轴弧摆台(9)，安装在Z轴微调台(7)上；所述共晶头支架(22)安装在Y轴弧摆台(9)上，共晶头支架(22)的一端设有凹槽，共晶头(19)为杆状结构，共晶头(19)的一端安装在X轴弧摆台(8)上，且位于凹槽中，凹槽前端设有上限位块(20)和下限位块(21)，通过X轴弧摆台(8)和Y轴弧摆台(9)实现共晶头(19)的水平度调节，并通过上限位块(20)和下限位块(21)进行限位；共晶头(19)上设有压力调节块(28)，压力调节块(28)位于共晶头支架(22)的凹槽空间内，压力调节块(28)可沿共晶头(19)滑动，通过杠杆作用实现配重调节，从而控制共晶焊接压力；
所述吸嘴(16)安装在共晶头(19)的另一端，吸嘴(16)上套有加热管(17)，吸嘴(16)的顶端通过真空吸管接口(18)与外部真空装置连接；吸嘴(16)吸附端面设有避空槽；通过三轴位移调节台和两轴弧摆台实现吸嘴(16)在各个方向和角度的调节，从而实现芯片的方向和角度调节；所述放置台(15)水平安装在加热台载体(13)的侧面，用于放置待焊接的芯片，放置台(15)可绕其自身的轴水平旋转，从而实现芯片的方向粗调；吸嘴(16)吸附放置台(15)上的芯片；
所述控制按钮包括真空按钮(23)、焊接按钮(24)和旋转控制钮(25)，均固定于光学平台(29)上，且均与主控制器(26)连接；所述主控制器(26)固定于光学平台(29)上，用于控制设备运行；焊接电源(27)设于主控制器(26)上，用于调节加热片(3)的加热功率，焊接电源(27)和加热片(3)均与主控制器(26)连接，主控制器(26)调节加热片(3)的加热时间；其中，真空按钮(23)用于控制吸嘴(16)真空吸附芯片，焊接按钮(24)用于控制共晶焊接开始，旋转控制钮(25)用于控制旋转电机(12)。
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