CN101439431A - 多束激光接合机及接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多束激光接合机，用于将部件间相互间隔一定距离的复数连接介质与对应的部件接合在一起。该接合机包括用于发射单束激光的激光束发射单元和光学器件。光学器件位于所述单束激光的照射路径上，将其分为多束激光并将多束激光聚焦在对应的连接介质上。该接合机能够同时照射多个连接介质，从而提高接合效率并避免使用单束激光带来的问题，因而提高了生产效率且获得更稳定的连接质量。本发明还公开了利用该接合机的多束激光接合方法。

Description

多束激光接合机及接合方法
技术领域
本发明涉及一种微连接领域中的连接装置和方法，尤其涉及一种利用多束激光连接的接合机及接合方法。
背景技术
在接合过程中运用激光束技术是微连接领域的常用手段。利用激光技术进行锡球连接(SBB，solder ball bonding)是磁盘驱动单元(HDD，hard disk drive)等制造过程中的一种普遍接合方法。高能量工业激光因其局部加热能力而被广泛应用于锡球连接过程中。
从锡球连接衍生出两种方法：一次锡球连接方法(SBM，solder ball mounting)和两次锡球连接方法。一次锡球连接方法中，锡球被通有氦气的喷嘴放置在连接触点上，然后用激光束一次熔化成型。而在两次锡球连接方法中，放置好的锡球先用低能量激光预热固定在连接触点上，然后用高能量激光将其熔化成型。
图1揭示了传统的锡球连接方法。需要注意的是，图1显示的是用锡球连接方法连接磁头折片组合中的磁头和悬臂件。如图1所示，连接触点54嵌于悬臂件55内，多个锡球53置于连接触点54上。磁头位于锡球53后方(图1中不可见)。位于激光喷嘴(图未示)内的激光束发射单元50按照锡球的布置方式沿着箭头方向X移动。单束激光52从激光束发射单元50中射出，穿过激光喷嘴底部依次照射到锡球53上。
在两次锡球连接方法中，激光束发射单元50先发射出低能量激光束将锡球53依次预连接在连接触点54上。锡球53的表层熔化，锡球53的底面粘附在相应的连接触点54上。全部锡球53预连接完后，激光束发射单元50返回，然后发射高能量激光束依次将锡球53完全熔化，熔化的锡覆盖在连接触点54上，在流体面压力的作用下形成连接点。而没有预连接过程、内有激光束发射单元50的激光喷嘴靠近锡球直接将其熔化的方法则被称为一次锡球连接方法。
可以看出，传统的锡球连接的两种方法具有一个共同特征：锡球是依次被熔化。因此，生产效率很低。
另外，对于超高密度区域包装，传统锡球连接方法中对锡球加热的不同步带来的问题随着锡球之间距离的减小而急剧增加，影响了连接的质量和可靠性。
此外，在应用于传统锡球连接方法中的光学技术的限制下，从激光束发射单元发出的单束激光受步进马达控制按锡球的分布移动，然后处理各锡球。当磁头的尺寸越来越小，在有限空间里移动和调整单束激光十分不方便。如果发生偏移，将对连接产生很大的影响。如果激光束不能聚焦在相应的锡球上，则会导致连接触点间连接失败，进而致使磁头不能正常工作。
众所周知，物体被加热会发生形变。这一物理性质同样适用于悬臂件。悬臂件由金属挠性件、铜电迹层和聚酰亚胺层组成。在锡球连接过程中，悬臂件受到锡球传导的来自激光束的热量，这热量将导致悬臂件变形，而金属挠性件的变形更加明显。在传统的锡球连接方法中，锡球是依次熔化，所以悬臂件受热不均匀，从而产生不对称形变。这种不对称的变形将导致磁头的俯仰/翻转静态角度(PSA，pitch/roll static angle)产生非期望的变化，从而对磁头的飞行性能产生巨大影响。
因此，亟待提供一种改进的激光束接合机及接合方法来提高生产效率和连接的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于将复数连接介质与对应的部件接合在一起的多束激光接合机，该接合机能同时照射复数个连接介质，因而提高了连接效率并增加了连接过程的稳定性。
本发明的另一目的在于提供一种用于将部件连接至基板的多束激光接合方法，该方法能同时熔化复数个锡球，因而提高了连接效率且增加了连接过程的稳定性。
本发明的又一目的在于提供一种固化粘附于多组部件和基板之间的环氧胶的多束激光接合方法，该方法能同时固化多组部件和相应基板之间的环氧胶，因而提高了连接效率且增加了连接过程的稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供一种多束激光接合机，用于将部件间相互间隔一定距离的连接介质与对应的部件接合在一起。所述多束激光接合机包括发射单束激光的激光束发射单元和光学器件。所述光学器件位于所述单束激光的照射路径上，将所述单束激光分为复数激光束并将所述复数激光束聚焦在对应的连接介质上。
在本发明多束激光接合机的一个实施例中，所述光学器件包括衍射光学元件和一组透镜，所述衍射光学元件位于所述激光束发射单元和所述透镜之间。
较佳的，所述衍射光学元件为具有台阶状表面的衍射光栅或具有复数个不同深度的平行槽的衍射光栅。
在本发明多束激光接合机的另一实施例中，所述光学器件从激光束发射单元一侧依次包括柱状透镜、一组透镜和小孔板。
一种用于将部件连接至基板的多束激光接合方法，包括如下步骤：(11)在所述部件和所述基板之间布置复数个锡球，且布置方式为使所述锡球之间相互间隔一定距离；(12)提供用于发射单束激光的激光束发射单元；(13)提供光学器件并将所述光学器件置于所述单束激光的照射路径上，所束光学器件将所述单束激光分为复数激光束且将所述复数激光束聚焦在对应的锡球上；(14)所述复数激光束同时照射锡球，使锡球同时熔化，从而所述部件连接至基板上。
在本发明接合方法的一个实施例中，步骤(14)包括先用低能量激光束照射所述锡球，使所述锡球表层熔化从而将所述锡球固定在基板上，然后用高能量激光束照射所述锡球将所述锡球完全熔化。
一种用于固化粘附于多组部件和基板之间的环氧胶的多束激光连接方法，包括如下步骤：(21)将环氧胶粘附于所述部件和所述部件相应的基板之间；(22)将所述多组部件和基板相互分离一定距离；(23)提供用于发射单束激光的激光束发射单元；(24)提供光学器件并将所述光学器件置于所述单束激光的照射路径上，所述光学器件将所述单束激光分为复数激光束且将所述复数激光束聚焦在对应的部件和基板组上；(25)用所述复数激光束同时照射对应的部件和基板组，使粘附于所述部件和基板组之间的环氧胶固化，从而所述多组部件和基板同时粘接在一起。
传统的接合方法是依次将锡球熔化成型，与传统的接合方法相比，本发明的接合方法中，单束激光被光学器件分为多束激光，多束激光同时聚焦在相应的连接介质上，一次使多个连接介质熔化成型，因而连接效率显著提高。此外，激光束发射单元不需要移动，所以避免了移动设备带来的误差，因而连接的稳定性和连接质量均有所提高。再者，同时加热，则各个被加热物体发生的变形也减小。
通过以下详细的描述并结合附图，本发明的其他方面、特征和优点将更容易理解，这些附图通过举例描述了本发明的原理。
附图说明
图1为传统锡球连接方法的示意图。
图2为利用本发明多束激光接合机的锡球连接方法的示意图，以磁头折片组合为例。
图3为图2的侧视图。
图4a为本发明多束激光接合机一个实施例的光学器件的示意图。
图4b展示了图4a所示光学器件的衍射光栅。
图5显示了穿过图4a所示光学器件的多束激光束的成像图。
图6a-6h展示了图4b所示衍射光栅的制造过程。
图7a为本发明多束激光接合机另一实施例的光学器件的示意图。
图7b展示了穿过图7a所示光学器件的多束激光束的成像图。
图8为本发明连接部件和基板的多束激光接合方法一实施例的流程图。
图9展示了使用本发明多束激光接合机的连接过程，以五个磁头折片组合为例。
图10为本发明连接多组部件和基板的多束激光连接方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供一种多束激光接合机，该接合机能够同时照射多个连接介质，从而提高接合效率并避免使用单束激光带来的问题，因而提高了生产效率且获得更稳定的连接质量。
图2是使用本发明多束激光接合机一实施例的锡球连接方法的示意图。参考图2-3，以磁头折片组合为例，磁头折片组合的悬臂件65通常有数层(图未示)，其中一层是铜电迹层。所述铜电迹层粘于悬臂件65上，并形成复数个，例如五个连接触点64。磁头68安装在所述悬臂件65上。复数个，例如五个锡球63置于磁头68的连接触点和悬臂件65之间，用来连接所述磁头68和悬臂件65。
本发明的多束激光接合机包括激光束发射单元60和光学器件66，所述激光束发射单元60和光学器件66均位于激光喷嘴(图未示)内。如图2所示，单束激光62从与传统锡球连接方法中使用的一样的激光束发射单元60射出。所述光学器件66位于所述单束激光62的照射路径上。单束激光62穿过所述光学器件66，被所述光学器件66分为复数，例如五束激光67，这五束激光67被称为多束激光。所述五束激光67穿过激光喷嘴的底部，分别聚焦在五个锡球63上，同时照射五个锡球63将其熔化。也就是说，一个步骤将所有的锡球63熔化，这样就节省了连接的时间。
因为锡球被多束激光同时加热，悬臂件因受热引起的变形减小，磁头的俯仰静态角度变化也随之较小，最后使磁头的飞行高度保持不变。
图4a展示了本发明多束激光接合机一个实施例的光学器件。如图4a所示，光学器件66包括衍射光学元件例如衍射光栅12和一组透镜13。所述衍射光栅12位于单束激光62和透镜13之间。在成像区域14，我们可以看到如图5所示的数个具有相等小间隔的点。这证明单束激光62被衍射光栅12分为多束激光，然后通过透镜13分别聚焦在这些点上。如上所述，锡球63置于所述点上，从而可以被同时加热。
一般来说，衍射光栅是一种具有周期性特殊配置或光学特性(如传播指数、折射指数等)的衍射屏。图4b显示了具有台阶状表面的衍射光栅。具体的，所述台阶状表面是三组三个不同深度的平行槽。
参考图4b和图6a-6h，衍射光栅的制造过程包括：a)将光阻材料72覆于基层12a上并在光阻材料72上方提供一个光罩71a；b)透过光罩71a照亮光阻材料72，在基层12a上形成预定的光阻材料图案；c)对基层12a进行蚀刻，形成具有两个第一深度槽121的基层12b；d)去掉光阻材料72；e)将光阻材料72覆于基层12b上并在光阻材料72上方提供另一光罩71b；f)透过光罩71b照亮光阻材料72，在基层12b上形成另一预定的光阻材料图案；g)对基层12b进行蚀刻，形成具有第二深度槽122和第三深度槽123的衍射光栅12；h)去掉光阻材料72。所述结构的衍射光栅能将单束激光分离为多束激光。
图7a-7b显示了本发明多束激光接合机另一实施例的光学器件的结构。从激光束发射单元60一侧开始，光学器件66包括一个柱状透镜22，一组透镜23和具有数个椭圆形小孔的小孔板24。参考图7a，单束激光62穿过柱状透镜22被压缩，激光束62的点从圆形变为长而窄的形状。透镜23位于柱状透镜22附近，将激光束聚焦。小孔板24位于透镜23之后，对激光束进行过滤。在成像区域25，可以看到数个具有相等小间隔的点，如图6b所示。这一现象也证明了单束激光62被分为多束并聚焦在这些点上。锡球63放置在所述点上，因此可以被同时加热。
参考图8，锡球连接过程中使用的将部件连接到基板上的多束激光接合方法包括如下步骤：
(111)在所述部件和所述基板之间布置复数个锡球，且布置方式为使所述锡球之间相互间隔一定距离；
(112)提供用于发射单一激光束的激光束发射单元；
(113)提供光学器件并将所述光学器件置于所述单一激光束的照射路径上，所述光学器件将所述单一激光束分为复数激光束且将所述复数激光束聚焦在对应的锡球上；
(114)所述复数激光束同时照射锡球，使锡球同时熔化，从而使所述部件连接至基板上。
上述方法是一次锡球连接过程，所用激光束为高能量激光。如果在两次锡球连接过程中，步骤(114)则包括两步，首先用低能量激光束照射所述锡球，使所述锡球表层熔化从而将所述锡球固定在基板上，然后用高能量激光束照射所述锡球将所述锡球完全熔化。
激光束的数量和能量可以根据实际需要通过调整光学器件和激光束发射单元来改变。由于不需要移动激光束发射单元，连接的质量和连接过程的稳定性均得到了提高。
多束激光可以用于任何连接过程，而不限于锡球连接过程。如图9所示，多个磁头73将通过环氧胶被粘接在相应的悬臂件75上。这里利用激光束进行环氧胶固化，其原理类似于进行锡球连接的原理。
如图10所示，用于固化粘接多组部件和基板的环氧胶，例如磁头和悬臂件，的多束激光接合方法，包括如下步骤：
(211)将环氧胶粘附于所述部件和所述部件相应的基板之间；
(222)将所述多组部件和基板相互分离一定距离；
(223)提供用于发射单束激光的激光束发射单元；
(224)提供光学器件并将所述光学器件置于所述单束激光的照射路径上，所述光学器件将所述单束激光分为复数激光束且将所述复数激光束聚焦在对应的部件和基板组上；
(225)用所述复数激光束同时照射对应的部件和基板组，使粘附于所述部件和基板组之间的环氧胶固化，从而使所述多组部件和基板同时接合在一起。
需要注意的是，本发明的连接介质不限于锡球和环氧胶，其他只要可以用激光束处理的连接介质都能被使用。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (16)

1.一种多束激光接合机，用于将部件间相互间隔一定距离的复数连接介质与对应的部件接合在一起，所述多束激光接合机包括：
发射单束激光的激光束发射单元；及
位于所述单束激光照射路径上的光学器件，所述光学器件将所述单束激光分为复数激光束并将所述复数激光束聚焦在对应的连接介质上。
2.如权利要求1所述的多束激光接合机，其特征是：所述光学器件包括衍射光学元件和一组透镜，所述衍射光学元件位于所述激光束发射单元和所述透镜之间。
3.如权利要求2所述的多束激光接合机，其特征是：所述衍射光学元件为具有台阶状表面的衍射光栅。
4.如权利要求2所述的多束激光接合机，其特征是：所述衍射光学元件为具有复数个不同深度的平行槽的衍射光栅。
5.如权利要求1所述的多束激光接合机，其特征是：所述光学器件从激光束发射单元一侧依次包括柱状透镜、一组透镜和小孔板。
6.一种用于将部件连接至基板的多束激光接合方法，包括：
(1)在所述部件和所述基板之间布置复数个锡球，且布置方式为使所述锡球之间相互间隔一定距离；
(2)提供用于发射单束激光的激光束发射单元；
(3)提供光学器件并将所述光学器件置于所述单束激光的照射路径上，所述光学器件将所述单束激光分为复数激光束且将所述复数激光束聚焦在对应的锡球上；及
(4)所述复数激光束同时照射锡球，使锡球同时熔化，从而使所述部件连接至基板上。
7.如权利要求6所述的多束激光接合方法，其特征是：所述步骤(4)包括先用低能量激光束照射所述锡球，使所述锡球表层熔化从而将所述锡球固定在基板上，然后用高能量激光束照射所述锡球将所述锡球完全熔化。
8.如权利要求6所述的多束激光接合方法，其特征是：所述光学器件包括衍射光学元件和一组透镜，所述衍射光学元件位于所述激光束发射单元和所述透镜之间。
9.如权利要求8所述的多束激光接合方法，其特征是：所述衍射光学元件为具有台阶状表面的衍射光栅。
10.如权利要求8所述的多束激光接合方法，其特征是：所述衍射光学元件为具有复数个不同深度的平行槽的衍射光栅。
11.如权利要求6所述的多束激光接合方法，其特征是：所述光学器件从激光束发射单元一侧依次包括柱状透镜、一组透镜和小孔板。
12.一种用于固化粘附于多组部件和基板之间的环氧胶的多束激光接合方法，包括：
(1)将环氧胶粘附于所述部件和所述部件相应的基板之间；
(2)将所述多组部件和基板相互分离一定距离；
(3)提供用于发射单束激光的激光束发射单元；
(4)提供光学器件并将所述光学器件置于所述单束激光的照射路径上，所述光学器件将所述单束激光分为复数激光束且将所述复数激光束聚焦在对应的部件和基板组上；及
(5)用所述复数激光束同时照射对应的部件和基板组，使粘附于所述部件和基板组之间的环氧胶固化，从而使所述多组部件和基板同时粘接在一起。
13.如权利要求12所述的多束激光接合方法，其特征是：所述光学器件包括衍射光学元件和一组透镜，所述衍射光学元件位于所述激光束发射单元和所述透镜之间。
14.如权利要求13所述的多束激光接合方法，其特征是：所述衍射光学元件为具有台阶状表面的衍射光栅。
15.如权利要求13所述的多束激光接合方法，其特征是：所述衍射光学元件为具有复数个不同深度的平行槽的衍射光栅。
16.如权利要求12所述的多束激光接合方法，其特征是：所述光学器件从激光束发射单元一侧依次包括柱状透镜、一组透镜和小孔板。
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