CN109300797A - 一种深腔无引线芯片共晶焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深腔无引线芯片共晶焊接装置及方法，它解决了现有技术中人工焊接芯片精度无法保证，工作效率低的问题，具有实现机械焊接，且提高工作效率和精度的有益效果，其方案如下：一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，包括支撑台，支撑台设置第一凹槽，第一凹槽周侧与保护气体供应机构连通，第一凹槽内嵌套设置第二凹槽，第二凹槽与管座尺寸相适应以在第二凹槽设置管座；加热机构，设于支撑台内侧用于对管座表面的焊料进行加热；用于初始放置管座、焊料和芯片的载料台；机械手，机械手与多维移动机构连接，且机械手能从载料台分别将管座、焊料和芯片，再通过多维移动机构送至第二凹槽内。

Description

一种深腔无引线芯片共晶焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体晶体管、二极管封装技术改造，特别是涉及一种深腔无引线芯片共晶焊接装置及方法。
背景技术
随着移动通讯事业的飞速发展，电子元件向片式化、小型化、高集成度发展，对集成电路的封装要求也越来越高，需要大批量、低成本地生产具有遮光特性的黑色陶瓷封装基板。例如采用黑色Al2O3陶瓷封装的晶体管可使体积缩小到原来的1/30-1/100倍，但目前该产品还大量依靠进口，国内还无法生产，主要是封装陶瓷基座的问题无法解决。打破氧化铝陶瓷封装电子产品上的垄断，具有很大的实际应用价值。
国内自2000年左右开始，就开始使用陶瓷基片制造的金属陶瓷管壳，但是基本依赖进口产品，且每年的需求量成直线上升趋势。国内的金属外壳厂家也在逐步研发类似的产品。但是该类陶瓷基片制造的金属陶瓷管壳均属于深腔管壳，尤其CLCC-3、CLCC-4属于小尺寸(2mm-5mm)管壳，国内常规的平面焊接装置基本满足不了该类产品的芯片焊接，具体不足体现在以下几个方面：
1)主要依靠人工来焊接，而这种材料尺寸又小，焊接要求又较为严格，人工焊接精度存在不够，速度慢等问题。
2)因焊接要求较为严格，现有技术中需要人工通过显微镜来观察焊接质量，长时间工作，工人身体吃不消，容易产生疲倦，进一步导致生产速度减缓。
3)通常这种芯片价格昂贵，若人工焊接不能保证精度，则生产成本不易控制，而且人工有较多的不可控因素，若过慢，焊材已经完全融化，焊接质量差，若过慢，施加力度不够，同样会导致焊接的质量不稳定。
因此结合实际的生产需求，研发此类产品的深腔芯片共晶焊接装置成为了必须。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，具有制作简单、成本较低、能够适用于小批量和大批量生产，满足了生产的需求。
一种深腔无引线芯片共晶焊接装置的具体方案如下：
一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，包括
支撑台，支撑台设置第一凹槽，第一凹槽周侧与保护气体供应机构连通，第一凹槽内嵌套设置第二凹槽，第二凹槽与管座尺寸相适应以在第二凹槽设置管座；
加热机构，设于支撑台内侧用于对管座表面的焊料进行加热；
用于初始放置管座、焊料和芯片的载料台；
机械手，机械手与多维移动机构连接，且机械手能从载料台分别将管座、焊料和芯片，再通过多维移动机构送至第二凹槽内。
上述焊接装置，通过第二凹槽嵌入第一凹槽内，有效对管座进行限位，而且便于保护气体的通入，加热机构融化焊料，再通过机械手送入芯片，实现芯片安装于管座，完成焊接，整个结构设置合理，能够适用于小批量和批量生产。
进一步地，所述载料台设于所述支撑台的上方或一侧；
所述载料台表面设有用于放置管座、焊料和芯片卡槽。
进一步地，所述支撑台第一凹槽的上方设置目视显微镜；
所述目视显微镜通过支架与所述的支撑台连接，且目视显微为数码显微镜，数码显微镜与显示屏连接，控制器采用计算机或PLC控制器，目视显微镜与显示屏连接，可通过显示屏实现焊接过程的观测，无需反复通过显微镜进行观测，有利于降低工人的劳动强度。
进一步地，所述加热机构为加热板，所述支撑台在所述第一凹槽的下方设有加热槽用于设置加热板，且在加热槽内设有温度传感器；
温度传感器、加热机构和多维移动机构分别与控制器连接。
进一步地，所述机械手为空心管，空心管端部设置吸头，空心管内部与负压电机连接，空心管端部通过机械臂与所述的多维移动机构连接，通过负压电机作用，吸头吸附相应的管座或焊材或芯片。
进一步地，所述支撑台第一凹槽周侧设有多个第一通气孔，第一通气孔通过管路与所述的保护气体供应机构连通的，支撑台开有总通气孔，总通气孔与多个通气孔连通，且总通气孔通过管路与保护气体供应机构连接。
进一步地，所述支撑台在所述第一凹槽的一侧还设有第三凹槽，第三凹槽周侧同样与所述的保护气体供应机构连通，载料台设于第一凹槽和第三凹槽之间，载料台部分安装于支撑台，可通过螺栓连接，焊接完成后，由机械手将焊接完成后的工件送于第三凹槽进行初步冷却，待冷却完成后，再将工件取出第三凹槽；
第三凹槽周侧设有多个第二通气孔，第二通气孔与第一通气孔连通。
进一步地，所述保护气体供应机构包括氢气瓶和氮气瓶，氢气瓶和氮气瓶设置开关阀，两个开关阀与控制器连接，通过气体控制器控制送入第一凹槽处氢气和氮气的比例，通过控制器控制氢气瓶和氮气瓶的流量，通过氢气的通入用于防止芯片被氧化。
此外，在支撑台的侧部设置报警灯，若加热温度过高，控制器控制报警灯亮，且同时，控制器控制加热机构降温。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种深腔无引线芯片共晶焊接装置的使用方法，具体步骤如下：
将管座、焊料和芯片放于载料台；
控制保护气体供应机构向第一凹槽送入保护气体，控制加热机构开始加热；
多维移动机构控制机械手将管座送于第二凹槽内，将焊材送于管座相应位置；
多维移动机构控制机械手将芯片送于焊材表面，焊材融化，多维移动机构控制机械手端部下移给芯片设定的压力，以将芯片与管座连接。
其中，芯片与管座连接完成后，多维移动机构控制机械手将芯片送于支撑台第一凹槽的一侧用于冷却芯片。
为了提高加工的成品率，避免焊材融化过快，加热机构的加热温度为360℃-390℃；
所述保护气体为氮气和氢气，氮气的流速为15-20L/min，氢气的流速为350-430L/min，从而有效避免芯片被氧化，多维移动机构控制机械手给芯片施加压力的时间为15-20s，且施加的压力大小为8-20N，通过以上的设置，充分保证了芯片共晶焊接，提高了成品率，保证了产品的质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供焊接装置，可用于小尺寸深腔焊接，焊接速度快，有效保证焊接质量。
2)本发明通过整体装置的设置，有利于批量化生产，有利于成品率的提高。
3)本发明通过显微镜和显示屏的设置，可实现对焊接过程的观测，降低人工作业强度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的硬件结构框图；
图3为本发明的加热机构设置示意图；
图4为本发明的控制器设置示意图；
图5为本发明的可视化机构示意图；
图6为本发明的机械臂示意图；
其中，1-支撑台，101-第二凹槽，102-载料台，103-支撑台，104-第一通气孔，105-温度传感器，106-加热槽，107-第三凹槽；2-控制器，201-LCD液晶显示屏，202-报警灯；3-可视化组件，301-目视显微镜，302-电脑液晶显示屏，303-支架；4-机械手，401-机械臂，402-吸头，403-机械手。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种深腔无引线芯片共晶焊接装置。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，包括支撑台1，支撑台1设置第一凹槽，第一凹槽周侧与保护气体供应机构连通，第一凹槽内嵌套设置第二凹槽101，第二凹槽101与管座尺寸相适应以在第二凹槽101设置管座；加热机构，设于支撑台103内侧用于对管座表面的焊料进行加热；用于初始放置管座、焊料和芯片的载料台102；机械手403，机械手403与多维移动机构连接，且机械手能从载料台分别将管座、焊料和芯片，再通过多维移动机构送至第二凹槽101内。
上述焊接装置，通过第二凹槽101嵌入第一凹槽内，有效对管座进行限位，而且便于保护气体的通入，加热机构融化焊料，再通过机械手送入芯片，实现芯片安装于管座，完成焊接，整个结构设置合理，能够适用于小批量和批量生产。
载料台102设于所述支撑台103的上方或一侧；载料台102表面设有用于放置管座、焊料和芯片卡槽。
支撑台103第一凹槽的上方设置目视显微镜301，目视显微镜301为数码显微镜，该数码显微镜与电脑液晶显示屏302连接；目视显微镜301通过支架302与所述的支撑台连接或者通过支架与设于支撑台103一侧的固定座连接，如图5所示，且目视显微镜301与控制器2连接，控制器2采用计算机或PLC控制器，如图4所示，控制器2设置显示操作屏(为LCD液晶显示屏201)，通过显示操作屏操作氢气和氮气的比例，并设置温度传感器的超限温度。通过目视显微镜301或者电脑液晶显示屏302可视化的看到芯片、管座和焊材摆放的位置，通过显示器实现焊接过程的观测，无需反复通过显微镜进行观测，有利于降低工人的劳动强度，电脑液晶显示屏302与目视显微镜301无线或有线连接，二者构成可视化组件3。
加热机构为加热板，支撑台103在所述第一凹槽的下方设有加热槽106用于设置加热板，且在加热槽106内加热板的一侧设有温度传感器105；温度传感器105、加热机构和多维移动机构分别与控制器2连接。
机械手403为空心管，如图6所示，空心管端部设置吸头402，空心管内部与负压电机连接，空心管端部通过多节机械臂401与所述的多维移动机构连接，通过负压电机作用，吸头402吸附相应的管座或焊材或芯片。
支撑台103第一凹槽周侧设有多个第一通气孔104，第一通气孔通过管路与所述的保护气体供应机构连通的，支撑台103开有总通气孔，总通气孔与多个通气孔连通，且总通气孔通过管路与保护气体供应机构连接。
支撑台103在所述第一凹槽的一侧还设有第三凹槽107，第三凹槽107周侧同样与所述的保护气体供应机构连通，载料台102设于第一凹槽和第三凹槽107之间，载料台102部分安装于支撑台，可通过螺栓连接，焊接完成后，由机械手将焊接完成后的工件送于第三凹槽107进行初步冷却，待冷却完成后，再将工件取出第三凹槽107；第三凹槽107周侧设有多个第二通气孔，第二通气孔与第一通气孔连通。
其中，多维移动机构能带动机械手实现X轴、Y轴和Z轴方向的移动，具体通过电机等机构实现，为现有技术，不再赘述。
保护气体供应机构包括氢气瓶和氮气瓶，氢气瓶和氮气瓶设置开关阀，两个开关阀与控制器连接，通过气体控制器控制送入第一凹槽处氢气和氮气的比例，通过控制器控制氢气瓶和氮气瓶的流量，通过氢气的通入用于防止芯片被氧化，
此外，在支撑台的侧部设置报警灯202，若加热温度过高，控制器控制报警灯202亮，且同时，控制器控制加热机构降温，氮气和氢气的流量在控制器的控制下达到固定值并稳定，保证在合理的工艺范围和误差内，超范围报警(具体可在氮气的送气管路和氢气的送气管路分别设置流量计，流量计与控制器连接)，同时，控制器控制调整相应开关阀。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种深腔无引线芯片共晶焊接装置的使用方法，具体步骤如下：
将管座、焊料和芯片放于载料台；
控制保护气体供应机构向第一凹槽送入保护气体以在氢气和氮气的保护环境下进行焊接，控制加热机构开始加热；
多维移动机构控制机械手将管座送于第二凹槽内，将焊材送于管座相应位置；
多维移动机构控制机械手将芯片送于焊材表面，焊材融化，多维移动机构控制机械手端部下移给芯片设定的压力，以将芯片与管座连接。
其中，芯片与管座连接完成后，多维移动机构控制机械手将芯片送于支撑台第一凹槽的一侧用于冷却芯片。
为了提高加工的成品率，避免焊材融化过快，加热机构的加热温度为360℃-390℃；
保护气体为氮气和氢气，氮气的流速为15-20L/min，氢气的流速为350-430L/min，从而有效避免芯片被氧化，多维移动机构控制机械手给芯片施加压力的时间为15-20s，且施加的压力大小为8-20N，通过以上的设置，充分保证了芯片共晶焊接，提高了成品率，保证了产品的质量。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，包括：
支撑台，支撑台设置第一凹槽，第一凹槽周侧与保护气体供应机构连通，第一凹槽内嵌套设置第二凹槽，第二凹槽与管座尺寸相适应以在第二凹槽设置管座；
加热机构，设于支撑台内侧用于对管座表面的焊料进行加热；
用于初始放置管座、焊料和芯片的载料台；
机械手，机械手与多维移动机构连接，且机械手能从载料台分别将管座、焊料和芯片，再通过多维移动机构送至第二凹槽内。
2.根据权利要求1所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，所述载料台设于所述支撑台的上方或一侧；
所述载料台表面设有用于放置管座、焊料和芯片卡槽。
3.根据权利要求1所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，所述支撑台第一凹槽的上方设置目视显微镜；
所述目视显微镜通过支架与所述的支撑台连接，且目视显微为数码显微镜，数码显微镜与显示屏连接。
4.根据权利要求1所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，所述加热机构为加热板，所述支撑台在所述第一凹槽的下方设有加热槽用于设置加热板，且在加热槽内设有温度传感器；
温度传感器、加热机构和多维移动机构分别与控制器连接。
5.根据权利要求1所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，所述机械手为空心管，空心管端部设置吸头，空心管内部与负压电机连接，空心管端部通过机械臂与所述的多维移动机构连接。
6.根据权利要求1所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，所述支撑台第一凹槽周侧设有多个第一通气孔，第一通气孔通过管路与所述的保护气体供应机构连通。
7.根据权利要求6所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，所述支撑台在所述第一凹槽的一侧还设有第三凹槽，第三凹槽周侧同样与所述的保护气体供应机构连通；
第三凹槽周侧设有多个第二通气孔，第二通气孔与第一通气孔连通。
8.根据权利要求4所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置，其特征在于，所述保护气体供应机构包括氢气瓶和氮气瓶，氢气瓶和氮气瓶设置开关阀，两个开关阀与控制器连接，通过控制器控制送入第一凹槽处氢气和氮气的比例。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：
将管座、焊料和芯片放于载料台；
控制保护气体供应机构向第一凹槽送入保护气体，控制加热机构开始加热；
多维移动机构控制机械手将管座送于第二凹槽内，将焊材送于管座相应位置；
多维移动机构控制机械手将芯片送于焊材表面，焊材融化，多维移动机构控制机械手端部下移给芯片设定的压力，以将芯片与管座连接。
10.根据权利要求9所述的一种深腔无引线芯片共晶焊接装置的使用方法，其特征在于，芯片与管座连接完成后，多维移动机构控制机械手将芯片送于支撑台第一凹槽的一侧用于冷却芯片；
加热机构的加热温度在360℃-390℃；
所述保护气体为氮气和氢气，氮气的流速为15-20L/min，氢气的流速为350-430L/min，多维移动机构控制机械手给芯片施加压力的时间为15-20s。
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