CN114300908B - 具有微细多引线的压力传感器的焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，用于焊接引线于压力传感器芯片的焊盘上；包括固定夹具和热压焊装置，固定夹具上设置有至少一个第一弧面，第一弧面上设置有固定槽，固定槽用于固定压力传感器芯片，热压焊装置的热压头设置有第二弧面，第二弧面用于压覆引线在焊盘上，以使引线与热压头形成线接触；采用焊接或压合方法，使引线前端的引线端子固定于焊盘上；针对小尺寸产品的焊接，采用了弧面线接触相切的工艺手段，达到精准焊接每根引线和焊盘，使得相邻两根引线的焊点不会粘连，采用转动的方式进行连续焊接，减小整体设备的占用空间，并且方便收取物料，整体制备工艺简单，能够达到较高良品率和生产效率的自动化过程。

Description

具有微细多引线的压力传感器的焊接装置

技术领域

本发明涉及超微尺寸压力传感器的焊接方法及装置技术领域，特别是涉及一种具有微细多引线的压力传感器的焊接装置。

背景技术

微机电系统（MEMS）是一个多学科交叉的高科技领域。其研究成果在国民经济中有广泛的应用前景。目前MEMS产品中研制最多的、应用最广的就是硅微压力传感器，其产品级应用有流体力学压力参数的测量，例如颅内压的微小压力的传感器和平流层的飞机、导弹，以及智能敏能蒙皮等环境。但是在现有技术中，由于微传感器结构设计和制备方法的限制，硅微传感器只能局限应用在其特定的使用环境中，且在本领域一般技术人员的认知中，在一个较宽温度范围的变化环境内，材料的热匹配问题会随着温度的变化而变化，导致很难设计和制备出一种能够在-70-350℃温度范围内应用的微型硅压力传感器；例如颅内压传感器就需要考虑材料在低温的耐受性和生物相容性问题，其特殊要求更加苛刻；因此，亟需一种能够在较宽温度范围内均能使用的压力传感器。

对于微、小型传感器，其制备过程也是决定其能否在大阈值环境范围内使用的重要因素，并且，制备方法本身也是一大难点；其主要目的就是小尺寸内硅压力传感器芯片表面用多根引出引线焊接在一起；随着硅微传感器的更加小型化和对传感器性能品质要求的不断提高，对于芯片尺寸规格在0.5mm以内、引线要求采用直径在0.03mm以下细漆包铜丝、且相邻引线间隔在0.02mm左右的微型压力传感器而言，由于传感器芯片体积小，微细引线十分柔软、且相距间隔小，现有技术中设计有板状固定装置来固定芯片和铜线，再通过显微镜等装置对微细引线进行微调达到分离，然后再进行焊接；但是这种方式还是存在很多问题，例如对于多根线相邻的漆包铜丝，如何去除漆包皮、且保证端头结构无磨损是一个技术难点；怎样选择挂焊锡的方式、保证焊层均匀分布且与不需焊接的部位分隔也是技术难题，因此在现有技术中，还未有一种能够达到预处理便捷、焊接稳定性高、封装效果好、生物相容性优良且应用范围广的制备微细多引线压力传感器方法。

发明内容

在现有技术中，存在的技术问题有：还未有一种针对多引线的硅微传感器预处理便捷、焊接稳定性高的焊接固定夹具。

为了解决现有问题，本发明提供一种具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，用于焊接引线于压力传感器芯片的焊盘上；包括固定夹具和热压焊装置，所述固定夹具上设置有至少一个第一弧面，所述第一弧面上设置有固定槽，所述固定槽用于固定所述压力传感器芯片，所述热压焊装置的热压头设置有第二弧面，所述第二弧面用于压覆所述引线在所述焊盘上，以使所述引线与所述热压头形成线接触。

作为优选，所述第一弧面为圆柱面，且所述第一弧面上均匀圆周分布有所述固定槽。

作为优选，所述固定夹具包括有第一转轴，所述第一转轴上转动连接有第一圆柱，所述第一圆柱的圆柱面为所述第一弧面。

作为优选，所述固定槽的底部设置有真空吸附孔。

作为优选，所述热压头为滚轮，所述热压头的圆柱面为所述第二弧面；且所述热压头的直径小于所述第一圆柱。

作为优选，所述热压焊装置还包括加热组件、第一固定片和第二固定片，所述热压头通过固定销滚动连接在所述第一固定片和所述第二固定片之间；且所述第一固定片、所述第二固定片、所述固定销与所述加热组件形成电流通路，以加热所述热压头。

作为优选，所述热压焊装置还包括有压力测试组件，所述第一固定片和所述第二固定片通过绝缘固定块固定连接所述压力测试组件，所述第一固定片和所述第二固定片远离所述绝缘固定块的一端连接所述热压头；所述加热组件与所述压力测试组件固定连接。

作为优选，所述热压头与所述第一圆柱的柱面间隙设置，所述引线置于所述焊盘上时与所述热压头抵接。

作为优选，所述第一圆柱和所述热压头可相对滚动。

作为优选，还包括有第一卡具和第二卡具，所述第一卡具设置有第一夹持孔，所述第一夹持孔夹持固定所述引线，所述第二卡具设置有第二弧形槽，所述第二弧形槽分隔所述引线的引线端子。

本发明的有益效果是：本发明一种具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，用于焊接引线于压力传感器芯片的焊盘上；包括固定夹具和热压焊装置，固定夹具上设置有至少一个第一弧面，第一弧面上设置有固定槽，固定槽用于固定压力传感器芯片，热压焊装置的热压头设置有第二弧面，第二弧面用于压覆引线在焊盘上，以使引线与热压头形成线接触；采用焊接或压合方法，使引线前端的引线端子固定于焊盘上；针对小尺寸产品的焊接，采用了弧面线接触相切的工艺手段，达到精准焊接每根引线和焊盘，使得相邻两根引线的焊点不会粘连，同时分布在弧面的凹槽上，能够采用转动的方式进行连续焊接，减小整体设备的占用空间，并且方便收取物料，整体制备工艺简单，能够达到较高良品率和生产效率的自动化过程；更优选的，采用了真空吸附的方式，达到上料下料的稳定精准控制。

附图说明

图1为本发明的引线和芯片结构图；

图2为本发明的立体结构图；

图3为本发明的固定夹具结构示意图；

图4为本发明的热压焊装置结构示意图；

图5为本发明的使用状态结构图；

图6为本发明的图5中A部分的结构放大图；

图7为本发明的第一卡具结构图；

图8为本发明的第二卡具结构图。

元器件符号说明

1、引线；11、引线端子；

2、压力传感器芯片；21、焊盘；

3、固定夹具；31、第一弧面；311、固定槽；3111、真空吸附孔；32、第一转轴；33、第一圆柱；

4、热压焊装置；41、热压头；411、第二弧面；42、第一固定片；43、第二固定片；44、固定销；45、压力测试组件；46、绝缘固定块；

5、第一卡具；51、第一夹持孔；

6、第二卡具；62、第二弧形槽。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

在下文描述中，给出了普选实例细节以便提供对本发明更为深入的理解。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解所述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。

如背景技术所述，现有技术中的硅微传感器均只能在特定的环境或者温度下使用，因为硅微传感器的体积非常微小，例如颅内压传感器结构，包括有三根引线和压力传感器芯片；其芯片体积≤0.4mm×1.0mm×0.2mm，其引线直径为0.03mm以下，引线之间间隔在0.02mm以下；并且需要考虑传感器芯片和人体的生物相容性。所以该焊盘结构采用了包银焊盘后，再通过多层封装结构进行包覆，防止包银在电化学作用下发生离子迁移，从而导致人体电解质失衡；但是这种构造不能直接再迁移到高空低温条件下应用，因为当传感器表面温度在零下几十度到零上几百度时，尤其现代飞行器工作温度的巨变，需要本传感器的压焊处的耐温，要经历更严酷的温度冲击；那么现有技术中的硅微压力传感器就会由于焊点和硅微芯片、焊点和包封材料之间的热膨胀系数不匹配，出现开裂和分离的结构不良；因此需要设计一种应用范围较广、热匹配性良好的硅微压力传感器，其首要条件就是各材料在该温度下不出现变性和突变，再者就是各结合层热膨胀系数匹配。于此同时，在现有的硅微压力传感器制备方法中，由于其本身结构尺寸超微小，因此在加工过程中自动化难度大，且良品率低；例如针对三根包裹紧密的微细引线，如何使其能够稳定的结合在硅微传感器芯片的焊盘上，就是一个难题，并且三根线如何从聚酰亚胺外表皮中剥出，且稳定挂锡不粘连，也是后续焊接需要解决的问题；并且采用新的相适应的焊接装置，达到高自动化和高良品率的效果。

本发明提供一种具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，请参阅图1-图4；用于焊接引线1于压力传感器芯片2的焊盘21上，在现有技术中，有方法可以处理漆包线的端子以形成引线端子，在此提供一种更加优良的方式：在漆包线的一端形成开裂结构；将开裂结构去除外表皮以使引线端子11露出；对于超微小结构尺寸的零件和线头来说，首先呈现为柔软形态，但是其拉伸强度和材料疲劳性能随着尺寸减小而减小，那么也就是说，传统的剥线法不能适用在这种微小尺寸的漆包线上，现有技术中采用方法，要么是要求线材生产厂家在端头流出预留位置，要么是用细砂纸或者细纱布擦除，或用打火机烤焦线头绝缘漆层，再将漆层轻轻刮去；但是这两种方法均有一定的弊端，第一种方法是在运输过程中容易发生碰撞摩擦导致线损，而微细结构的线损无法用肉眼直接看出，因此存在一定的弊端；而第二种针对0.6mm的常规技术方法，对于本方案中的微细引线并不适用，因为该方式自动化难度大，且容易有残留，并且在拉伸强度呈现与线材相差不多的情况下，适用剥线钳或者切削的方式容易导致短线；因此本方案选择了在漆包线的端头形成开裂结构；在微细尺寸下，施加大压力容易使得外表皮开裂，但是内部的线材具有高强度，只会发生微变形，因此能够剥离开裂的外表皮；并且，内部引线端子原本为圆柱形结构，在开裂后能够微变形被压扁；能够在与焊盘焊接时更好的结合；采用第一卡具固定漆包线，使露出卡具的部分漆包线在阈值尺寸范围内；所谓第一卡具可以是自动化机械夹手，露出设定阈值尺寸，且第一卡具上设置有固定漆包线的第一夹持孔；然后对露出第一卡具的部分漆包线施加压力用以裂开漆包线并暴露引线端子；在小尺寸结构下，聚酰亚胺会优先铜丝发生开裂，而铜丝则发生微变形，那么在开裂后，采用聚酰亚胺溶解剂对裂开漆包线进行溶解，以使得引线端子裸露；在现有技术中，对应选用聚酰亚胺可以对应有溶解剂，例如使用二甲基乙酰胺（DMAC）、N-甲基吡咯烷酮作为溶解剂；由于采用第一卡具夹持，因此在浸入溶剂的距离也可以进行控制，而开裂处增大了聚酰亚胺和溶解剂的接触面积，因此可以迅速溶解并且无残留，且可以控制清洗次数以保证清洗完全，使得引线端子完全露出；然后进行焊接。另一方面，在引线端子上挂锡可以采取以下方法：采用喷涂的方式喷涂纳米锡在引线端子上，因此可以大面积的覆盖在引线端子上；那么在焊接时，加热热压头就可以融化其表面的纳米锡层，并且加热温度在360℃左右，即没有超过各材料熔点，也可以验证在该温度下材料的强度和稳定性，那么在加热后，纳米锡溶解逐渐汇聚在引线端子的尖端；形成液态焊锡球体挂载于引线端子上，然后进行焊接固定引线端子在压力传感器芯片上。当然，也可以用沾锡的方式进行上锡。

请参阅图1-图4；本发明的焊接装置包括固定夹具3和热压焊装置4，固定夹具3上设置有至少一个第一弧面31，第一弧面31上设置有固定槽311，固定槽311用于固定压力传感器芯片2，热压焊装置4的热压头41设置有第二弧面411，第二弧面411用于压覆引线在焊盘上，以使引线与热压头形成线接触。因为焊接过程存在挤压力，那么超微小尺寸的硅微压力传感器芯片可能会在焊接过程中发生变形甚至压裂，因此在现有技术中的平面模具中，就容易出现压力传感器损坏的情况，同时由于两者为面接触，很容易在相邻引线端子同时焊接时导致焊点粘连；而本方案中采用弧面相接触的相切式工艺，形成线接触后实现对每根引线端子单独进行焊接，既能防止相邻引线端子之间的焊点粘连，又能减小挤压应力对压力传感器芯片产生的不良。

在本实施例中，第一弧面31为圆柱面，且第一弧面上均匀圆周分布有固定槽；因此可以节省装配的空间，且可以形成转动式接触结构来实现循环作业。

在本实施例中，请参阅图5；固定夹具3包括有第一转轴32，第一转轴32上转动连接有第一圆柱33，第一圆柱33的圆柱面为第一弧面31。圆柱较为规则，能够在小尺寸物件固定和焊接使用中更加能够良好掌控；并且根据产品产能的需求调整其直径，同时在圆柱面上可以更加准确的开出槽位对压力传感器芯片进行固定。

在本实施例中，固定槽311的底部设置有真空吸附孔3111；每个固定槽对应一个真空吸附孔，其真空吸附的通道从第一圆柱内部连通，每个真空吸附孔对应一个真空气管装置，做到每一个真空吸附的动作进行单独控制，以求在上料固定，或者焊接完下料时可以根据工作频率进行设定，达到高度的自动化过程。

在本实施例中，请参阅图6；热压头41为滚轮，热压头的圆柱面为第二弧面411；且热压头的直径小于第一圆柱；采用两个圆柱形装置的切线式接触来达到单根引线的抵接热压焊，实现高精度和高稳定性的自动化焊接。设计传感器芯片的平面恰好与圆柱面相切，那么热压头结构在焊接，且当引线端子贴合在焊盘上时，引线端子突出于固定槽平面，从而在焊接时可以仅接触在引线端子上，因此压力只在引线端子上，可以减小对传感器芯片的受力；两个装置相对滚动过程中，有压力的切点处必然是引线端子，那么也就防止了相邻两个引线端子之间在焊接过程中的不牢靠问题，保证每根引线端子都能准确接触和焊接，使得传感器芯片不需要额外受力，也就减小变形的可能。在具体实施中，所谓另一个焊接结构可以是小直径的滚轮，且该滚轮可以通过电阻式加热的方式实现对引线端子的焊接。

在本实施例中，热压焊装置4还包括加热组件、第一固定片42和第二固定片43，热压头41通过固定销44滚动连接在第一固定片42和第二固定片43之间；且第一固定片、第二固定片、固定销与加热组件形成电流通路，以加热热压头。在加热组件提供电流时，由于第一固定片和第二固定片为导电金属制成，且固定销通过大电阻材质制备，因此在通电形成通路以后，固定销发热，从而热传递至热压头上进行加热，从而实现热压焊。

在本实施例中，热压焊装置4还包括有压力测试组件45，第一固定片42和第二固定片43通过绝缘固定块46固定连接压力测试组件，第一固定片和第二固定片远离绝缘固定块的一端连接热压头；加热组件与压力测试组件固定连接。由此来实现和检测热压头对引线端子的压力大小，达到最佳的热压焊效果。

在本实施例中，热压头与第一圆柱的柱面间隙设置，引线置于焊盘上时与热压头抵接。需要预留出引线端子的尺寸距离，并且实现对压力大小的适应性调整。

作为优选，第一圆柱和热压头可相对滚动。由于采用滚动相切的方式进行焊接，而且存在结构间隙，因此可以将第一圆柱设置为主动轮，热压头采用被动轮的方式进行作业；那么在开始焊接时，热压头接触引线端子，并同时加热和施加压力，使得引线端子焊接在传感器芯片的焊盘上，当传感器芯片的每根引线端子均焊接完成后，热压头和第一圆柱不再有间接和直接的接触，当转动到下一个需要焊接的传感器芯片时，重复上述动作。

在本实施例中，请参阅图7、图8；还包括有第一卡具5和第二卡具6，第一卡具5设置有第一夹持孔51，第一夹持孔51夹持固定引线，第二卡具6设置有第二弧形槽61，第二弧形槽分隔引线的引线端子。在机械手将传感器芯片上料至固定槽的同时，由固定在第一夹持孔的引线靠近第一圆柱，且第二卡具分隔引线端子，实现引线端子的固定，然后实现焊接。可以实现良好的固定效果，且对上料过程实现高自动化配合。

本发明的技术效果有：

1、焊接效果好，实现多引线焊接的单根引线精确焊接，防止焊点粘连；

2、自动化制备程度高，且针对各个制备环节细节进行优化，保证了结构稳定性和制备流程的自动化效率；

3、装置设计巧妙，占地空间小，生产效率高。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，用于焊接引线于压力传感器芯片的焊盘上；其特征在于，包括固定夹具和热压焊装置，所述固定夹具上设置有至少一个第一弧面，所述第一弧面上设置有固定槽，所述固定槽用于固定所述压力传感器芯片，所述热压焊装置的热压头设置有第二弧面，所述第二弧面用于压覆所述引线在所述焊盘上，以使所述引线与所述热压头形成线接触；

其中，所述固定夹具包括有第一转轴，所述第一转轴上转动连接有第一圆柱，所述第一圆柱的圆柱面为所述第一弧面，且所述第一弧面上均匀圆周分布有所述固定槽；所述热压头为滚轮，所述热压头的圆柱面为所述第二弧面；且所述热压头的直径小于所述第一圆柱；

还包括有第一卡具和第二卡具，所述第一卡具设置有第一夹持孔，所述第一夹持孔夹持固定所述引线，所述第二卡具设置有第二弧形槽，所述第二弧形槽分隔所述引线的引线端子。

2.根据权利要求1所述的具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，其特征在于，所述固定槽的底部设置有真空吸附孔。

3.根据权利要求1所述的具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，其特征在于，所述热压焊装置还包括加热组件、第一固定片和第二固定片，所述热压头通过固定销滚动连接在所述第一固定片和所述第二固定片之间；且所述第一固定片、所述第二固定片、所述固定销与所述加热组件形成电流通路，以加热所述热压头。

4.根据权利要求3所述的具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，其特征在于，所述热压焊装置还包括有压力测试组件，所述第一固定片和所述第二固定片通过绝缘固定块固定连接所述压力测试组件，所述第一固定片和所述第二固定片远离所述绝缘固定块的一端连接所述热压头；所述加热组件与所述压力测试组件固定连接。

5.根据权利要求1所述的具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，其特征在于，所述热压头与所述第一圆柱的柱面间隙设置，所述引线置于所述焊盘上时与所述热压头抵接。

6.根据权利要求5所述的具有微细多引线的压力传感器的焊接装置，其特征在于，所述第一圆柱和所述热压头可相对滚动。