CN117117059A - 一种led倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,包括:控制器控制X‑Y运动控制台移动,使电路板进入固晶设备的视野中心位置,实现对电路上焊盘位置进行点助焊剂或锡膏操作,并将LED倒装芯片贴装在焊盘位置;设定完成固晶后未焊接的LED倒装芯片及相关电路的图像模板;设置LED倒装芯片的位置参数;调节激光器使两个激光源同步指示光斑对称照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上;通过电路将热能传递至焊盘位置,完成激光焊接;控制器使用与激光焊接相同的图像模板控制点胶设备对已完成激光焊接的LED倒装芯片进行定位与点胶。该方法在一体化设备的控制器的控制下,可依次完成固晶、焊接和点胶工序;工作效率高,无需繁琐操作。
Description
技术领域
本发明涉及LED倒装芯片的固晶、焊接及点胶技术领域,更具体的说是涉及一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法。
背景技术
目前,LED照明设备的制造工艺中,需要首先通过固晶机将LED发光芯片贴装在焊盘上,然后再使用回流焊设备将电路与发光芯片对位焊接固定,最后通过荧光点胶设备再对芯片进行荧光点胶处理。现有技术中,固晶机/共晶炉、点胶机都是独立的设备,固晶/共晶处理后,转移到另外点胶机处理,效率低、且操作繁琐。
并且,传统的LED倒装芯片采用锡膏回流焊接或共晶焊接,其中,回流焊接存在以下一些缺陷:
热阻较高:在倒装芯片中,电极需要通过锡膏与金属基板进行连接。然而,锡膏的导热性能相对较差,导致热阻较高。这可能导致LED芯片在工作时产生较高的温度,影响其性能和寿命。
热膨胀不匹配:LED芯片和金属基板具有不同的热膨胀系数。在工作过程中,由于温度变化,两者之间的热膨胀不匹配可能导致焊点的应力集中,从而导致焊接点断裂或失效。
焊接质量不稳定:手工操作和传统的锡膏焊接技术可能导致焊接质量的不稳定性。焊接过程中的人为因素或不恰当的工艺参数设置可能导致焊接不良、漏焊、短路等问题。
限制散热设计:由于锡膏的导热性能较差,倒装芯片的散热设计受到一定的限制。散热困难可能导致LED芯片温度升高,进而影响其亮度和寿命。
尤其是回流焊无法实现对柱面电路的焊接。
另外,目前共晶焊接采用的共晶炉,缺点在于焊接时需要真空状态下惰性气体保护,为保证降温曲线迅速下降需要大功率风扇或水冷设备,因此相应共晶炉设备造价高昂。现有市面上的深圳市某公司生成的加热时共晶焊设备CWS6000,30万左右,每次只能做一颗倒装贴片共晶焊。而且是贴片,不是LED倒装芯片。同时,共晶炉炉膛内的实际可焊接工作区域范围较小,工作效率较低,不利于工业化连续批量在线生产。
因此,如何解决传统焊接的缺陷问题,以及转移到点胶机处理效率低、操作繁琐的问题,促使人们寻求更好的倒装芯片焊接技术,以提高性能和可靠性。成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,可解决现有技术中单独采用多个设备的繁琐问题,并且解决采用锡膏回流焊接中焊接质量缺陷问题以及助焊剂共晶焊接生产效率低的问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,
采用LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备,实现对LED倒装芯片的固晶、激光焊接和点胶操作,该工艺方法包括以下步骤:
(1)控制器控制X-Y运动控制台移动,使固定在固定夹具上等待LED倒装芯片固晶的电路板进入固晶设备的机器视觉装置的视野中心位置,通过固晶设备,实现晶圆上倒装LED芯片的取晶操作,对柱面电路或平面电路焊盘位置上助焊剂或锡膏的点胶操作,实现LED倒装芯片在焊盘位置上的贴装操作;
(2)控制器控制X-Y运动控制台移动至激光焊接设备的操作区域,通过激光焊接设备的机器视觉装置设定完成固晶后未焊接的LED倒装芯片及相关电路的图像模板;在控制器上设置所述电路板上所有需焊接LED倒装芯片的位置参数;
(3)调节激光器中第一激光源、第二激光源的Z方向高度、XY位置及俯仰角度,使两个激光源同步指示光斑对称照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上;
(4)调节激光器,使激光器同步指示光斑直径与电路宽度匹配;
(5)在控制器上设置两个激光源的输出功率与照射时长;
(6)按照已设定LED倒装芯片位置参数,同步开启两个激光源,发出激光照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上,通过电路将热能传递至焊盘位置,完成该LED倒装芯片与电路的激光焊接;
(7)控制器控制X-Y运动控制台在X-Y方向自动移动,根据LED倒装芯片及相关电路的图像模板及电路板上LED倒装芯片的位置参数,依次完成所有LED倒装芯片与电路的激光焊接;直至结束;
(8)在激光焊接设备的机器视觉装置的辅助下,控制器控制点胶设备对LED倒装芯片进行点胶。
进一步地,所述步骤(2)包括:
根据LED倒装芯片的位置要求,在控制器端通过图形界面设置芯片间距、排列路径数据;
或通过输入设置文件,实现芯片间距、排列路径数据的设置。
进一步地,所述步骤(6)中激光焊接温度为LED倒装芯片焊盘温度,温度范围为180~450℃,实现激光锡焊及激光共晶焊接。
进一步地,所述LED倒装芯片激光焊接及点胶的一体化设备,包括:
设备本体,所述设备本体上安装有第一机器视觉装置、激光器、固定夹具、X-Y运动控制台、固晶设备、点胶设备和控制器;所述第一机器视觉装置为点胶与激光专用焊接的机器视觉装置;
其中,所述控制器分别与所述第一机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台、固晶设备和点胶设备连接;
所述固定夹具安装在所述X-Y运动控制台上,用于固定柱面电路或平面电路;在所述控制器对X-Y运动控制台控制下,实现柱面电路的轴向转动、水平位移或平面电路的水平位移;
所述控制器控制所述固晶设备,实现晶圆上倒装LED芯片的取晶操作,柱面电路或平面电路焊盘位置上进行助焊剂或锡膏的点胶操作,实现LED倒装芯片在焊盘位置上的贴装操作;
所述激光器包括两个激光光源,在所述控制器的控制下,设定激光器工作时长、输出功率、激光器同步指示光斑在柱面电路或平面电路上的预设位置,实现将LED倒装芯片焊接在所述柱面电路或平面电路上;
所述第一机器视觉装置安装在两个激光光源的中间,捕捉所述柱面电路或平面电路的实时图像,用于焊盘、芯片的识别与定位,并实时发送至所述控制器;
所述控制器控制X-Y运动控制台,通过固定夹具可将柱面电路或平面电路分别移动至固晶位置、激光焊接与点胶位置;依次控制所述固晶设备完成LED倒装芯片在柱面电路或平面电路上的固晶,控制所述激光器完成柱面电路或平面电路上LED倒装芯片的激光焊接,控制所述点胶设备对完成LED倒装芯片激光焊接的柱面电路或平面电路完成荧光转换胶的点胶。
进一步地,所述第一机器视觉装置为CCD摄像头。
进一步地,两个所述激光源对称安装在第一机器视觉装置两侧,并在同一横杆上,与所述横杆活动连接,上下左右方向与俯仰角度可调。
进一步地,所述固定夹具具有涨紧轴结构,用于夹持柱面电路。
进一步地,所述涨紧轴结构,包括:橡胶垫、气胀轴、气胀轴底座、紧固螺母、齿轮和气管;
其中,所述橡胶垫安装在所述气胀轴外周,所述气胀轴安装在所述气胀轴底座上,所述气胀轴的一端依次与所述紧固螺母、齿轮连接;所述气管的一端通过气胀轴底座上的通孔或管道连接涨紧轴的一个端部,另一端用于与气源连接。
进一步地,所述固定夹具具有定位结构和负压吸附结构,用于定位与固定平面电路。
进一步地,所述定位结构包括纵向限位条和横向限位条;
所述负压吸附结构包括设置在底板上的若干吸附孔,所述吸附孔另一端用于连接真空源。
进一步地,所述固晶设备,包括:分别与所述控制器连接的第二机器视觉装置和第三机器视觉装置;
其中,第二机器视觉装置为取晶专用的机器视觉装置;第三机器视觉装置为固晶专用的机器视觉装置;
第二机器视觉装置安装在取晶位置上方,捕捉晶圆实时图像,用于晶圆上芯片的识别与定位,并实时发送至所述控制器;
第三机器视觉装置安装固晶位置上方,捕捉所述柱面电路或平面电路的实时图像,用于焊盘的识别与定位,并实时发送至所述控制器。
进一步地,所述第二机器视觉装置和/或第三机器视觉装置为CCD摄像头。
进一步地,所述控制器为工控机或PLC。
进一步地,还包括风扇,安装在激光焊接点上方的位置。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开提供了一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,控制器控制X-Y运动控制台移动,使固定在固定夹具上的电路板进入固晶设备的机器视觉装置的视野中心位置,通过固晶设备,实现对柱面电路或平面电路上焊盘位置进行点助焊剂或锡膏操作,并将芯片放置在焊盘位置;移动至激光焊接设备的操作区域,使已完成LED倒装芯片固晶的电路板进入机器视觉装置的视野中心位置,设定完成固晶后未焊接的LED倒装芯片及相关电路的图像模板;设置LED倒装芯片的位置参数;调节激光器Z方向高度、XY位置及俯仰角度,使两个激光源同步指示光斑对称照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上;激光器按照设定时长、功率照射LED倒装芯片正负间焊盘边缘外侧电路,通过电路将热能传递至焊盘位置,完成该LED倒装芯片的激光焊接;识别待焊接LED倒装芯片位置,并逐个完成LED倒装芯片焊接;然后在激光焊接设备的机器视觉装置的辅助下,控制器控制点胶设备对LED倒装芯片进行点胶。该方法在一体化设备的控制器的控制下,可依次完成固晶、焊接和点胶工序;简化了分别单独采用多个设备的繁琐步骤。并且,在激光焊接过程中,利用激光束及优化的焊接参数精确控制焊接位置和能量,实现高精度、高效率的芯片与基板焊接;该方法简单实用、可实现对LED倒装芯片的固晶、激光焊接和点胶处理,工作效率高,无需繁琐操作,键合稳定,良品率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备结构示意图。
图2为图1另一视角的一体化设备结构示意图。
图3为本发明提供的固定夹具具有涨紧轴结构的示意图。
图4为本发明提供的固定夹具定位结构和负压吸附结构的示意图。
图5为本发明提供的LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法的示流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
因倒装芯片焊盘朝下,激光难以照射到焊盘,因此,国内外也不存在激光焊接LED倒装芯片的相关产品和技术。本发明实施例公开了一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,集固晶设备、激光焊接设备、点胶设备于一体,三者共用控制器;其中,在激光焊接中,则考虑基板上采用银作为电路,其导热性好,可考虑将激光照射到芯片边缘银电路上,利用银的导热,传导到芯片焊盘下,以便实现芯片的激光焊接。
焊接方式包括:激光锡膏焊接(锡焊)以及激光共晶焊接两种方式。区别是锡焊在激光温度180-300度左右,共晶焊激光温度在300-450度左右。如果点锡膏实现激光锡焊,可以替代回流焊方式;如果点助焊剂实现共晶激光焊接,替代共晶炉的真空加热共晶焊接方式。
实施例1:
本发明采用LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备,实现对LED倒装芯片的固晶、激光焊接和点胶操作;LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备,集固晶设备、激光焊接设备、点胶设备于一体,三者共用控制器、固定夹具13和X-Y运动控制台14;控制器中加载三者的相关控制软件,均为市面上已有软件;可通过操作工序及时间,控制三者的协同动作,均为已知的调控方式。
参照图1-2所示,包括:设备本体1,作为整个设备的主体,为各个关键部件的安装提供位置和支撑。设备本体上安装有第一机器视觉装置11、激光器12、固定夹具13、X-Y运动控制台14、固晶设备15、点胶设备16和控制器17;固定夹具如图3所示,具有涨紧轴结构,用于夹持柱面电路,确保焊接的稳定性。另外,固定夹具还可以是如图4所示,具定位结构和负压吸附结构,用于精确定位和固定平面电路。第一机器视觉装置为点胶与激光专用焊接的机器视觉装置。
其中,控制器17分别与第一机器视觉装置11、激光器12、X-Y运动控制台14、固晶设备15、点胶设备16连接;固定夹具13安装在X-Y运动控制台14上,用于固定柱面电路或平面电路;
该X-Y运动控制台14提供了多轴运动控制,使得焊接过程可以在多个方向上进行精确调整。在控制器17对X-Y运动控制台控制下,实现柱面电路的轴向转动、水平位移或平面电路的水平位移。
如图3所示,涨紧轴结构作为柱面电路的夹具,包括:橡胶垫21、气胀轴22、气胀轴底座23、紧固螺母24、齿轮25和气管26;
其中,橡胶垫21安装在气胀轴22外周,用于增加摩擦和提供缓冲;确保在夹持柱面电路时提供适当的压力,同时保护柱面电路不受损害。气胀轴22安装在气胀轴底座23上,气胀轴22的一端依次与紧固螺母24、齿轮25连接;气管26的一端通过气胀轴底座23上的通孔或管道连接涨紧轴的一个端部,另一端用于与气源连接。
底座:底座是涨紧轴的基础部分,通常是金属制成。它具有用于固定涨紧轴的安装孔或槽,并且在设备中通常会有预留的固定位置。底座必须稳固地安装在设备中,以确保涨紧轴的稳定性。
涨紧轴的齿轮是连接涨紧轴各个部件的中心组成部分,齿轮通常是圆柱形的,且材质通常是金属;它在涨紧轴的整体结构中起到支撑和传递力的作用。
气胀轴是涨紧轴的核心部件,通常是由金属和橡胶等材质组成。它在轴上有特殊的结构,可以通过充气或泄气来调节直径,从而控制夹持力。当充气时,橡胶垫会被气胀轴内部气囊顶出,增加气胀轴直径,使涨紧轴的滚轮或夹具夹紧柱面电路;当泄气时,橡胶垫缩进气胀轴内,减小气胀轴直径,释放对柱面电路的夹持。
涨紧轴上的齿轮是通过橡胶皮带与电机相连,通过控制器控制电机带动气胀轴进行轴向转动,使其在需要时可以旋转。气管用于向气胀轴供气或排气,从而实现气胀轴的充气和泄气。气管连接到涨紧轴的一个端部,并通过底座上的通孔或管道与气源连接。
通过气胀轴的调节来实现对柱面电路的夹持,从而确保在电路中获得稳定的夹持效果。
如图4所示,固定夹具具定位结构和负压吸附结构,用于精确定位和固定平面电路。固定夹具用于摆放平面电路板,比如可适配最大电路板尺寸为200mm*300mm。固定夹具的定位结构,用于定位平面电路板。负压吸附结构具有负压吸附功能,可将玻璃或陶瓷基底电路板吸附在托盘表面,防止平面电路板在移动过程中发生位移。
在具体实施时,定位结构比如采用母孔定位:夹具表面上具有凸起的母孔,平面电路板上对应的位置有相应的凹槽,使得平面电路板可以准确插入夹具中,并防止平面电路板在夹具中的旋转或移动。
比如采用定位销:夹具和平面电路板上都有定位销的孔或凹槽,通过将定位销插入对应的孔或凹槽,平面电路板可以被精确定位。
如图4所示,比如采用纵向限位条31和横向限位条32定位:可以通过固定夹持住平面电路板的两个相对侧面,确保其准确定位。
负压吸附结构,比如在固定夹具上表面设置吸盘,通过连接到真空源,产生负压,使吸盘与平面电路板表面产生吸附力,实现固定。
如图4所示,还比如在固定夹具表面上设有一系列小孔33,通过连接到真空源,产生负压,使平面电路板与孔板之间形成吸附效果,实现固定。
如图2所示,固晶设备15,包括两个机械操作手151和152、第二机器视觉装置153、第三机器视觉装置154、焊锡膏与助焊剂托盘155和芯片托盘156;而固晶机控制功能软件则移植到一体化设备的控制器中,固晶机控制功能软件采用现有技术中的固晶机控制器功能软件即可;即固晶控制器就是一体化设备的控制器。控制器也分别与两个机械操作手、第二机器视觉装置、第三机器视觉装置连接。
其中,第二机器视觉装置153安装在取晶位置上方,捕捉晶圆实时图像,用于晶圆上芯片的识别与定位,并实时发送至控制器17;第三机器视觉装置154安装固晶位置上方,捕捉柱面电路或平面电路的实时图像,用于焊盘的识别与定位,并实时发送至控制器17。
在第三机器视觉装置154的图像实时采集下,一体化设备的控制器,则控制第一机械操作手151,从焊锡膏与助焊剂托盘155点蘸锡膏或助焊剂到焊盘预定位置,然后在第二机器视觉装置153的图像实时采集下,控制器控制第二机械操作手152从芯片托盘156中吸附芯片,放置在点过锡膏或助焊剂的焊盘位置上,实现芯片固晶操作。
如图1-2所示,在激光焊接设备中:激光器12包括两个激光光源,在控制器17的控制下,通过图形界面可以设定激光器工作时长、输出功率、激光器引导光斑在柱面电路或平面电路上的预设位置参数,实现将LED倒装芯片焊接在柱面电路或平面电路上;
第一机器视觉装置安装在两个激光光源的中间,捕捉柱面电路或平面电路的实时图像,用于焊盘、芯片的识别与定位,并实时发送至控制器,实现焊接过程的精确控制。具体实施时,其中,上述第一、第二、第三机器视觉装置均可采用CCD摄像头,能够捕捉细节丰富的图像。这对于焊盘和芯片的识别与定位非常重要,可以提供更准确的位置信息。
另外,CCD摄像头具有较高的光敏性能,能够在不同光照条件下获取清晰的图像。比如在激光焊接过程中,光线可能受到激光器的干扰,但CCD摄像头能够适应光线变化并保持图像的质量。CCD摄像头能够提供准确、清晰、稳定的图像数据,为设备的焊接过程提供了可靠的视觉反馈。
其中,两台激光源比如采用两套光纤耦合激光器系统波长455nm,输出功率20W,冷却方式为风冷,工作电压24V(DC)。两台激光源分别独立安装在横杆上,激光源与横杆之间可通过控制器端软件进行上、下、左、右、俯仰角度的微调,其中上、下(Z轴方向)调节范围10cm,左、右调节范围5cm,俯仰角度调节范围30°~150°。
本实施例中,利用两台激光源,对LED电路焊盘进行逐点加热焊接,降低了能耗与焊接时长。同时由于激光能量聚集,解决了热量分布不均的问题,提高产品良率。而且激光不是直接照射LED芯片,而是通过照射LED芯片的边缘外侧的金属导电电路来达到将热能传递给焊盘,完成该LED倒装芯片的焊接。因此本发明克服了大面积恒温加热进行芯片焊接导致的高功耗、易产生空洞、产品良率较低的问题。
该一体化设备提供的激光焊接功能,取代了现有回流焊机、共晶炉设备,能够实现在柱面或平面电路上LED倒装芯片的快速激光焊接。
激光源的开启、关闭、工作时长均由控制器端软件进行控制,在激光源焊接时控制端软件界面可同步显示焊接摄像头图片。
点胶设备16与市面上已有的产品无区别,包括点胶头、视觉传感器和点胶控制器;但视觉传感器则为激光焊接设备中的第一机器视觉装置,即:与激光焊接设备共用一个CCD摄像头;而点胶控制器功能软件则移植到一体化设备的控制器中,仍然采用现有技术中的点胶控制器功能软件即可,即:点胶控制器为一体化设备的控制器。其中,在与激光焊接设备中共用CCD摄像头的图像实时采集下,一体化设备的控制器,则控制点胶头,对经过激光焊接的LED倒装芯片进行荧光胶点胶处理,荧光胶为荧光粉和硅胶的混合物。
控制器是一体化设备的核心控制单元,上述控制器比如可以是工控机,工控机有重要的计算机属性和特征,如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口,并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。比如可以在内置的软件界面上设置机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台、固晶设备和点胶设备的相关控制参数,并获取上述部件的反馈数据,与机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台、固晶设备和点胶设备相连接。负责控制整个设备的运行和固晶、焊接、点胶过程的精确控制。通过与机器视觉装置和运动控制台的数据交互,实现固晶参数、焊接参数、点胶参数的设定和实时监控。
控制器还可以是PLC控制器,PLC控制器是可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller,PLC),一种具有微处理机的数字电子设备,用于自动化控制的数字逻辑控制器。PLC控制器可以将上述机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台、固晶设备和点胶设备的控制指令加载在内存内储存与执行。
如图2所示,该一体化设备,还包括风扇18,安装在激光焊接点上方的位置,风扇用于激光焊接过程产生的废气的排除,保护激光器镜头,同时减小激光传输过程中的散射和吸收。风扇应朝向激光焊接点的位置吹风,具体安装位置以不妨碍激光器的工作为准;还用于散热和保护焊接区域。它能够有效降低焊接点的温度,提高焊接质量和稳定性。
本实施例中,本发明提供了一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备,高度集成化,一台设备集成了原有固晶机、回流焊机/共晶炉、点胶机的所有功能,将原来的一条生产线集成为一台设备,进而提高生产效率。该一体化设备可通过更换夹具快速适配柱面或平面电路,解决了异形电路上倒装LED芯片的固晶与焊接问题。该一体化设备提供的激光焊接功能,取代了现有回流焊机、共晶炉设备,能够实现在柱面或平面电路上LED倒装芯片的快速激光焊接。
工作原理:
假设要将倒装的LED芯片焊接到柱面电路上,并进行点胶处理:
首先,将该柱面电路安装在固定夹具上,并通过夹具的涨紧轴结构夹持住电路。启动设备后,控制器通过与X-Y运动控制台的通信,指导柱面电路的旋转和水平位移,固晶机的第二机器视觉装置和第三机器视觉装置,开始捕捉晶圆实时图像和柱面电路的实时图像,根据市面上已有的图像处理算法,用于晶圆上芯片的识别与定位,以及识别出焊盘的焊接位置,均发送至控制器;
控制器接收到焊盘的焊接位置图像数据后,控制第一机械操作手,从存储托盘点锡膏(激光锡焊)或助焊剂(激光共晶焊)到焊盘预定位置,然后,控制器根据接收到晶圆上芯片的识别与定位图像数据后,控制第二机械操作手从芯片托盘中吸附芯片,放置在点过锡膏或助焊剂的焊盘位置上,实现芯片在焊盘位置上的贴装操作;
其次,控制器通过与X-Y运动控制台的通信,指导柱面电路的旋转和水平位移,移动到激光焊接设备的操作区域,激光焊接设备中第一机器视觉装置开始捕捉柱面电路的实时图像,根据市面上已有的图像处理算法,并识别出焊盘和芯片的位置,发送至控制器;再设定激光器的工作时长、输出功率和激光器引导光斑的位置参数。然后,确保激光器能够准确照射到焊接位置。
激光器工作时,通过高温作用,将倒装的LED芯片焊接在柱面电路上。焊接完成后,设备停止激光器的工作;
最后,控制器控制点胶工序,完成全部固晶与激光焊接工序后,比如在控制软件中提示是否进行点胶操作,若不进行点胶操作则将夹具移动至更换电路板位置。
点胶头点胶位置为芯片所在位置,采用逐列顺序点胶,具体点胶气压、时长在控制端软件界面上设置和调节;为保证每个点胶动作完成后,点胶头延时一定时长后才移动至下一点胶位置,点胶延时时长可在软件端设定。
其中,点胶头夹具应能够完成下探、上提动作。具体动作过程为:第一机器视觉装置引导下调整XY平台位置,使芯片处于点胶针头正下方位置;点胶头下探至指定高度;点胶;点胶头上提;完成该位置点胶并移动至一下点胶位置。
至此,在一体化设备的控制器的控制下,可依次完成固晶、焊接和点胶工序。
另外,本实施例中,可以对螺旋体、或棱柱(也可以为其他异形结构)的电路进行焊接,电路的承印物材质为透明玻璃或陶瓷。承印物不局限为平板结构是采用激光焊接替代传统焊接能够带来的好处之一,因为如果采用传统焊接方法对圆柱体等结构进行焊接时,点助焊剂或者锡膏只能执行一列,如果一次性完成所有列的点助焊剂或者锡膏,未处于平面的焊盘会滑落。而如果只执行一列的点助焊剂或者锡膏就进入焊接设备,取出后再对第二列焊盘点,进入焊接设备后之前列的焊接会因为高温而脱落,根本无法完成圆柱体等异形结构的焊接。而本发明的激光焊接是用激光逐点照射焊盘,时间短,不会影响其他焊盘,可以完成任意形状承印物电路的焊接。
实施例2:
本发明提供一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,使用实施例1的采用LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备,参照图5所示,工艺方法具体包括以下步骤:
(1)控制器控制X-Y运动控制台移动,使固定在固定夹具上等待LED倒装芯片固晶的电路板进入固晶设备的机器视觉装置的视野中心位置,通过固晶设备,实现晶圆上倒装LED芯片的取晶操作,对柱面电路或平面电路焊盘位置上助焊剂或锡膏的点胶操作,实现LED倒装芯片在焊盘位置上的贴装操作;
其中,在第三机器视觉装置的图像实时采集下,一体化设备的控制器,则控制第一机械操作手,从存储托盘点蘸锡膏或助焊剂到焊盘预定位置,然后在第二机器视觉装置的图像实时采集下,控制器控制第二机械操作手从芯片托盘中吸附芯片,放置在点过锡膏或助焊剂的焊盘位置上,实现芯片固晶操作。
(2)控制器控制X-Y运动控制台移动至激光焊接设备的操作区域,通过激光焊接设备的第一机器视觉装置设定完成固晶后未焊接的LED倒装芯片及相关电路的图像模板;在控制器上设置所述电路板上所有需焊接LED倒装芯片的位置参数;
在第一机器视觉装置中,使用高分辨率相机来获取LED倒装芯片的图像。设计适应的算法和模板,用于识别LED倒装芯片的位置、方向和相关电路的位置。通过图像处理和模式匹配等技术,实现LED倒装芯片的自动定位和准确的图像识别。根据实际LED倒装芯片的位置要求,设置控制器参数,如芯片间距、排列方式等。可以考虑通过图形界面或输入文件等方式,实现参数设置的灵活性和定制化。
(3)调节激光器中第一激光源、第二激光源的Z方向高度、XY位置及俯仰角度,使两个激光源同步指示光斑对称照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上;
根据电路板上LED倒装芯片的位置参数,精确调节激光器中各个激光源的位置和角度,以确保激光光斑能够准确照射到目标焊盘边缘外侧电路上。利用自动化控制,实现对激光器的高度调节、XY位置调节和角度调节的精确控制。
(4)调节激光器,使激光器同步指示光斑直径与电路宽度匹配;
根据LED倒装芯片的电路宽度和焊接需求,调节激光器镜头的参数,以控制激光束的直径,确保与电路宽度匹配。通过自动化调节,实现激光器镜头参数的准确调节和匹配。比如在具体实施时,芯片和电路宽度均为0.5mm,左右对称的两束激光也是设置直径为0.5mm。
(5)在控制器上设置两个激光源的输出功率与照射时长;
通过控制器,设置两个激光源的输出功率,以满足焊接的需求。可以根据具体情况进行实验和优化,确定最佳的功率设置。同样地,设置激光照射的时长,确保足够的能量传递到焊盘位置,完成LED倒装芯片的焊接。
(6)按照已设定LED倒装芯片位置参数,同步开启两个激光源,发出激光照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上,通过电路将热能传递至焊盘位置,完成该LED倒装芯片与电路的激光焊接;
根据LED倒装芯片的位置参数和焊接顺序,按照预设的位置依次焊接每个芯片。同步开启两个激光源,确保它们同时照射到LED倒装芯片的正负极焊盘边缘外侧电路上,以实现焊接的同时传递热能至焊盘位置。
(7)控制器控制X-Y运动控制台在X-Y方向自动移动,根据LED倒装芯片及相关电路的图像模板及电路板上LED倒装芯片的位置参数,依次完成所有LED倒装芯片与电路的激光焊接;直至结束;
通过设计合理的移动路径,使X-Y运动控制台能够按照设定的位置顺序自动移动,完成所有LED倒装芯片的焊接。在移动过程中,控制器可以实时监测焊接的进度和状态,并确保焊接的准确性和一致性。
(8)在激光焊接设备的机器视觉装置的辅助下,控制器控制点胶设备对LED倒装芯片进行点胶。
点胶设备具体使用流程如下,包括:
1)完成柱面电路全部LED芯片的激光共晶焊接后,进入点胶工序。
2)点胶形状设定。点胶功能具有定位点胶和图形点胶两种模式。定位点胶是指在指定固定点位,按指定点胶时长,进行连续点胶;图形点胶是指可在控制端绘制简单形状(圆形、正方形等),并按照形状循迹点胶。
3)点胶位置设定。点胶位置设定包括两种方式。方式一,直接导入固晶焊接工序的LED芯片位置信息;方式二,按照固晶焊接工序中模板制作过程,重新制作点胶位置信息与图像模板。
4)点胶量设置。点胶量设置实际就是出胶时间设置,即在软件控制页面输入出胶时间长度,单位ms。
5)开始点胶。根据前述设定的点胶形状、点胶位置、点胶量,自动开始连续点胶过程。
6)结束。完成全部位置点胶点后,点胶结束,退出夹具。
在激光焊接与点胶工序中,电路位置相同,使用同一机器视觉装置、使用同一图像模板进行定位。另外,根据电路形状不同,激光焊接与点胶工序的次序可以变化。如:对于平面电路,可以完成一个LED倒装芯片的焊接后立即进行点胶;也可以完成一组或全部LED倒装芯片的焊接后再进行点胶。对于柱面电路,则要求完成全部LED倒装芯片的焊接后,再一起进行点胶。
本发明提供的LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,通过第一机器视觉装置、激光器、固定夹具、X-Y运动控制台、固晶设备、点胶设备和控制器的协同作用,实现了高精度的固晶、焊接和点胶过程。适用于柱面电路、平面电路的固晶、焊接和点胶需求。
另外,其中该方法利用激光束精确控制焊接位置和能量,由于激光能量聚集,解决了热量分布不均的问题,提高产品良率。而且激光不是直接照射LED芯片,而是通过照射LED芯片的边缘外侧的金属导电电路来达到将热能传递给焊盘,完成该LED倒装芯片的焊接。因此本发明克服了大面积恒温加热进行芯片焊接导致的高功耗、易产生空洞、产品良率较低的问题,实现高精度、高效率的芯片与基板焊接。该方法能够提供更好的散热性能和可靠性,同时降低维修成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,采用LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备,实现对LED倒装芯片的固晶、激光焊接和点胶操作,该工艺方法包括以下步骤:
(1)控制器控制X-Y运动控制台移动,使固定在固定夹具上等待LED倒装芯片固晶的电路板进入固晶设备的机器视觉装置的视野中心位置,通过固晶设备,实现晶圆上倒装LED芯片的取晶操作,对柱面电路或平面电路焊盘位置上助焊剂或锡膏的点胶操作,实现LED倒装芯片在焊盘位置上的贴装操作;
(2)控制器控制X-Y运动控制台移动至激光焊接设备的操作区域,通过激光焊接设备的第一机器视觉装置设定完成固晶后未焊接的LED倒装芯片及相关电路的图像模板;在控制器上设置所述电路板上所有需焊接LED倒装芯片的位置参数;
(3)调节激光器中第一激光源、第二激光源的Z方向高度、XY位置及俯仰角度,使两个激光源同步指示光斑对称照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上;
(4)调节激光器,使激光器同步指示光斑直径与电路宽度匹配;
(5)在控制器上设置两个激光源的输出功率与照射时长;
(6)按照已设定LED倒装芯片位置参数,同步开启两个激光源,发出激光照射在LED倒装芯片正负极焊盘边缘外侧电路上,通过电路将热能传递至焊盘位置,完成该LED倒装芯片与电路的激光焊接;
(7)控制器控制X-Y运动控制台在X-Y方向自动移动,根据LED倒装芯片及相关电路的图像模板及电路板上LED倒装芯片的位置参数,依次完成所有LED倒装芯片与电路的激光焊接;直至结束;
(8)在激光焊接设备的机器视觉装置的辅助下,控制器控制点胶设备对LED倒装芯片进行点胶。
2.根据权利要求1所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述步骤(2)包括:
根据LED倒装芯片的位置要求,在控制器端通过图形界面设置芯片间距、排列路径数据;
或通过输入设置文件,实现芯片间距、排列路径数据的设置。
3.根据权利要求1所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述步骤(6)中激光焊接温度为LED倒装芯片焊盘温度,温度范围为180~450℃,实现激光锡焊及激光共晶焊接。
4.根据权利要求1所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的一体化设备,包括:设备本体,所述设备本体上安装有第一机器视觉装置、激光器、固定夹具、X-Y运动控制台、固晶设备、点胶设备和控制器;所述第一机器视觉装置为点胶与激光专用焊接的机器视觉装置;
其中,所述控制器分别与所述第一机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台、固晶设备和点胶设备连接;
所述固定夹具安装在所述X-Y运动控制台上,用于固定柱面电路或平面电路;在所述控制器对X-Y运动控制台控制下,实现柱面电路的轴向转动、水平位移或平面电路的水平位移;
所述控制器控制所述固晶设备,实现晶圆上倒装LED芯片的取晶操作,柱面电路或平面电路焊盘位置上进行助焊剂或锡膏的点胶操作,实现LED倒装芯片在焊盘位置上的贴装操作;
所述激光器包括两个激光光源,在所述控制器的控制下,设定激光器工作时长、输出功率、激光器同步指示光斑在柱面电路或平面电路上的预设位置,实现将LED倒装芯片焊接在所述柱面电路或平面电路上;
所述第一机器视觉装置安装在两个激光光源的中间,捕捉所述柱面电路或平面电路的实时图像,用于焊盘、芯片的识别与定位,并实时发送至所述控制器;
所述控制器控制X-Y运动控制台,通过固定夹具可将柱面电路或平面电路分别移动至固晶位置、激光焊接与点胶位置;依次控制所述固晶设备完成LED倒装芯片在柱面电路或平面电路上的固晶,控制所述激光器完成柱面电路或平面电路上LED倒装芯片的激光焊接,控制所述点胶设备对完成LED倒装芯片激光焊接的柱面电路或平面电路完成荧光转换胶的点胶。
5.根据权利要求4所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述第一机器视觉装置为CCD摄像头。
6.根据权利要求4所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,两个所述激光源对称安装在第一机器视觉装置两侧,并在同一横杆上,与所述横杆活动连接,上下左右方向与俯仰角度可调。
7.根据权利要求4所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述固定夹具具有涨紧轴结构,用于夹持柱面电路。
8.根据权利要求7所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述涨紧轴结构,包括:橡胶垫、气胀轴、气胀轴底座、紧固螺母、齿轮和气管;
其中,所述橡胶垫安装在所述气胀轴外周,所述气胀轴安装在所述气胀轴底座上,所述气胀轴的一端依次与所述紧固螺母、齿轮连接;所述气管的一端通过气胀轴底座上的通孔或管道连接涨紧轴的一个端部,另一端用于与气源连接。
9.根据权利要求4所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述固定夹具具有定位结构和负压吸附结构,用于定位与固定平面电路。
10.根据权利要求9所述的一种LED倒装芯片固晶、激光焊接及点胶的工艺方法,其特征在于,所述定位结构包括纵向限位条和横向限位条;
所述负压吸附结构包括设置在底板上的若干吸附孔,所述吸附孔另一端用于连接真空源。
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