CN204975701U - 激光共晶焊接装置 - Google Patents

Abstract

一种激光共晶焊接装置，其包括激光器，光束整形系统，激光凹透镜，激光凸透镜，激光聚焦镜，合束镜，镂空基台，需要共晶焊的基座、焊料和芯片，真空发生器及气管，吸嘴，激光测温仪及反馈系统，光路防尘罩，其特征在于，所述的激光器发出的光束沿水平方向出射到光束整形系统进行整形，所述的激光凹透镜和所述的激光凸透镜配合对整形后的光束扩束准直后入射到所述的激光聚焦镜上，所述的合束镜反射激光聚焦镜出射的激光穿过所述镂空基台，照射在需要共晶焊的基座上，所述激光测温仪发出的激光透过所述合束镜，照射到需要共晶焊的基座上，实时监控所述需要共晶焊的基座的温度由所述反馈系统反馈至激光器。

Description

激光共晶焊接装置

技术领域

本实用新型属于激光共晶焊接技术领域，涉及一种激光共晶焊接装置，尤其适用于对温度比较敏感的芯片和电子器件。

背景技术

在混合集成电路中，将半导体芯片贴装到基板，管座和组合件等载体器件上，当前主要采用两种方法：一种是银浆导电胶粘接，另一种是焊接。与导电胶粘接相比，共晶焊具有热导率高、电阻小、传热快、可靠性强、粘接后剪切力大的优点，适用于高频，大功率器件中芯片与基板，基板与管壳的互联。对于有较高散热要求的功率器件必须采用共晶焊接。共晶焊接是利用了共晶合金的特性来完成焊接工艺的。

在混合电路微组装工艺过程中，真空/可控气氛共晶炉是国内外广泛使用的设备，共晶焊时无需使用助焊剂，可抽真空并对气氛进行控制，减少共晶焊接空洞，同时能提供精确的工艺曲线，提高共晶焊接质量。

焊接时热损坏，热应力，湿度，颗粒以及冲击或者振动是影响焊接效果的关键因素。热损伤会影响薄膜器件的性能；湿度过高可能引起粘连，磨损，附着现象；无效的热部件会影响热的传导。共晶时最常见的问题就是基座的温度低于共晶温度，这种情况下，焊料仍然能够熔化，但是没有足够的温度来扩散芯片背面的镀金层，而操作者容易误认为焊料熔化就是共晶了。另一方面，过长的时间来加热基座会导致电路金属的损耗。

发明内容

为了解决常规共晶焊中为了保证共晶的充分而过长时间的加热基座所导致的电路基板和金属的损耗，为了避免过多加热而导致的芯片失效，为了避免在多芯片电路中，芯片焊接之间的相互影响，本实用新型提供了一种激光加热共晶焊的装置，将受热区域大大减少，避免对电路基板的重复加热，且能够实时监测需要共晶焊的基座的温度，并反馈给激光加热源来实时调整激光输出能量，确保精确的温度曲线。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种激光共晶焊装置，其包括激光器，激光光束整形系统，激光凹透镜，激光凸透镜，激光聚焦镜，激光光束和激光测温仪光束的合束镜，镂空基台，需要共晶焊的基座、焊料和芯片，真空发生器及气管，吸嘴，激光测温仪及反馈系统，光路防尘罩，其特征在于：激光器用于发射激光光束，激光光束整形系统使高斯分布的激光光束变为能量密度分布均匀的平顶光束，激光凹透镜和所述的激光凸透镜配合实现扩束准直作用，扩束准直后的激光光束入射到所述激光聚焦镜上，和激光光束整形系统一起配合，将照射在需要共晶焊的基座上的激光光斑尺寸与芯片尺寸相匹配，激光光束与激光测温仪光束的合束镜反射激光光束，透射所述激光测温仪光束，经过合束镜反射的激光光束通过镂空基台照射到需要共晶焊的基座上，对需要共晶焊的基座进行加热，激光测温仪光束透过合束镜入射到需要共晶焊的基座上，实时测量需要共晶焊的基座的温度，通过反馈系统反馈给激光器。

本实用新型的需要共晶焊的基座放置在所述的镂空基台的镂空处，激光器发出的激光光束的波长和激光测温仪所发出的激光光束通过此镂空区域照射到需要共晶焊的基座上。

本实用新型的光束整形系统将高斯分布的激光光束整形为能量密度分布均匀的平顶光束，并与激光聚焦镜配合，使照射到需要共晶焊的基座上的激光光斑尺寸和形状与共晶焊芯片尺寸和形状相匹配，当共晶焊芯片的尺寸和形状发生较大变更时，此光束整形系统也将对应更换。

本实用新型的激光测温仪实时监控所述的需要共晶焊的基座的温度并实时反馈给所述的激光器，来调整激光器输出激光光束的能量，保证基座的温度为设定的温度，确保温度的精确性。

本实用新型还提供一种激光共晶焊装置，其包括激光器，激光光束整形系统，激光分光片，激光凹透镜，激光凸透镜，激光聚焦镜，合束镜，透明基台，激光反射镜，空心轴电机的转动部分和固定部分，旋转组件，轴承，光路防尘罩，需要共晶焊的基座、焊料和芯片，真空发生器及气管，吸嘴，激光测温仪及反馈系统，其特征在于：激光器用于发射激光光束，激光光束整形系统使高斯分布的激光光束变为能量密度分布均匀的平顶光束，激光光束整形系统后面放置激光分光片，穿过激光分光片的一束激光光束入射到扩束准直作用的凹透镜和凸透镜，再通过激光聚焦镜的聚焦作用，光束开始会聚，入射到激光光束和激光测温仪光束的合束镜上，合束镜反射激光光束，透过透明基台，辐照到需要共晶焊的基座上；另一束通过激光反射镜反射，照射到空心轴电机的旋转部分内，旋转部分内包括两块激光反射镜，通过激光反射镜的反射，激光入射到激光聚焦镜上，汇聚的激光光束辐射在吸嘴上，吸嘴将热量传导到共晶焊的芯片上，激光测温仪光束透过合束镜入射到需要共晶焊的基座上，实时测量需要共晶焊的基座的温度，通过反馈系统反馈给激光器。

本实用新型的透明基台对激光光束和激光测温仪光束透明，使激光光束和激光测温仪光束透过透明基台，照射到需要共晶焊的基座上，对其进行加热。

本实用新型的激光分光片将激光光束分为两束，一束按照原来的方向传播，另一束竖直向上传播，经过几块激光反射镜的反射，竖直向下传播到空心轴电机的转动部分内，空心轴电机的转动部分带动旋转部件旋转，同时使光也旋转，辐照整个吸嘴的圆周，对吸嘴进行快速扫描辐照加热，吸嘴将热量传导到共晶焊芯片上，实现对需要共晶焊的基座和共晶焊芯片的同时加热。

本实用新型还提供一种激光共晶焊装置，其包括激光器，激光光束整形系统，激光分光片，激光光束和激光测温仪光束的合束镜，振镜，场镜，光束防尘罩，需要共晶焊的基座、焊料和芯片，真空发生器及气管，吸嘴，空心轴电机的转动部分和固定部分，旋转组件，轴承，激光测温仪及反馈系统，其特征在于：激光器用于发射激光光束，激光光束整形系统使高斯分布的激光光束变为能量密度分布均匀的平顶光束，激光分光片放置在振镜之前，将激光光束分为两路，竖直向上传播的一束光通过激光反射镜反射，照射到空心轴电机的旋转部分内，旋转部分内包括两块激光反射镜，通过激光反射镜的反射，激光入射到激光聚焦镜上，汇聚的激光光束辐射在吸嘴上，吸嘴将热量传导到共晶焊的芯片上，另外一束激光光束按照原来的传播方向传播，透过激光光束与激光测温仪光束的合束镜，入射到振镜和场镜上，透过透明基台，照射在需要共晶焊的基座上，对其进行加热，激光测温仪发出的激光光束经过合束镜的反射后，进入振镜和场镜透过透明基台，照射在需要共晶焊的基座上，测量其温度，并反馈给激光器。

本实用新型的振镜的X轴反射镜和Y轴反射镜的偏转，可以实现任意图形的快速扫描辐照加热。

本实用新型的激光共晶焊装置中，其加热方式与传统的共晶焊接装置不同。传统的共晶焊接装置大都是通过加热板来实现一个空间的温度氛围，因此整个电路板都要受到相同的热辐射。本实用新型的激光共晶焊装置中，加热方式为激光辐照加热，加热面积由激光光斑与需要共晶焊的基座的接触面积所决定，电路板其它的部分几乎不受热。由于受热面仅限于与芯片接触的基座面积，不需要对整个基板进行加热，对基板的耐热性要求降低。对于多芯片的混合电路板，不会影响其它已经焊接好的芯片，因此不需要设计复杂的焊接顺序和工艺。因此尤其适用于对温度敏感的芯片和复杂的多芯片电路。

附图说明

图1为本实用新型的激光共晶焊装置的结构示意图；

图2为本实用新型的激光共晶焊装置的第二种结构示意图；

图3为本实用新型的激光共晶焊装置的低三种结构示意图；

图中各标记的含义如下：

1：激光器；

2：激光光束；

3：激光光束整形系统；

4：激光分光片；

41：激光光束与激光测温仪光束合束镜；

42：激光光束反射镜1；

43：激光光束反射镜2；

44：激光光束反射镜3；

45：激光光束反射镜4；

46：振镜中X轴反射镜；

47：振镜中Y轴反射镜；

5：激光聚焦镜；

51：激光凹透镜；

52：激光凸透镜；

F：激光焦平面；

6：镂空基台；

61：透明基台

7：需要共晶焊的基座；

8：共晶焊焊料；

9：共晶焊芯片；

10：吸嘴；

11：轴承；

12：激光测温仪的光束；

13：激光测温仪；

14：反馈系统；

15：旋转组件；

16：激光聚焦镜；

17：空心轴电机固定部分；

18：空心轴电机转动部分；

19：旋转组件与空心轴电机转动部分的连接件；

20：光路防尘罩；

21：光路防尘罩与空心轴电机固定部分的连接件；

22：真空发生器及气管；

23：振镜；

24：场镜；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做详细描述：

图1表明本实用新型所述的激光共晶焊装置的示意图。激光共晶焊装置组成如下：激光器1，用于发射激光光束2；激光光束整形系统3，使高斯分布的激光光束变为能量密度分布均匀的平顶光束；凹透镜51和凸透镜52配合实现扩束准直作用，扩束准直后的激光光束入射到激光聚焦镜5上，和激光光束整形系统3一起配合，将照射在需要共晶焊的基座7上的激光光斑尺寸与共晶焊芯片尺寸相匹配；在真空发生器及气管22的作用下，吸嘴10拾取并放置共晶焊焊料8和共晶焊芯片9在需要共晶焊的基座7上，并在共晶焊的时候对共晶焊芯片施加一定的压力；激光光束与激光测温仪光束合束镜41反射激光光束，透射激光测温仪光束；经过合束镜41反射的激光光束的焦平面为F，经过焦平面F后，光束通过镂空基台6照射到需要共晶焊的基座7上，对基座进行加热；激光测温仪13发出的激光透过合束镜41入射到需要共晶焊的基座7上，实时测量需要共晶焊的基座7的温度，并通过反馈系统14反馈给激光器1，随时调整激光器1输出光束2的能量，来保证精确的温度曲线。所有激光光束外围都安装有光路防尘罩20，既能保证各个镜片的洁净，又能进行安全防护作用。

图2表明本实用新型所述的第二种激光共晶焊装置的示意图。图1中的镂空基台6变更为对激光光束和激光测温仪光束透明的材料制造而成的透明基台61。在图1的激光光束整形系统3后面放置一激光分光片4，一束按照图1的激光光束继续传播，入射到扩束准直作用的凹透镜51和凸透镜52，再通过激光聚焦镜5的聚焦作用，光束开始会聚，入射到激光光束和激光测温仪光束的合束镜41上，合束镜41反射激光光束，透过透明基台61，辐照到需要共晶焊的基座7上，对其进行加热；另一束通过激光反射镜45和44的反射，竖直向下照射到空心轴电机的旋转部分18内。空心轴电机的旋转部分18通过连接件19与旋转部件15连接，带动旋转部件15旋转。旋转部件15内部包括两块激光反射镜42和43，通过激光反射镜43的反射，激光入射到激光聚焦镜16上，会聚的激光光束辐照在吸嘴10上。由于旋转部件15带动激光光束旋转，因此激光光束对吸嘴10进行快速圆周扫描辐照加热，吸嘴10将热量传导到共晶焊芯片9上。吸嘴10通过轴承11固定在空心轴电机的转动部分18上，在旋转部件15旋转的同时，保证吸嘴10不动，并对共晶焊芯片施加一定的压力。真空发生器及气管22与吸嘴10连接，保证吸嘴10的作用。

图3表明本实用新型所述的第三种激光共晶焊装置的示意图。在图2所示装置示意图中，可以用振镜系统来代替起扩束准直作用的凹透镜51和凸透镜52，以及激光聚焦镜5。激光分光片4放置在振镜23之前，将激光光束分为两路，竖直向上传播的那一束光的传播及作用方式与图2相同；另外一束激光光束按照原来的传播方向传播，透过激光光束与激光测温仪光束的合束镜41后，入射到振镜23和场镜24上，透过透明基台61，辐照到需要共晶焊的基座7上，对其进行加热。激光测温仪发出的激光光束经过合束镜41的反射后，也进入振镜23和场镜24，透过透明基台61，照射在需要共晶焊的基座7上，测量其温度，并反馈给激光器1，实时调整激光器输出能量。激光光束通过振镜23的X轴反射镜46和Y轴反射镜47的偏转，可以实现任意图形的快速扫描辐照加热。适用于一些管壳的密封共晶焊接，需要加热的仅是管壳和盖板的接触部分，而中间的电子元器件则不会受到热影响。

本实用新型的激光共晶焊的具体操作方式如下：在真空发生器及气管22的作用下，吸嘴10拾取并放置需要共晶焊的基座7，共晶焊焊料8和共晶焊芯片9；打开激光器1，通过激光光束整形系统3、起扩束准直作用的凹透镜51和52、聚焦镜5之后，入射到激光光束和激光测温仪光束的合束镜41上，合束镜41反射激光光束2，照射到镂空基台6上露出来的需要共晶焊的基座7上，激光光束2照射在需要共晶焊的基座7的光斑尺寸略大于共晶焊焊料8和共晶焊芯片9的尺寸，其形状也与共晶焊芯片的尺寸相匹配；激光测温仪发出的激光透过合束镜41照射到需要共晶焊的基座7上，测量其温度并通过反馈系统14反馈给激光器1，实时调整激光器输出光束2的能量，保证精确的温度曲线。

镂空基台6也可以更换为对激光光束和激光测温仪光束透明的透明基台61。在激光器1发出的激光光束2透过激光整形系统3以后，添加一块激光分光片4，将激光光束2分成两束，一束按照上述的方向传播，经过凹透镜51、凸透镜52、激光聚焦镜5、合束镜41后，透过透明基台61，辐照到需要共晶焊的基座7上，对其进行辐照加热；另一束竖直向上传播，通过激光反射镜45和44的反射后，入射到空心轴电机的旋转部分18内，空心轴电机的旋转部分18通过连接件19与旋转组件15连接，带动旋转组件15转动。激光光束经过旋转组件15内的反射镜42和43，入射到聚焦镜16上，会聚到吸嘴10上，激光光束随着旋转组件15旋转，对吸嘴10整个圆周进行快速扫描辐照加热。吸嘴10将热量传导到共晶焊芯片9上，实现对需要共晶焊的基座7和共晶焊芯片9的同时加热，实现对温度控制的均匀性和准确性。

上述的凹透镜51、凸透镜52和激光聚焦镜5可以用振镜23和场镜24来替代。如上所述的激光光束2通过激光整形系统3后，被激光分光片4分为两束光。竖直向上传播的那一束光依然按照上述光路传播，会聚的激光光束对吸嘴10进行快速圆周扫描辐照加热。吸嘴10将热量传播到共晶焊芯片上。另一束光透过激光光束和激光测温仪光束的合束镜41后，入射到振镜23上，通过X轴和Y轴的偏转后，照射到场镜24上，透过透明基台61，对共晶焊基台7进行辐照加热。基于振镜23的X轴反射镜47和Y轴反射镜46的偏振，可以实现任意图形的快速扫描加热，适用于一些管壳的密封共晶焊接，需要加热的仅是管壳和盖板的接触部分，而中间的电子元器件则不会受到热影响。

激光光束整形系统3将高斯分布的激光光束整形为能量密度分布均匀的平顶光束，保证温度的均匀性。光束整形系统3与聚焦镜5匹配形成与共晶焊芯片尺寸和形状相匹配的激光光斑尺寸。因此当共晶焊芯片的尺寸和形状发生变化时，此激光光束整形系统3需要随之更换。

这种通过激光测温仪来实时监控基座7的温度，并反馈给激光器1，实时调整输出光束2的能量，来保证基座7的温度的准确性。这种实时调整温度速度快且精确，不会出现对芯片的过多热输出，避免了由于过热而导致的芯片失效。

这种通过激光辐照加热来实现共晶焊接的装置，避免了对整个电路板进行高温加热；特别是对于多芯片的电路板，既避免了对整个电路板进行反复高温加热，又避免了焊接单个芯片时，对其它已经焊接好的芯片的热影响。降低了对整个电路板重复耐热的要求，简化了焊接工艺，提高了共晶焊焊接质量。

需要强调的是，这种共晶焊装置并未做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质进行的简单修改，等同变化和修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种激光共晶焊接装置，其包括激光器，激光光束整形系统，激光凹透镜，激光凸透镜，激光聚焦镜，激光光束和激光测温仪光束的合束镜，镂空基台，需要共晶焊的基座、焊料和芯片，真空发生器及气管，吸嘴，激光测温仪及反馈系统，光路防尘罩，其特征在于：激光器用于发射激光光束，激光光束整形系统使高斯分布的激光光束变为能量密度分布均匀的平顶光束，激光凹透镜和所述的激光凸透镜配合实现扩束准直作用，扩束准之后的激光光束入射到所述激光聚焦镜上，和激光光束整形系统一起配合，将照射在需要共晶焊的基座上的激光光斑尺寸与芯片尺寸相匹配，激光光束与激光测温仪光束的合束镜反射激光光束，透射所述激光测温仪光束，经过合束镜反射的激光光束通过镂空基台照射到需要共晶焊的基座上，对需要共晶焊的基座进行加热，激光测温仪光束透过合束镜入射到需要共晶焊的基座上，实时测量需要共晶焊的基座的温度，通过反馈系统反馈给激光器。

2.如权利要求1所述的激光共晶焊接装置，需要共晶焊的基座放置在所述的镂空基台的镂空处，激光器发出的激光光束的波长和激光测温仪所发出的激光光束通过此镂空区域照射到需要共晶焊的基座上。

3.如权利要求1所述的激光共晶焊接装置，所述的光束整形系统将高斯分布的激光光束整形为能量密度分布均匀的平顶光束，并与激光聚焦镜配合，使照射到需要共晶焊的基座上的激光光斑尺寸和形状与共晶焊芯片尺寸和形状相匹配，当共晶焊芯片的尺寸和形状发生较大变更时，此光束整形系统也将对应更换。

4.如权利要求1所述的激光共晶焊接装置，所述的激光测温仪实时监控所述的需要共晶焊的基座的温度并实时反馈给所述的激光器，来调整激光器输出激光光束的能量，保证基座的温度为设定的温度，确保温度的精确性。

5.一种激光共晶焊接装置，其包括激光器，激光光束整形系统，激光分光片，激光凹透镜，激光凸透镜，激光聚焦镜，合束镜，透明基台，激光反射镜，空心轴电机的转动部分和固定部分，旋转组件，轴承，光路防尘罩，需要共晶焊的基座、焊料和芯片，真空发生器及气管，吸嘴，激光测温仪及反馈系统，其特征在于：激光器用于发射激光光束，激光光束整形系统使高斯分布的激光光束变为能量密度分布均匀的平顶光束，激光光束整形系统后面放置激光分光片，穿过激光分光片的一束激光光束入射到扩束准直作用的凹透镜和凸透镜，再通过激光聚焦镜的聚焦作用，光束开始会聚，入射到激光光束和激光测温仪光束的合束镜上，合束镜反射激光光束，透过透明基台，辐照到需要共晶焊的基座上；另一束通过激光反射镜反射，照射到空心轴电机的旋转部分内，旋转部分内包括两块激光反射镜，通过激光反射镜的反射，激光入射到激光聚焦镜上，汇聚的激光光束辐射在吸嘴上，吸嘴将热量传导到共晶焊的芯片上，激光测温仪光束透过合束镜入射到需要共晶焊的基座上，实时测量需要共晶焊的基座的温度，通过反馈系统反馈给激光器。

6.如权利要求5所述的激光共晶焊接装置，所述的透明基台对激光光束和激光测温仪光束透明，使激光光束和激光测温仪光束透过透明基台，照射到需要共晶焊的基座上，对其进行加热。

7.如权利要求5所述的激光共晶焊接装置，所述的激光分光片将激光光束分为两束，一束按照原来的方向传播，另一束竖直向上传播，经过几块激光反射镜的反射，竖直向下传播到空心轴电机的转动部分内，空心轴电机的转动部分带动旋转部件旋转，同时使光也旋转，辐照整个吸嘴的圆周，对吸嘴进行快速扫描辐照加热，吸嘴将热量传导到共晶焊芯片上，实现对需要共晶焊的基座和共晶焊芯片的同时加热。

8.一种激光共晶焊接装置，其包括激光器，激光光束整形系统，激光分光片，激光光束和激光测温仪光束的合束镜，振镜，场镜，光束防尘罩，需要共晶焊的基座、焊料和芯片，真空发生器及气管，吸嘴，空心轴电机的转动部分和固定部分，旋转组件，轴承，激光测温仪及反馈系统，其特征在于：激光器用于发射激光光束，激光光束整形系统使高斯分布的激光光束变为能量密度分布均匀的平顶光束，激光分光片放置在振镜之前，将激光光束分为两路，竖直向上传播的一束光通过激光反射镜反射，照射到空心轴电机的旋转部分内，旋转部分内包括两块激光反射镜，通过激光反射镜的反射，激光入射到激光聚焦镜上，汇聚的激光光束辐射在吸嘴上，吸嘴将热量传导到共晶焊的芯片上，另外一束激光光束按照原来的传播方向传播，透过激光光束与激光测温仪光束的合束镜，入射到振镜和场镜上，透过透明基台，照射在需要共晶焊的基座上，对其进行加热，激光测温仪发出的激光光束经过合束镜的反射后，进入振镜和场镜透过透明基台，照射在需要共晶焊的基座上，测量器温度，并反馈给激光器。

9.如权利要求8所述的激光共晶焊接装置，所述的振镜的X轴反射镜和Y轴反射镜的偏转，可以实现任意图形的快速扫描辐照加热。