CN218284124U - 一种金属箔激光焊接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属箔激光焊接装置，金属箔传送机构(2)将金属箔(4)传送至金属箔压料器(3)的压料口(31)下，压料口(31)的金属箔(4)贴合于工件(5)，采用气压辅助压料机构，金属箔更紧密贴合于工件，激光(11)透过透光罩(32)照射(熔焊/切割)所述贴合于工件(5)上的金属箔(4)，残留金属箔(41)随后再由金属箔传送机构(2)带离。金属箔压料器(3)采用上下移动机构，结构更简单；激光振镜扫描，多点同步熔焊，生产效率高；视觉定位激光光斑，实现高精度的金属盘(植金属)/焊点。

Description

一种金属箔激光焊接装置

技术领域

本实用新型属于电子器件封装及焊接技术领域，涉及到mini LED基板植锡(锡盘)、BGA植锡(锡球)、倒装晶片焊接(CSP封装)，POP封装，平面搭桥焊连等。

背景技术

针对BGA的焊盘间距和面积越来越微小，焊点锡球直径微小，现有采用喷锡球激光焊接方法和喷滴锡膏激光熔焊方法来植微小直径锡球，微小锡球喷射设备和微量锡膏喷滴设备复杂价格昂贵，生产效率不高，生产维护麻烦，微小锡球和锡膏价格不菲，则生产费用不低。

针对miniLED，LED晶片上的焊盘尺寸和间距极小，导致晶片焊盘与基板焊盘之间的焊接难度陡增。Mini LED COB倒装技术方案，要求基板上的焊盘植锡(现技术采用锡膏)精度(大小和位置精度)极高，现有技术设备(印刷/喷滴锡膏)达不到要求，导致良品率低下，则产品造价高。

POP(package on package)封装中，上下两电子基板(半导体晶片(又称裸晶)或已封装的芯片基板)之间电的联通有采用金属凸台键合实现。现设置金属凸台的技术方案：金属凸台采用铜柱(也有称为键合铜柱)，电子基板上的焊盘印刷有锡膏，键合铜柱预置在编带中，采用SMT设备将键合铜柱放置到焊盘上的锡膏上，采用回流焊工艺实现键合铜柱焊接在焊盘上，工序多，效率低，键合铜柱微小(0.25mm直径、0.4mm)，键合铜柱必须准确垂直焊接于焊盘上，键合铜柱精度品质高，锡膏以及印刷要求高，设备精细昂贵等等，导致造价高

发明内容

本实用新型的目的就是针对以上所述的问题，提出了一种采用金属箔(比如锡箔、铝箔或铜箔等)+激光的设备，依靠激光设备的精准，实现高精度的植金属(植锡、金属凸台)及焊连，有效提高焊接良品率，设备结构简造价降低，产品造价降低。

本实用新型的技术方案：本实用新型金属箔激光(比如：锡箔、铝箔或铜箔等)焊接装置，包括有：激光发生器，激光头，金属箔传送机构，金属箔压料器，工件台，还应该有计算机控制系统。需要焊接或植金属(植锡)的工件(比如：PCB板、晶圆、晶片、芯片、芯片拼板)放置于工件台上；激光头一般包括有振镜和场镜，从激光发生器产生的激光一般采用光纤传送至激光头；金属箔压料器包括有透光罩(比如透激光板(应该耐高温，比如石英玻璃))和压料口，金属箔压料器的其作用有：金属箔被撑直压贴于工件表面；设置有金属箔贴合以及脱离工件的机构，金属箔传送机构构将金属箔传送至金属箔压料器的压料口下，压料口的金属箔贴合于工件表面，激光照射所述贴合于工件的金属箔，压料口的金属箔覆盖着数多(不少于9个)工件上的焊盘；剩余的残留金属箔随后再由金属箔传送机构带离压料口。

本实用新型中，采用激光切割出分隔金属盘的沟槽，得到所需要的金属盘(植金属)、锡盘(植锡)。采用振镜扫描，多点同步进行，效率高，采用视觉定位系统，高精度定位激光光斑，得到高精的金属盘(锡盘/焊点)。

附图说明

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1是一种本实用新型的特征剖面示意图。

图2是一种本实用新型的特征剖面示意图。

图3是一种采用本实用新型，用于BGA植锡盘的特征平面示意图。

图4是图3所示的，经有激光切割沟槽的特征剖面示意图。

图5是一种本实用新型激光照射熔焊方式特征示意图。

图6是一种图3所示的工件焊盘，完成激光照射熔焊并清除了残留锡箔后的特征剖面示意图。

图7是一种本实用新型中的一种激光系统特征示意图。

图8是一种本实用新型中的一种激光光纤缆特征剖面示意图。

图9是一种采用本实用新型，在一种LED倒装晶片集成封装基板(PCB)焊盘上植锡盘，压料口处的特征平面示意图。

图10是图9所示的LED集成封装基板，经有激光切割沟槽的局部特征剖面示意图。

图11是本实用新型用于一种LED集成封装，压料口处的特征平面示意图。

图12是图11所示的LED集成封装，经有激光切割沟槽的局部特征剖面示意图。

图13是图12采用一种本实用新型激光照射熔焊方式特征示意图。

图14是图13所示的，完成激光照射熔焊并清除了残留锡箔后的特征剖面示意图。

图15～19是一种采用本实用新型植金属凸台过程中的分别5个工序的特征剖面示意图。

图20是一种采用采用本实用新型做出的一种电子基板的特征剖面示意图。

图21～22分别是两种本实用新型激光照射方式特征示意图。

图中：1、激光头，11、激光，111、切割激光，112、熔焊激光，12、激光出口，13、可调变束器，14、振镜，15、物镜，16、内光纤，17、外光纤，2、金属箔传送机构，21、辅助输送带，211激光窗口，3、金属箔压料器，31、压料口，32、透光罩，33、进气口，4、金属箔，41、残留金属箔，42、工艺底衬，421、激光窗口，43、沟槽，44、金属盘、441、底层金属盘，442、第二层金属盘，443、第三层金属盘，444、第四层金属盘，445、第五层金属盘，45、点焊，46、根部，5、工件，51、焊盘，52、定位坐标，53、锡球，54、晶片嵌口，55、焊锡，6、工件台，7、晶片，71、晶片焊盘，8、金属凸台。

具体实施方式

图1所示的本实用新型，金属箔传送机构2采用了滚轮传带结构，金属箔压料器3的压料口31为一种开口结构，成周圈的侧壁与透光罩32一起构成有空腔的结构，开口盖子似的，金属箔4从上方传输到下方压料口31，压料口31处的金属箔4被撑直，被金属箔压料器3下压至设置在工作台6面上的工件5，金属箔4贴合于工件5上表面，工件5上表面有数多焊盘，来自激光头1的激光11穿过透光罩32，(可采用同步扫描方式，图中的虚线表示激光11振镜扫描)，对着数多焊盘进行激光照射(加热熔焊/切割)，激光照射(加热熔焊/切割)完成后，压料口31脱离工件5(如图2所示)，金属箔传送机构2将残留金属箔41带走(图中示出，由下朝上，残留金属箔41被金属箔传送机构2带出)。完成一次激光照射(压料口31所覆盖的焊点照射)后，需要更换焊盘区域，可以采用工件台6XY水平两轴移动结构。

压料口31的金属箔4贴合以及脱离工件5的机构，可以采用设置有金属箔压料器3Z轴(即上下方向)移动机构，加上金属箔带传送机构送料与收料动作配合。

为了使压料口31处的金属箔4更好地贴合于工件5，金属箔压料器3采用气压辅助压料机构，即就是：金属箔压料器3除压料口31外，周圈密闭，配有进气装置，金属箔压料器3上设置有进气口33，向内充加气体(一般为惰性气体，比如氮气)，压料口31内的金属箔被充加的气体压贴合于工件5表面。压料口31处应该设置有弹性密封结构(比如橡胶圈)，金属箔压料器3还应该设置有气压传感器，探测控制金属箔压料器3内的气压。

图1中没有示出激光发生器，一般采用光纤将激光发生器的激光传送至激光头1。也可以采用将激光发生器与激光头1合为一体的设计。

图1所示的本实用新型，一个工作台6只有一个包含有激光头1和金属箔压料器3以及金属箔带传送机构2组成的焊接单元。如果工件焊点多，特别是整个工件5(比如PCB板)都阵列排布着焊点，一个焊接单元效率低，应该设置有不少于2个包含有激光头1和金属箔压料器3以及金属箔带传送机构2组成的焊接单元，共用一个工件台6，提高效率。效率更高的方案：设置有不少于4个包含有激光头1和金属箔压料器3以及金属箔传送机构2组成的焊接单元，共用一个工件台6。

图3和4所示的是本实用新型用于BGA植锡球，金属箔为含有锡的焊接材料制成的锡箔。工件5(晶片、芯片、基板等)上阵列设置有焊盘51，激光采用了切割激光111，激光111在锡箔切割的沟槽43呈网格形状，相邻的两焊盘51上对应的锡盘(即金属盘44)之间没有残留锡箔。之后，采用熔焊激光112加热熔化锡盘44(如图5所示)，就可得到所需要的BGA植锡球(如图6所示)。图5示出，相邻两焊盘51对应的金属盘44熔焊激光112照射熔焊不是同一时间。

本实用新型可采用设置有视觉定位系统，采用了视觉定位系统定位激光光斑。图3中示出有定位坐标52，设置在工件表面，焊盘51旁边附近。视觉定位系统识别到定位坐标52，以定位坐标52为基准，就能计算确定激光光斑照射位置。以工件上的焊盘51旁边附近的定位坐标52为基准，计算定位激光光斑照射，更精准。图3中，压料口31处的锡箔(金属箔4)覆盖着36个焊盘51，焊盘51阵列设置。

图7所示的本实用新型中的一种激光系统中，采用了可调变束器13，来自激光出口12的激光11，经过可调变束器13后，激光束的大小可以调整变化，不同大小的激光光束经过物镜15后，在工件上的光斑直径不一样，细小的光斑激光(用于切割激光)，粗大的光斑激光(用于熔焊激光)，这样从同一个激光光源，可得到不同大小光斑的激光。

图8所示的本实用新型中的一种激光光纤缆，采用了同轴激光源结构，图中两光纤缆(可以更多)，内光纤16和外光纤17，它们同轴，分别连接连接两个激光发生器，来自外光纤17的激光光束大，经过物镜后，在工件上的光斑直径大，用于熔焊激光；来自内光纤16的激光光束直径小，经过物镜后，在工件上的光斑直径小，用于切割激光。

图9和10所示的是一种本实用新型用于在LED倒装集成封装(COB)基板上设置锡盘(植锡)，金属箔为含有锡的焊接材料制成的锡箔。基板(即工件)上阵列设置有两相对应的焊盘51；采用切割激光111切割出沟槽43，沟槽43呈周圈地围着焊盘51，在金属箔4(锡箔)上分隔出金属盘44(锡盘)，剩下的的残留金属箔(锡箔)41随着金属箔(锡箔)脱离工件，从基板(工件5)剥离，被金属箔传送机构带走，即就得到所需的焊盘上植锡(植金属)。

图10示出有，激光111切割成的沟槽43深至根部46，即锡箔被切割透了(不一定要切割透)；两相对应的焊盘51的锡盘(金属盘44)之间的沟槽43有焊锡熔化凝聚，锡盘(金属盘44)边缘加厚，沟槽43加宽，两相对应的焊盘51的锡盘(金属盘44)之间没有残留锡箔。图10还示出，焊盘51与锡盘(金属盘44)之间采用了激光局部焊接(比如单点焊或数个点焊构成的局部焊接)，如激光11和点焊45所示，该激光局部焊接可以(应该最好是)在沟槽43激光切割前进行。

图11～14所示的是本实用新型用于一种LED集成封装，适合mini LED集成封装，图中的晶片7是一种LED晶片，金属箔为含有锡的焊接材料制成的锡箔。工件5(即基板)阵列开有晶片嵌口54，晶片7设置在晶片嵌口54中，晶片7有两个晶片焊盘71，基板(工件5)上设置有两相对应的焊盘51。图11中示出，焊盘51呈C字形，其对应的晶片焊盘71在C字形内；激光111切割的沟槽43周圈地围着焊盘51(晶片焊盘71也被围在内)，在锡箔(金属箔4)上分隔出锡盘(金属盘44)。之后，采用激光加热熔化锡盘(金属盘44)，就可实现焊盘51与晶片焊盘71之间的搭桥焊连(如图14所示)。图13示出，相邻两晶片焊盘71对应的锡盘(金属盘44)熔焊激光112照射熔焊不是同一时间。

图15～19示出了采用本实用新型植金属凸台基本工序过程。图2示出，金属箔4贴盖着工件5(半导体晶片(又称裸晶)或是PCB电路板或是已封装的芯片基板)，即同一个金属箔4覆盖着工件5上所有的焊盘51；图中激光11是用于工件5上的焊盘51与金属箔4之间的局部焊接。

图16、17示出，采用激光切割焊盘51上的金属箔4，围着焊盘51，切割分离出底层金属盘441，底层金属盘441的面积一般不大于焊盘51的面积(如图中所示)。图18示出，金属箔4贴盖在底层金属盘441上，同一个金属箔4覆盖工件5上所有的底层金属盘441，采用激光切割贴盖在底层金属盘441上的金属箔4，围着底层金属盘441，切割分离出第二层金属盘442，第二层金属盘442的面积一般与底层金属盘441的面积一致。图19示出，金属箔4贴盖在第二层金属盘442上，同一个金属箔4覆盖所有第二层金属盘442，采用激光切割贴盖在第二层金属盘442上的金属箔4，切割分离出第三层金属盘443，第三层金属盘443的面积一般与第二层金属盘442的面积一致。

图20示出，金属凸台2由5层金属盘构成。金属箔4的厚度一般要小于底层金属盘441的(也是金属凸台的)直径(或面积当量直径)的三分之一。

金属箔4与焊盘51之间，以及各层金属箔之间，可采用激光焊接，激光焊接工序一般设置在切割工序之前，如图15所示；为了焊接品质，金属箔4贴合于焊盘51以及各层金属箔，应该有压力贴合。金属箔4的基材可以采用铝材(纯铝或含铝为主的合金)、或铜材(纯铜或含铜为主的合金)、或铜铝复合材料。

图21示出，采用有工艺底衬42，金属箔4贴在工艺底衬42上，工艺底衬42与金属箔4一起贴在工件5上，或第二层金属盘442上，工艺底衬42采用了透明材料，应该是激光透明的材料。

图22示出，与图21不同有：工艺底衬42开有激光窗口421，激光窗口421的位置与焊盘51的位置对应，切割激光111通过激光窗口71切割金属箔4。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种金属箔激光焊接装置，包括有：激光头(1)，金属箔传送机构(2)，金属箔压料器(3)，工件台(6)，金属箔压料器(3)包括有透光罩(32)和压料口(31)，需要植金属或焊接的工件(5)放置于工件台(6)上，其特征在于：设置有金属箔(4)贴合以及脱离工件(5)的机构，金属箔传送机构(2)将金属箔(4)传送至金属箔压料器(3)的压料口(31)下，压料口(31)的金属箔(4)贴合于工件(5)，激光(11)透过透光罩(32)照射贴合于工件(5)的金属箔(4)，残留金属箔(41)随后再由金属箔传送机构(2)带离所述压料口(31)。

2.根据权利要求1所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：设置有金属箔压料器(3)Z轴移动机构。

3.根据权利要求1所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：采用了同轴激光源结构。

4.根据权利要求1所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：采用了可调变束器。

5.根据权利要求1所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：设置有不少于2个包含有激光头(1)和金属箔压料器(3)以及金属箔传送机构(2)组成的焊接单元。

6.根据权利要求1所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：采用了视觉定位系统。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：金属箔(4)的背面粘贴有工艺衬底(42)。

8.根据权利要求7所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：工艺衬底(42)开有激光窗口(421)。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：金属箔压料器(3)采用了气压辅助压料机构。

10.根据权利要求9所述的金属箔激光焊接装置，其特征在于：金属箔压料器(3)的压料口(31)处设置有弹性密封结构。

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