CN220838423U - 一种led倒装芯片的激光焊接设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LED倒装芯片的激光焊接设备，控制器分别与机器视觉装置、激光器、X‑Y运动控制台连接；固定夹具安装在X‑Y运动控制台上固定柱面电路或平面电路；在控制器对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；激光器包括两个激光光源，在控制器的控制下，设定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倒装芯片焊接在柱面电路或平面电路上；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。该设备结构简单、可实现对LED倒装芯片的激光焊接，键合稳定，良品率高。

Description

一种LED倒装芯片的激光焊接设备

技术领域

本实用新型涉及芯片焊接技术领域，更具体的说是涉及一种LED倒装芯片的激光焊接设备。

背景技术

目前，传统的LED倒装芯片采用锡膏回流焊接或共晶焊接，但是其中，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。

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。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，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。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种LED倒装芯片的激光焊接设备，可解决现有技术中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、设备复杂成本高的问题，该设备结构简单、激光焊接工作效率高，牢固性好，良品率高。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种LED倒装芯片的激光焊接设备，包括：设备本体，所述设备本体上安装有机器视觉装置、激光器、固定夹具、X-Y运动控制台和控制器；

其中，所述控制器分别与所述机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台连接；

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倒装芯片焊接在所述柱面电路或平面电路上；

所述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。

进一步地，所述机器视觉装置为CCD摄像头。

进一步地，两个所述激光光源对称安装在机器视觉装置两侧，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。

进一步地，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，本实用新型公开提供了一种LED倒装芯片的激光焊接设备，包括：控制器分别与机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台连接；固定夹具安装在X-Y运动控制台上，用于固定柱面电路或平面电路；在控制器对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；激光器包括两个激光光源，在控制器的控制下，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；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。该设备结构简单、可实现对LED倒装芯片的激光焊接，键合稳定，良品率高；设备造价低，工作效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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为本实用新型提供的LED倒装芯片的激光焊接设备结构示意图。

图2为本实用新型提供的固定夹具具有涨紧轴结构的示意图。

图3为本实用新型提供的固定夹具定位结构和负压吸附结构的示意图。

具体实施方式

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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

因倒装芯片焊盘朝下，激光难以照射到焊盘，因此，少有激光焊接LED倒装芯片的相关产品和技术。本实用新型实施例公开了一种LED倒装芯片的激光焊接设备，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上，即银电路上，利用银的导热，传导到焊盘下，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。

下面从固定夹具的角度分为实现两个实施例进行说明。

实施例1：

该LED倒装芯片的激光焊接设备，参照图1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。设备本体上安装有机器视觉装置11、激光器12、固定夹具13、X-Y运动控制台14和控制器15；固定夹具如图2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。

其中，控制器15分别与机器视觉装置11、激光器12、X-Y运动控制台14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；

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15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；

激光器12包括两个激光光源，在控制器15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上的预设位置参数，实现将LED倒装芯片焊接在柱面电路上；

机器视觉装置安装在两个激光光源的中间，捕捉柱面电路的实时图像，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，可采用CCD摄像头作为机器视觉装置，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。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)。两台激光光源分别独立安装在横杆上，激光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。因此本实用新型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。

激光光源的开启、关闭、工作时长均由控制器端软件进行控制，在激光光源焊接时控制端软件界面可同步显示焊接摄像头图片。

控制器是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、激光器和X-Y运动控制台相连接。负责控制整个设备的运行和焊接过程的精确控制。通过与机器视觉装置和运动控制台的数据交互，实现焊接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、激光器和X-Y运动控制台的控制指令加载在内存内储存与执行。

控制器端软件可采用市面上已有的软件程序，比如实现X-Y运动控制台的控制、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、接收CCD摄像头的实时图像、对焊盘、芯片的识别与定位，均为市面上已有的现有技术，并非本申请的创新。

如图1所示，该LED倒装芯片的激光焊接设备，还包括风扇16，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，该LED倒装芯片的激光焊接设备，设备结构简单，采用的固定夹具具有涨紧轴结构、可实现对柱面电路LED倒装芯片的高精度、高效率激光焊接，键合稳定，良品率高。

如图2所示，涨紧轴结构，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。

工作原理：

假设要将倒装的LED芯片焊接到柱面电路上。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，CCD摄像头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；

控制器接收到图像数据后，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，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，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，控制器可以进行后续的处理和检测，以确保焊接质量和稳定性。

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。而本实用新型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：

本实施例的LED倒装芯片的激光焊接设备与实施例1不同之处仅仅是固定夹具，如图3所示，本实施例2的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3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3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。

其他内容均与实施例1相同，未尽事宜请参照上述实施例1所述，在此不再赘述。

本实用新型提供的LED倒装芯片的激光焊接设备，通过机器视觉装置、激光器、固定夹具、X-Y运动控制台和控制器的协同作用，实现了高精度的焊接过程。设备具备灵活性和可调节性，适用于柱面电路和平面电路的焊接需求。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (8)

1.一种LED倒装芯片的激光焊接设备，其特征在于，包括：设备本体，所述设备本体上安装有机器视觉装置、激光器、固定夹具、X-Y运动控制台和控制器；

其中，所述控制器分别与所述机器视觉装置、激光器、X-Y运动控制台连接；

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。

2.根据权利要求1所述的一种LED倒装芯片的激光焊接设备，其特征在于，所述机器视觉装置为CCD摄像头。

3.根据权利要求1所述的一种LED倒装芯片的激光焊接设备，其特征在于，两个所述激光光源对称安装在机器视觉装置两侧，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。

4.根据权利要求1所述的一种LED倒装芯片的激光焊接设备，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。

5.根据权利要求4所述的一种LED倒装芯片的激光焊接设备，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。

6.根据权利要求1所述的一种LED倒装芯片的激光焊接设备，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。

7.根据权利要求6所述的一种LED倒装芯片的激光焊接设备，其特征在于，所述定位结构包括纵向限位条和横向限位条。

8.根据权利要求6所述的一种LED倒装芯片的激光焊接设备，其特征在于，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。