芯片焊接装置

技术领域

本发明涉及芯片贴片焊接领域，具体而言，涉及一种芯片焊接装置。

背景技术

芯片焊接装置的关键在于焊接温度的精准控制，目前市场上的芯片焊接装置使用的是光加热或电加热的加热方式，这些加热方式存在加热效率低、加热响应时间慢、洁净度低、焊接温度控制精度低等问题，导致在实际使用过程中芯片成品率较低、成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度精准控制的高精度、高成品率的芯片焊接装置。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种芯片焊接装置，包括工作台、激光焊接装置、定位装置和冷却装置；

所述定位装置设置在所述工作台上，用于对物料进行定位；

所述激光焊接装置用于对定位后的物料进行激光焊接；

所述冷却装置用于对焊接后的焊接台和成品进行冷却；

所述激光焊接装置包括激光发射器和焊接台，所述激光发射器用于对所述焊接台进行激光加热；

所述焊接台用于放置待焊接的物料。

在可选的实施方式中，还包括焊接主架，所述焊接主架上设置有加热通道，所述激光发射器设置在所述加热通道的一端，所述焊接台设置在所述加热通道的另一端。

在可选的实施方式中，所述加热通道为L型，所述加热通道内设置有反光镜，用于将所述激光发射器发射的激光反射至所述焊接台。

在可选的实施方式中，所述焊接台内设置有真空吸附腔，所述真空吸附腔通过真空通道连接吸附装置，所述真空吸附腔通过吸附通道连接热沉。

在可选的实施方式中，所述定位装置包括移动装置和定位组件；

所述移动装置设置在所述工作台上，用于带动所述定位组件移动；

所述定位组件包括图像采集装置和取放装置；

所述图像采集装置用于对物料进行位置取样，所述取放装置用于取放物料。

在可选的实施方式中，所述定位组件为至少两组。

在可选的实施方式中，所述取放装置为吸附结构。

在可选的实施方式中，还包括定位传感器，所述定位传感器设置在所述定位组件上，所述定位传感器用于检测对所述定位组件与物料之间的相对位置。

在可选的实施方式中，冷却装置包括循环泵和循环管路；

所述循环泵与所述循环管路连接，用于驱动所述循环管路内的冷却液在所述循环管路内循环流动；

所述循环管路设置在所述工作台上，用于对所述焊接台和成品进行冷却。

在可选的实施方式中，所述循环管路环绕所述焊接台设置。

本发明实施例的有益效果是：

通过激光焊接的方式，能够提高焊接的精度，保证芯片的成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的焊接装置的主视图；

图2为本发明实施例提供的焊接装置的俯视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图3的B处局部放大图；

图5为本发明实施例提供的焊接装置的侧视图；

图6为本发明实施例提供的焊接装置的后视图；

图7为本发明实施例提供的焊接装置的立体图；

图8为本发明实施例提供的焊接装置的焊接台的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的定位装置的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的定位装置的两个第三移动组件的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的定位装置的第三移动组件的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的芯片焊接装置的结构示意图。

图标：1-焊接台；2-焊接主架；3-调节架；4-支撑台；5-支腿；6-激光支架；7-氮气装置支架；8-氮气保护气路；9-温度传感器；10-固定台；11-循环管路；12-加热通道；13-激光发射器；14-真空吸附腔；15-吸附通道；16-真空通道；17-反光镜；18-压板；19-垫块；20-热沉；21-芯片；22-槽结构；23-第一移动组件；24-第二移动组件；25-第三移动组件；26-定位组件；27-第一相机；28-第二相机；29-第二取放装置；30-定位传感器；31-第一取放装置；32-激光焊接装置；33-定位装置；34-冷却装置；35-工作台；36-物料放置台；37-显示器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图12，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第一方面，本发明实施例提供一种芯片焊接装置，包括工作台35、激光焊接装置32、定位装置33和冷却装置34；

定位装置33设置在工作台35上，用于对物料进行定位；

激光焊接装置32用于对定位后的物料进行激光焊接；

冷却装置34用于对焊接后的焊接台1和成品进行冷却；

激光焊接装置32包括激光发射器13和焊接台1，激光发射器13用于对焊接台1进行激光加热；焊接台1用于放置待焊接的物料。

具体的，在本实施例中，激光发射器13将激光发射到焊接台1上，对焊接台1上的物料进行加热焊接。

具体的，激光焊接装置32还包括焊接主架2，焊接主架2上设置有加热通道12，激光发射器13设置在加热通道12的一端，焊接台1设置在加热通道12的另一端。

具体的，加热通道12为L型，加热通道12内设置有反光镜17，用于将激光发射器13发射的激光反射至焊接台1。

在焊接时，将热沉20放置在焊接台1上后，再将芯片21放置在热沉20上，开启激光发射器13，激光发射器13向加热通道12内发射激光，激光经过反光镜17的反射后，照射到焊接台1的下方，对焊接台1进行加热，实现对焊接台1上的热沉20和芯片21之间的焊接。

具体的，加热通道12为L型，即激光入口和激光出口垂直，反光镜17设置在激光入口和激光出口的连接处，且设置角度为45°，即反光镜的镜面与激光的照射方向的角度为45°。

更具体的，在本实施例中，反光镜17与焊接主架2可拆卸连接。

在本实施例中，加热通道12的激光入口贯穿焊接主架2设置，且其中一个贯穿面为斜面，在斜面上通过螺栓固定有压板18，压板18为“乙”字型，在压板18和反光镜17之间还设置有垫块19或胶垫，既能够避免压板18对反光镜17造成破坏，又能够对反光镜17进行固定，还可以通过不同的胶垫或垫块19，实现对反光镜17的角度的调整。

也就是说，在本实施例中，反光镜17设置在焊接主架2的外部。

在可选的实施方式中，焊接台1内设置有真空吸附腔14，真空吸附腔14通过真空通道16连接吸附装置，真空吸附腔14通过吸附通道15连接热沉20。

在本实施例中，吸附装置为真空泵，通过真空泵对真空吸附腔14进行抽真空，进而对热沉20进行负压固定。

具体的，吸附通道15的上端为锥形孔，下端为直孔，锥形的较大底面在远离真空吸附腔14的一端，直孔上端连接锥形孔的较小底面，直孔的下端连接真空吸附腔14，真空通道16一端连通真空吸附腔14，另一端通过负压管连接真空泵。

当热沉20放置在焊接台1上时，热沉20的放置位置与吸附通道15相对应，真空泵开启，对真空吸附腔14进行抽真空，使得热沉20下方形成负压，进而通过负压实现对热沉20在焊接台1上的固定定位。

具体的，在本实施例中，在真空管路与真空泵之间还设置有过滤器、稳压器、压力显示装置、控制阀、电磁阀、节流阀等零部件，以保证抽真空的效果。

还包括压缩空气气路过滤、稳压、压力显示装置、各气路控制电磁阀、节流阀。

在本实施例中，还设置有氮气保护装置，氮气保护装置包括氮气保护气路8、稳压装置、压力显示装置、气路控制电磁阀、高精度气体流量计等组件；其中，氮气保护气路8的排气口与焊接台1相对应，通过氮气对焊接件进行保护。

在本实施例中，还设置了温度传感器9，温度传感器9设置在焊接台1上，用于测量焊接台1的加热温度。

通过温度传感器9测量焊接台1上的温度，能够对焊接台1的加热温度进行实时监控，进而保证加热的精准度。

在本实施例中，焊接台1通过螺栓连接或其他固定连接方式固定设置在焊接主架2上，为了便于对真空管路进行固定定位，在焊接主架2上设置了固定台10，固定台10上设置有固定孔，真空管路穿过固定孔后，一端连接焊接台1的真空通道16，另一端通过各个零部件与真空泵连接。

在本实施例中，在焊接台1的下侧面，即与焊接主架2连接的侧面上设置有多个槽结构22，用于增大光照面积，提高热传导效率。

在本实施例中，焊接主架2设置在焊接支撑架上，焊接支撑架包括支腿5和支撑台4，支腿5设置在支撑台4的下侧，对支撑台4进行支撑，焊接主架2设置在支撑台4的上侧，且在支撑台4还设置了激光支架6、氮气装置支架7，分别与激光发射器13、氮气保护装置连接。在支撑台4上还设置了调节架3，调节架3用于调节焊接支架的高度和角度，进而调节焊接台1和设置在焊接台1上的物料的高度和角度。

在本实施例中，激光发射器13为大功率光纤激光器或直接半导体激光器。

在本发明的实施例中，定位装置33包括移动装置和定位组件26；移动装置用于带动定位组件26移动；定位组件26包括图像采集装置和取放装置；图像采集装置用于对物料进行位置取样，取放装置用于取放物料。

在可选的实施方式中，定位组件26为至少两组。

其中，两组定位组件26对称设置。

具体的，图像采集装置为相机，在本实施例中，两组定位组件26中的相机倍数不同，在使用时，先使用低倍相机进行初步定位，再使用高倍相机进行精确定位，进而保证定位的准确性。

在可选的实施方式中，取放装置为吸附结构。

具体的，在本实施例中，吸附结构为真空吸附或负压吸附结构，能够通过负压实现对芯片21和热沉20的吸附和放置。

需要指出的是，取放装置可以是吸附结构，但其不仅仅局限于吸附结构，其还可以是其他的结构，如还可以是使用机械手等，其只要能够实现芯片21和热沉20取放即可。

在可选的实施方式中，还包括定位传感器30，定位传感器30设置在定位组件26上，定位传感器30用于检测对定位组件26与物料之间的相对位置。

在本实施例中，定位传感器30为距离传感器，或激光位移传感器。

在本实施例中，移动装置为XYZ三轴组件，主要包括：沿X轴移动的第一移动组件23、沿Y轴移动的第二移动组件24和沿Z轴移动的第三移动组件25，第一移动组件23和第二移动组件24上均设置有主体结构件、高精度直线运动导轨、直线电机、高精度光栅尺、机械限位缓冲器、线缆安装拖链组件。

第三移动组件25为两个，分别连接一个定位组件26，其中一个第三移动组件25包括：高精度运动模组、同轴白色光源、环形红色光源、激光位移传感器、物料旋转装置、高精度零位开关、光电限位开关。定位组件26设置在高精度运动模组上。

另一个第三移动组件25包括高精度运动模组、同轴白色光源、环形红色光源、激光位移传感器、物料高精度压电陶瓷旋转装置、芯片21压力调节组件、芯片21下压运动导向、限位组件、高精度零位开关、光电限位开关。

在第三移动组件25的下方设置有底部校准相机，底板校准相机包括二倍相机组件、同轴白色光源、大环形白色光源。

按本发明的方法设计的定位装置33，其XY轴各个移动组件采用高精度直线导轨+直线电机+雷尼绍高精度光栅尺，Z轴组件采用高精度直线导轨模组+伺服电机传动，控制系统用八轴高精度控制卡，保证运动精度。

在本发明优选的实施方式中，冷却装置34包括循环泵和循环管路11；循环泵与循环管路11连接，用于驱动循环管路11内的冷却液在循环管路11内循环流动；循环管路11设置在工作台35上，用于对焊接台1和成品进行冷却。

降温阶段采用水冷却方式，降温速度快，效率高。相较于传统风冷却方式对洁净间的空气扰动几乎没有影响。

在本实施例中，物料放置台36上设置有真空吸附装置和料盒定位装置。

激光焊接装置上设置有真空吸附装置、测温装置(即温度传感器)、激光加热光路结构件(即激光发射器)、高效率热传导结构件-ALN陶瓷(即热沉20)、定位装置33、水冷却装置34、氮气保护装置、热沉20姿态调节装置(即调节架3)。

工作台35上布置有能沿XYZ轴运动的移动组件，右侧设置有物料放置台36，工作台35的中部设置有底部校准相机，工作台右侧设置有激光加热调整台组件均与配电柜相连。

本发明的步骤包括：

一.视觉拍照定位热沉20和芯片21位置，并精确将其吸取。

1-1.视觉定位准确吸取热沉20；

1-2.视觉定位准确吸取芯片21。

二.芯片21和热沉20的底部角度校准和位置定位。

2-1.芯片21角度校准和计算坐标位置。

2-2.热沉20角度校准和计算坐标位置。

三.物料放置。

3-1.将热沉20放置并吸附到焊接台1上。

3-2.将芯片21稳定的放置到热沉20上。

四.芯片焊接。

五.成品放回。

本发明的方法，其步骤是：

(1)将热沉20、芯片料盒放到物料放置台36上相应定位块上；将成品料盒放到物料放置台36上相应定位块上；

(2)设置焊接COS数量、料盒及物料编号等各项参数；

(3)开始运行，第一相机27拍照热沉20的定位边线，计算定位点位置及边线角度并补偿，保证第一取放装置31的中心与热沉20的中心重合，定位传感器30(激光位移传感器)测量热沉20的高度尺寸并补偿，避免第一取放装置31下压时压伤热沉20。

(4)第一取放装置31根据计算的定位点位置及边线角度调整姿态后，吸取热沉20。

(5)第一相机27拍照芯片21的定位边线，初步确认芯片21的位置。

(6)第二相机28二次拍照芯片21的前端及后端的定位边线，计算芯片21的前腔边线、中心点位置及角度确认芯片21的位置，保证第二取放装置29能够准确吸起芯片21。

(7)第二取放装置29根据计算的定位线、中心点位置及角度调整姿态后，吸取芯片21。

(8)芯片21运行到底部校准相机处拍照芯片21的前端及后端照片，再次计算芯片21的前腔边线、中心点位置及角度并补偿，进一步提高芯片21的定位精度。

(9)热沉20运行到底部校准相机处拍照热沉20边角，再次计算热沉20的边线位置及角度并补偿进一步提高热沉20定位精度。

(10)热沉20运行到激光焊接台1位置处，激光位移传感器测量台面高度尺寸并补偿，避免第一取放装置或第二取放装置上的吸嘴下压时压伤焊接台1。

(11)放置热沉20并真空吸附。

(12)第二相机28拍照热沉20焊料区前端部分，计算焊料区前端边线位置，确定芯片21与焊料区前端边线的相对位置；第二相机28分别拍照热沉20的焊料区右侧光刻线前端及后端，计算焊料区边线角度，确定芯片21长度方向与右侧光刻线平行。分步补偿各偏差值。

(13)第二取放装置29放置芯片21距热沉20焊料区上表面1mm处。氮气保护装置打开，保证焊接过程处于无氧环境，提高焊接质量。

(14)激光器开始预加热焊接台到180℃，保证热沉20与焊接台1的温度一致；放下芯片21到焊料上表面；继续升温到目标温度并保持5s，保证焊料完全熔化，与芯片21下表面充分接触、冷却。

(15)关闭激光发射器，降温至180℃时，氮气保护装置关闭，第二取放装置抬起。

(16)第二相机28拍照焊接后的COS前端，计算芯片21凸出量，记录并判断。

(17)第一取放装置31吸取COS成品，定位传感器30测量台面高度尺寸，确认吸取完成。

(18)第一相机27再次拍照确认后，放置COS到成品料盒内。定位传感器30测量COS上表面高度尺寸，确认放置完成。

(19)完成一支COS焊接并继续运行。

步骤(3)-(4)对应上述1-1视觉定位准确吸取热沉20。

步骤(5)-(7)对应上述1-2视觉定位准确吸取芯片21。

步骤(8)对应上述2-1芯片21角度校准和计算坐标位置。

步骤(9)对应上述2-2热沉20角度校准和计算坐标位置。

步骤(10)-(11)对应上述3-1将热沉20放置到焊接台1上。

步骤(13)对应上述3-2将芯片21稳定的放置到热沉20上。

步骤(14)-(15)对应上述芯片焊接。

步骤(16)-(19)对应上述成品放回。

步骤(14)是分段加热的，每段温度曲线及加热时间、保温时间可根据生产工艺调整。相较于传统加热方式有电加热和光加热，光加热相比与激光加热，加热的效率低，加热时间慢；电加热需要铺设加热丝，激光加热比电加热更节约机械设计的空间，电加热如果故障维修起来，没有激光器的方便，电加热时间容易产生一些杂质影响焊接时候的空间洁净度，空间洁净度对于芯片21焊接的好坏有很大的影响。

步骤(15)降温温度值是软件控制，可根据生产工艺调整。降温阶段采用水冷却方式，降温速度快，效率高。相较于传统风冷却方式对洁净间的空气扰动几乎没有影响。

所述的步骤(3)-(19)各动作均是通过软件自动控制的，并通过视觉镜头精确定位。

在上述的过程中，所有数据均可以通过显示器37进行显示。

本发明的有益效果是：实现自动化生产，提高生产效率，降低运营成本，提升产品精度及质量稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。