激光共晶焊接裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光共晶焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光共晶焊接裝置及其方法，尤其適用于對溫度比較敏感的芯片和電子器件。
【背景技術(shù)】
[0002]在混合集成電路中，將半導(dǎo)體芯片貼裝到基板，管座和組合件等載體器件上，當(dāng)前主要采取兩種方法:一種是銀漿導(dǎo)電膠粘接，另一種是焊接。與導(dǎo)電膠粘接相比，共晶焊具有熱導(dǎo)率高、電阻小、傳熱快、可靠性強(qiáng)、粘接后剪切力大的優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻，大功率器件中芯片與基板，基板與管殼的互聯(lián)。對于有較高散熱要求的功率器件必須采用共晶焊接。共晶焊接是利用了共晶合金的特性來完成焊接工藝的。
[0003]在混合電路微組裝工藝過程中，真空/可控氣氛共晶爐是國內(nèi)外廣泛使用的設(shè)備，共晶焊時無需使用助焊劑，可抽真空并對氣氛進(jìn)行控制，減少共晶焊接空洞，同時能提供精確的工藝曲線，提高共晶焊接質(zhì)量。
[0004]焊接時熱損壞，熱應(yīng)力，濕度，顆粒以及沖擊或者振動是影響焊接效果的關(guān)鍵因素。熱損傷會影響薄膜器件的性能；濕度過高可能引起粘連，磨損，附著現(xiàn)象；無效的熱部件會影響熱的傳導(dǎo)。共晶時最常見的問題就是基座的溫度低于共晶溫度，這種情況下，焊料仍然能夠熔化，但是沒有足夠的溫度來擴(kuò)散芯片背面的鍍金層，而操作者容易誤認(rèn)為焊料熔化就是共晶了。另一方面，過長的時間來加熱基座會導(dǎo)致電路金屬的損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決常規(guī)共晶焊中為了保證共晶的充分而過長時間的加熱基座所導(dǎo)致的電路基板和金屬的損耗，為了避免過多加熱而導(dǎo)致的芯片失效，為了避免在多芯片電路中，芯片焊接之間的相互影響，本發(fā)明提供了一種激光加熱共晶焊的裝置，將受熱區(qū)域大大減少，避免對電路基板的重復(fù)加熱，且能夠?qū)崟r監(jiān)測共晶焊基座的溫度，并反饋給激光加熱源來實時調(diào)整激光輸出能量，確保精確的溫度曲線。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種激光共晶焊裝置，需要共晶焊的基座放置在一基臺上，放置共晶焊基座的地方鏤空，作為激光進(jìn)光口和激光測溫儀的窗口 ；吸嘴在真空發(fā)生器及氣管的作用下將共晶焊焊料和需要共晶焊的芯片拾取并放置在基座上，在共晶焊時對共晶焊芯片施加一定的壓力；一激光器，激光器發(fā)出的光束沿水平方向出射到一光束整形系統(tǒng)，將高斯分布的激光光束整形為能量均勻分布的平頂光束；一凹透鏡和一凸透鏡配合對激光光束擴(kuò)束準(zhǔn)直后再入射到一激光聚焦鏡上；一傾斜放置的激光光束和激光測溫儀光束的合束鏡，此合束鏡反射激光器出射的激光，將激光的傳播方向由水平改為豎直向上，照射在上述基臺鏤空窗口處，及需要共晶焊的基座上，激光輻照在此基座上的光斑尺寸與共晶焊芯片尺寸相匹配；上述合束鏡對激光測溫儀的光束波長透射，一激光測溫儀發(fā)出的激光透過上述合束鏡，照射到需要共晶焊的基座上，實時監(jiān)控基座的溫度并反饋給激光器，進(jìn)而實時控制激光器出射激光的能量，來實現(xiàn)精確的溫度的曲線。所有的光束外圍都安裝有光束防塵罩。
[0008]一種激光共晶焊接方法，在真空發(fā)生器及氣管的作用下，吸嘴拾取并放置共晶焊基座，共晶焊焊料，共晶焊芯片在鏤空基臺上，需要共晶焊接的部分位于鏤空處，在焊接過程中吸嘴對共晶焊芯片施加一定的壓力。激光器出射的激光光束入射到光束整形系統(tǒng)之后，激光能量密度高斯分布的激光光束成為激光能量密度均勻的平頂光束，再入射到一對凹凸透鏡上，對激光光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直之后，入射到激光聚焦鏡上，開始會聚的激光光束入射到激光光束和激光測溫儀光束的合束鏡上，合束鏡反射激光光束，使激光光束透過鏤空基臺輻照在需要共晶焊的基座上，對其進(jìn)行加熱，實現(xiàn)激光加熱共晶。激光測溫儀光束透過合束鏡，照射到需要共晶焊的基座上，測量基座的溫度，并反饋給激光器，實時調(diào)整激光器輸出能量的大小，以保證精確的溫度曲線，提高共晶焊質(zhì)量。
[0009]一種激光共晶焊裝置，需要共晶焊的基座放置在一透明基臺上，此基臺對下述所用激光波長和激光測溫儀波長透明；一吸嘴通過氣管與外部一真空發(fā)生器連接，該吸嘴將焊料和需要共晶焊的芯片拾取并放置在基座上，并在共晶焊接時對共晶焊芯片施加一定的壓力；一激光器，激光器發(fā)出的光束沿水平方向出射到一光束整形系統(tǒng)，將高斯分布的激光整形為能量均勻分布的平頂光束，并配合一聚焦鏡將激光光斑尺寸與共晶焊芯片尺寸相匹配；在上述聚集鏡之前放置一傾斜放置的分光鏡，將激光光束分為兩束，一束按照激光光束原來的傳播方向垂直入射到一凹透鏡和凸透鏡上，凹透鏡和凸透鏡配合共同起到擴(kuò)束準(zhǔn)直的作用，使得激光光束發(fā)散角更小，提高光束的方向性；經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直的激光光束入射到聚焦鏡上，使光束會聚，然后入射到一傾斜放置的合束鏡，此合束鏡反射激光器出射的光，將激光的傳播方向由水平改為豎直向上，透過上述透明的基臺，照射在需要共晶焊的基座上；上述合束鏡對激光測溫儀的光束波長透射，一激光測溫儀通過上述合束鏡，透過上述透明基臺，照射在需要共晶焊的基座上，實時監(jiān)控基座的溫度并反饋給激光器，進(jìn)而實時控制激光器出射激光的能量，來實現(xiàn)精確的溫度曲線；上述分光鏡反射分光的另一激光光束豎直向上傳播，經(jīng)過一反射鏡后改為水平傳播，再經(jīng)過一反射鏡后豎直向下傳播，入射到一空心軸電機(jī)內(nèi)?？招妮S電機(jī)的固定部分與光路防塵罩連接，固定光路防塵罩；空心軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分與一旋轉(zhuǎn)部件連接，帶動旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)部有兩塊激光反射鏡，第一塊激光反射鏡使豎直向下傳播的光傳播到第二塊反射鏡上，第二塊反射鏡反射的光入射到一聚焦鏡上，然后聚焦到吸嘴上，對吸嘴加熱，吸嘴將熱量傳播到共晶焊芯片上，這樣可以實現(xiàn)對共晶焊基座和共晶焊芯片同時加熱，共同保證共晶焊接溫度的均勻性和準(zhǔn)確性。上述吸嘴通過一軸承固定在空心軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分上，能夠保證在空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動時吸嘴保持固定不動，并對芯片施加一定的壓力，保證共晶焊接的充分。
[0010]一種激光共晶焊接方法，激光器發(fā)出的激光光束入射到光束整形系統(tǒng)上，激光能量密度高斯分布的激光光束成為能量密度均勻的平頂光束，經(jīng)過一激光分光片，將激光分為兩束，一束按照原來的方向入射到凹透鏡，凸透鏡和激光聚焦鏡后，會聚的激光光束通過合束鏡的反射，透過透明基臺，輻照在需要共晶焊的基座上，對其進(jìn)行加熱實現(xiàn)共晶；另一束光豎直向上傳播，經(jīng)過兩片反射鏡后，激光光束豎直向下入射到一空心軸電機(jī)內(nèi)，光束防塵罩固定在空心軸電機(jī)的固定部分，空心軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分則與一旋轉(zhuǎn)部件固定連接，空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)包括兩片反射鏡和一片聚焦鏡，第一片反射鏡將入射到空心軸電機(jī)內(nèi)部的激光光束反射到第二片反射鏡上，第二片反射鏡將激光光束反射到垂直入射到聚焦鏡上，通過聚焦鏡后，會聚的激光光束入射到吸嘴上。吸嘴通過軸承固定在空心軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分上，在空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動的同時保證吸嘴不動，且對共晶焊芯片施加一定的壓力。共晶焊芯片的氣管傳過空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)動部分內(nèi)部而與真空發(fā)生器相連接。旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動使得激光光束也隨之旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對吸嘴圓周進(jìn)行掃描加熱，吸嘴將熱量傳導(dǎo)至共晶焊芯片上，至此，實現(xiàn)了對共晶焊芯片和共晶焊基座同時加熱進(jìn)行共晶，確保共晶焊過程的溫度的