激光共晶焊接装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光共晶焊接技术领域，涉及一种激光共晶焊接装置及其方法，尤其适用于对温度比较敏感的芯片和电子器件。
【背景技术】
[0002]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，当前主要采取两种方法: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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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，本发明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，且能够实时监测共晶焊基座的温度，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。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案来实现:
[0007]一种激光共晶焊装置，需要共晶焊的基座放置在一基台上，放置共晶焊基座的地方镂空，作为激光进光口和激光测温仪的窗口 ；吸嘴在真空发生器及气管的作用下将共晶焊焊料和需要共晶焊的芯片拾取并放置在基座上，在共晶焊时对共晶焊芯片施加一定的压力；一激光器，激光器发出的光束沿水平方向出射到一光束整形系统，将高斯分布的激光光束整形为能量均匀分布的平顶光束；一凹透镜和一凸透镜配合对激光光束扩束准直后再入射到一激光聚焦镜上；一倾斜放置的激光光束和激光测温仪光束的合束镜，此合束镜反射激光器出射的激光，将激光的传播方向由水平改为竖直向上，照射在上述基台镂空窗口处，及需要共晶焊的基座上，激光辐照在此基座上的光斑尺寸与共晶焊芯片尺寸相匹配；上述合束镜对激光测温仪的光束波长透射，一激光测温仪发出的激光透过上述合束镜，照射到需要共晶焊的基座上，实时监控基座的温度并反馈给激光器，进而实时控制激光器出射激光的能量，来实现精确的温度的曲线。所有的光束外围都安装有光束防尘罩。
[0008]一种激光共晶焊接方法，在真空发生器及气管的作用下，吸嘴拾取并放置共晶焊基座，共晶焊焊料，共晶焊芯片在镂空基台上，需要共晶焊接的部分位于镂空处，在焊接过程中吸嘴对共晶焊芯片施加一定的压力。激光器出射的激光光束入射到光束整形系统之后，激光能量密度高斯分布的激光光束成为激光能量密度均匀的平顶光束，再入射到一对凹凸透镜上，对激光光束进行扩束准直之后，入射到激光聚焦镜上，开始会聚的激光光束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，使激光光束透过镂空基台辐照在需要共晶焊的基座上，对其进行加热，实现激光加热共晶。激光测温仪光束透过合束镜，照射到需要共晶焊的基座上，测量基座的温度，并反馈给激光器，实时调整激光器输出能量的大小，以保证精确的温度曲线，提高共晶焊质量。
[0009]一种激光共晶焊装置，需要共晶焊的基座放置在一透明基台上，此基台对下述所用激光波长和激光测温仪波长透明；一吸嘴通过气管与外部一真空发生器连接，该吸嘴将焊料和需要共晶焊的芯片拾取并放置在基座上，并在共晶焊接时对共晶焊芯片施加一定的压力；一激光器，激光器发出的光束沿水平方向出射到一光束整形系统，将高斯分布的激光整形为能量均匀分布的平顶光束，并配合一聚焦镜将激光光斑尺寸与共晶焊芯片尺寸相匹配；在上述聚集镜之前放置一倾斜放置的分光镜，将激光光束分为两束，一束按照激光光束原来的传播方向垂直入射到一凹透镜和凸透镜上，凹透镜和凸透镜配合共同起到扩束准直的作用，使得激光光束发散角更小，提高光束的方向性；经过扩束准直的激光光束入射到聚焦镜上，使光束会聚，然后入射到一倾斜放置的合束镜，此合束镜反射激光器出射的光，将激光的传播方向由水平改为竖直向上，透过上述透明的基台，照射在需要共晶焊的基座上；上述合束镜对激光测温仪的光束波长透射，一激光测温仪通过上述合束镜，透过上述透明基台，照射在需要共晶焊的基座上，实时监控基座的温度并反馈给激光器，进而实时控制激光器出射激光的能量，来实现精确的温度曲线；上述分光镜反射分光的另一激光光束竖直向上传播，经过一反射镜后改为水平传播，再经过一反射镜后竖直向下传播，入射到一空心轴电机内。空心轴电机的固定部分与光路防尘罩连接，固定光路防尘罩；空心轴电机的转动部分与一旋转部件连接，带动旋转部件转动。旋转部件内部有两块激光反射镜，第一块激光反射镜使竖直向下传播的光传播到第二块反射镜上，第二块反射镜反射的光入射到一聚焦镜上，然后聚焦到吸嘴上，对吸嘴加热，吸嘴将热量传播到共晶焊芯片上，这样可以实现对共晶焊基座和共晶焊芯片同时加热，共同保证共晶焊接温度的均匀性和准确性。上述吸嘴通过一轴承固定在空心轴电机的转动部分上，能够保证在空心轴电机转动时吸嘴保持固定不动，并对芯片施加一定的压力，保证共晶焊接的充分。
[0010]一种激光共晶焊接方法，激光器发出的激光光束入射到光束整形系统上，激光能量密度高斯分布的激光光束成为能量密度均匀的平顶光束，经过一激光分光片，将激光分为两束，一束按照原来的方向入射到凹透镜，凸透镜和激光聚焦镜后，会聚的激光光束通过合束镜的反射，透过透明基台，辐照在需要共晶焊的基座上，对其进行加热实现共晶；另一束光竖直向上传播，经过两片反射镜后，激光光束竖直向下入射到一空心轴电机内，光束防尘罩固定在空心轴电机的固定部分，空心轴电机的转动部分则与一旋转部件固定连接，空心轴电机转动带动旋转部件转动。旋转部件内包括两片反射镜和一片聚焦镜，第一片反射镜将入射到空心轴电机内部的激光光束反射到第二片反射镜上，第二片反射镜将激光光束反射到垂直入射到聚焦镜上，通过聚焦镜后，会聚的激光光束入射到吸嘴上。吸嘴通过轴承固定在空心轴电机的转动部分上，在空心轴电机转动的同时保证吸嘴不动，且对共晶焊芯片施加一定的压力。共晶焊芯片的气管传过空心轴电机转动部分内部而与真空发生器相连接。旋转部件的转动使得激光光束也随之旋转，从而实现对吸嘴圆周进行扫描加热，吸嘴将热量传导至共晶焊芯片上，至此，实现了对共晶焊芯片和共晶焊基座同时加热进行共晶，确保共晶焊过程的温度的