專利名稱：基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微器件焊接方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，特指基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法及裝置，通過(guò) 激光作用在工件表面產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力使得工件碰撞基體，在碰撞界面處產(chǎn)生高溫高壓從而實(shí) 現(xiàn)工件和基體的焊接，適用于金屬微電子器件的快速精確焊接。
背景技術(shù)：
微電子器件的焊接是焊接領(lǐng)域的一種高端技術(shù)，由于微電子器件在航空航天、通訊、精 密儀器和國(guó)防等各種應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用于越來(lái)越廣泛，使得微電子器件的焊接成為工業(yè)生產(chǎn)中 一項(xiàng)非常重要的工藝技術(shù)。微電子器件焊接的對(duì)象是一些細(xì)小的元件和金屬薄膜，對(duì)于焊接 精度和工藝參數(shù)要求比較高，因此焊接難度大，而焊接質(zhì)量的好壞又直接影響到微電子器件 的可靠性和穩(wěn)定性，這迫使人們?cè)絹?lái)越關(guān)注微電子器件的焊接工藝。
目前微電子器件焊接的主要方法有釬焊、熔焊、壓焊、超聲波焊、激光焊接等。其中 釬焊的方法是在焊接體之間利用熱源熔化一種低熔點(diǎn)的材料，實(shí)現(xiàn)工件和基體的過(guò)渡焊接， 但是這種方法引入的低熔點(diǎn)材料與工件及基體的材料性質(zhì)不同，在通電時(shí)由于器件電阻不均 勻容易出現(xiàn)局部過(guò)熱的現(xiàn)象。熔焊主要有電阻熔焊、等離子弧焊、電子束焊等，電阻熔焊需 要在局部加熱，溫度過(guò)高會(huì)影響電子器件的使用性能甚至損壞；等離子弧焊接的成本較高同 時(shí)對(duì)于焊接控制的精度要求也高；電子束焊接則需要在真空環(huán)境中進(jìn)行，限制了其使用范圍。 壓焊有冷壓焊和熱壓焊，冷壓焊要求工件與基體之間必須發(fā)生明顯的形變，對(duì)微電子器件的 形狀精度影響很大，而熱壓焊容易造成微電子器件的熱損傷。超聲波焊接時(shí)的振幅比較大， 容易使得工件變形，局限了微型化應(yīng)用。激光焊接是一種比較先進(jìn)的微焊接工藝，但目前的 激光焊接主要是利用激光的熱作用熔化材料實(shí)現(xiàn)焊接，也有較大的局限性。
經(jīng)檢索目前國(guó)內(nèi)外極少有利用激光動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行焊接的專利報(bào)道，公開號(hào)CN1757480的 專利介紹了一種激光沖擊爆炸焊接的方法和裝置，其方法是利用激光引爆炸藥使復(fù)合層高速撞擊工件，在撞擊處引起材料濺射形成焊接，但是存在以下問(wèn)題
1. 炸藥爆炸產(chǎn)生的能量難以精確控制，而且爆炸過(guò)程的重復(fù)性很差，使得焊接工藝參 數(shù)不穩(wěn)定。
2. 受到炸藥體積的限制，難以實(shí)現(xiàn)微器件的焊接。
3. 由于炸藥爆炸存在壓力最小臨界閥值，限制了焊接的應(yīng)用范圍。
4. 對(duì)環(huán)境造成污染，爆炸后的氣體對(duì)人體也有一定的危害。
5. 自動(dòng)化化程度不夠高，不利于大批量加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法及裝置，其特征在于 利用高精度可控的單脈沖激光作用于工件表面產(chǎn)生爆炸等離子體，等離子體迅速膨脹產(chǎn)生作 用力，推動(dòng)工件高速運(yùn)動(dòng)，工件飛行一段距離后與基體發(fā)生碰撞，在撞擊界面產(chǎn)生高溫高壓， 使得工件與基體之間達(dá)到熔化焊、壓力焊、擴(kuò)散焊、射流等綜合焊接效果。
實(shí)施本發(fā)明的裝置包括計(jì)算機(jī)、激光器、反射偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、聚焦透鏡、聚焦透鏡支架、聚 焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)、聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器、第一夾持器、第二夾持器、旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)、步進(jìn) 電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、三維移動(dòng)工作臺(tái)、三維移動(dòng)工作臺(tái)控制器；計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)出 脈沖激光，激光依次傳遞到反射偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、聚焦透鏡；聚焦透鏡通過(guò)聚焦透鏡支架與聚焦透 鏡移動(dòng)平臺(tái)連接，聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)與聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器相連接；聚焦透鏡的正下方 是三維移動(dòng)工作臺(tái)，三維移動(dòng)工作臺(tái)與三維移動(dòng)工作臺(tái)控制器相連；安裝在旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)左右 兩側(cè)的夾持器的其中一個(gè)位于聚焦透鏡的正下方，位于三維移動(dòng)工作臺(tái)之上，旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)上 安裝步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器相連接。
本發(fā)明是按下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 (1)利用計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)出單脈沖激光，激光與工件表面作用時(shí)產(chǎn)生爆炸等離子 體，等離子體推動(dòng)工件飛行一段距離后與基體高速碰撞，激光能量和脈沖時(shí)間都由計(jì)算機(jī) 精確控制，根據(jù)不同的焊接要求輸出合適的脈沖激光，可以控制工件飛行的速度，達(dá)到最佳焊接質(zhì)量。
(2) 利用聚焦透鏡支架固定聚焦透鏡，通過(guò)聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器精確控制聚焦透 鏡移動(dòng)平臺(tái)的上下移動(dòng)，帶動(dòng)聚焦透鏡支架上聚焦透鏡上下移動(dòng)，可以獲得不同大小的激 光光斑，從而滿足不同大小的微電子器件的焊接。
(3) 利用夾持器能夠準(zhǔn)確輸送工件到激光焊接的區(qū)域，并且夾持器不影響工件在受到
激光作用后高速飛行的能力。
(4) 控制旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，使其一側(cè)的夾持器輸送工件進(jìn)入焊接區(qū)域，另外一 側(cè)的夾持器同時(shí)迸行待加工工件裝夾，焊接區(qū)域的焊接完成后，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器控制 步進(jìn)電機(jī)精確動(dòng)作，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得待加工工件進(jìn)入焊接區(qū)。
(5) 基體放置于三維移動(dòng)工作臺(tái)，通過(guò)三維移動(dòng)工作臺(tái)保證基體的位置精度，調(diào)節(jié)三 維移動(dòng)工作臺(tái)控制器獲得工件與基體間焊接所需要的最佳碰撞距離；另外，調(diào)節(jié)三維移動(dòng) 工作臺(tái)上基體位置的移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)基體上不同位置的焊接，增強(qiáng)了焊接的柔性。
(6) 工件高速碰撞基體后，工件與基體碰撞界面產(chǎn)生高壓高溫，使得工件與焊接界面上 發(fā)生熔化悍、壓力焊、擴(kuò)散焊、射流等綜合焊接效果。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的基于激光動(dòng)態(tài)壓力的微電子器件焊接裝置示意圖。 圖2是循環(huán)輸送工件的工作示意圖。
(l)計(jì)算機(jī)，(2)激光器，(3)反射偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，(4)聚焦透鏡，(5)聚焦透鏡支架，(6)聚焦 透鏡移動(dòng)平臺(tái)，(7)聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器，(8)待加工工件，(9)第一夾持器，(IO)三維 移動(dòng)工作臺(tái)控制器，(ll)步進(jìn)電機(jī)控制器，(12)步進(jìn)電機(jī)，(13)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)，(14)第二夾持 器，(15)工件，(16)基體，(17)三維移動(dòng)工作臺(tái)
具體實(shí)施方式
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本發(fā)明提出的飛片驅(qū)動(dòng)式激光微焊接裝置如圖1所示，整個(gè)焊接裝置由17個(gè)部分組 成。實(shí)施過(guò)程具體如下，以直徑為lmm厚度為lOym的鋁箔工件和直徑為4ram厚度為50ym的鋁箔基體焊接為例。
結(jié)合圖1，先進(jìn)行工件15和基體16材料的準(zhǔn)備，利用飛秒激光切割成焊接所需要 的外形，即直徑為l咖厚度為10ym的鋁箔工件15和直徑為4鵬厚度為50ym的鋁箔基 體16，退火處理后用無(wú)水酒精清洗表面，待干燥后用兩塊平面K9玻璃壓平整。
然后利用步進(jìn)電機(jī)控制器11控制步進(jìn)電機(jī)12動(dòng)作，使得旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)13轉(zhuǎn)動(dòng)到一 定位置，以保證有足夠空間實(shí)現(xiàn)工件15被第二夾持器14夾持，再利用步進(jìn)電機(jī)控制器ll 控制步進(jìn)電機(jī)12帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)13轉(zhuǎn)動(dòng)，使得第二夾持器14將工件15輸送到聚焦透鏡 4下方的加工區(qū)域。
打開激光器2，利用計(jì)算機(jī)1控制激光器2發(fā)出一束調(diào)試光，調(diào)試光經(jīng)過(guò)反射偏轉(zhuǎn) 系統(tǒng)3傳遞到聚焦透鏡4，照射到工件15上，此時(shí)利用聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器7精確控 制聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)6的上下移動(dòng)，聚焦透鏡支架5和聚焦透鏡4的位置也同步變化，以 獲得焊接所需要的光斑大小，然后關(guān)閉激光器2發(fā)出的調(diào)試光。
通過(guò)三維移動(dòng)工作臺(tái)控制器10將三維移動(dòng)工作臺(tái)17的位置下降，在三維移動(dòng)工作 臺(tái)17上表面中間放置基體16，再調(diào)節(jié)三維移動(dòng)工作臺(tái)17使得基體16與工件15之間保持 一定焊接距離。
利用計(jì)算機(jī)l使得激光器2發(fā)出焊接需要的脈沖激光能量，激光輻射工件15表面后 誘發(fā)的爆炸等離子體工件15高速飛向基體16，在接觸界面實(shí)現(xiàn)工件15和基體16的焊接。
結(jié)合圖2，在工件15與基體16焊接結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)控制器11控制步進(jìn)電機(jī)12動(dòng) 作，使得旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)13轉(zhuǎn)動(dòng)180度，把第一夾持器9上的待加工工件8輸送到焊接區(qū)域， 同時(shí)第二夾持器14進(jìn)行第二次裝夾。
綜上所述，本發(fā)明所涉及的基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法及裝置，將 激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力應(yīng)用到微焊接工藝中，能夠?qū)ξ㈦娮悠骷M(jìn)行焊接，彌補(bǔ)了 常規(guī)微電子器件焊接方法的不足，也完善了微電子器件的焊接工藝。本發(fā)明的系統(tǒng)控制精度 高、工藝簡(jiǎn)單，焊接穩(wěn)定性好，特別適于微細(xì)電子器件的加工和自動(dòng)化生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法，其特征在于利用高精度可控的脈沖激光與工件表面作用產(chǎn)生爆炸等離子體，等離子體迅速膨脹產(chǎn)生作用力，推動(dòng)工件高速運(yùn)動(dòng)與基體發(fā)生碰撞，在撞擊界面產(chǎn)生高溫高壓使得工件與基體之間實(shí)現(xiàn)焊接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法，其特征在于 激光能量和脈沖時(shí)間都由計(jì)算機(jī)精確控制，根據(jù)不同的焊接要求輸出合適的脈沖激光，控制 工件飛行的速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法，其特征在于-通過(guò)聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器精確控制聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)的上下移動(dòng)，帶動(dòng)聚焦透鏡支架上 聚焦透鏡的上下移動(dòng)，獲得不同大小的激光光斑，從而滿足不同大小的微電子器件的焊接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法，其特征在于 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)一側(cè)的第二夾持器輸送工件進(jìn)入焊接區(qū)域后，另外一側(cè)的第一夾持器同時(shí)進(jìn)行 待加工工件的裝夾，焊接區(qū)域的焊接完成后，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)精確動(dòng)作， 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得待加工工件進(jìn)入焊接區(qū)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法，其特征在于 基體放置于三維移動(dòng)工作臺(tái)，通過(guò)三維移動(dòng)工作臺(tái)保證基體的位置精度，調(diào)節(jié)三維移動(dòng)工 作臺(tái)控制器獲得工件與基體間焊接所需要的撞擊距離；另外，調(diào)節(jié)三維移動(dòng)工作臺(tái)上基體 位置的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基體上不同位置的焊接。
6.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求l所述的基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法的裝置，其特征在于裝置包括計(jì)算機(jī)、激光器、反射偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、聚焦透鏡、聚焦透鏡支架、聚焦透鏡移動(dòng) 平臺(tái)、聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器、第一夾持器、第二夾持器、旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)、歩進(jìn)電機(jī)、步進(jìn) 電機(jī)控制器、三維移動(dòng)工作臺(tái)、三維移動(dòng)工作臺(tái)控制器；計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)出脈沖激光， 激光依次傳遞到反射偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、聚焦透鏡；聚焦透鏡通過(guò)聚焦透鏡支架與聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái) 連接，聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)與聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器相連接；聚焦透鏡的正下方是三維移動(dòng) 工作臺(tái)，三維移動(dòng)工作臺(tái)與三維移動(dòng)工作臺(tái)控制器相連；安裝在旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)左右兩側(cè)的夾持 器的其中一個(gè)位于聚焦透鏡的正下方，位于三維移動(dòng)工作臺(tái)之上，旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)上安裝步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，特指基于激光動(dòng)態(tài)壓力的一種微電子器件焊接方法及裝置，通過(guò)激光作用在工件表面產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力使得工件碰撞基體，在碰撞界面處形成高溫高壓區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)工件和基體的焊接，其裝置由計(jì)算機(jī)、激光器、反射偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、聚焦透鏡、聚焦透鏡支架、聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)、聚焦透鏡移動(dòng)平臺(tái)控制器、夾持器、旋轉(zhuǎn)進(jìn)給臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、三維移動(dòng)工作臺(tái)、三維移動(dòng)工作臺(tái)控制器組成，利用了計(jì)算機(jī)精確控制激光能量和脈沖時(shí)間，實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)工件速度的可控，從而控制工件與基體的碰撞速度。本發(fā)明將激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力應(yīng)用到微焊接工藝中，能夠?qū)ξ㈦娮悠骷M(jìn)行焊接，彌補(bǔ)了常規(guī)微電子器件焊接方法的不足。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101298115SQ20081002064
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者劉會(huì)霞, 明 周, 張惠中, 昆 楊, 勻 王, 霄 王, 蘭 蔡 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)