CN112059352A - 一种用于焊接元件的多模块封装真空炉及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于焊接元件的多模块封装真空炉，包括真空腔、治具、升降装置、移动挡板机构、加热机构、水冷机构、阀泵机构以及控制装置；所述升降装置、移动挡板机构、加热机构、水冷机构和阀泵机构与控制装置通讯连接。本申请还提供了一种上述真空炉的使用方法，步骤为,按照从下往上的顺序将多层治具放入腔体；对腔体内部抽真空，挡板伸出形成遮挡状态；当腔体内的真空度达到激活真空度时，下加热载台升温到激活温度保持第一时间段，腔体降到安全温度后，挡板复位，回到归位状态；所述升降装置下降到最低点，管壳治具层和锗窗治具层紧贴，加热至焊接温度；焊接完成后，从管壳治具层上取下焊接好的元件。本申请实现了多模块的高效功能。

Description

一种用于焊接元件的多模块封装真空炉及其使用方法

技术领域

本申请涉及焊接元件的真空炉领域，尤其是指一种用于焊接元件的多模块封装真空炉。

背景技术

现有技术中焊接元件时使用的封装真空炉，多采用的结构模式为单一模块结构和小腔体结构：即封装件摆放治具为一体，小面积为主的结构，真空腔体内部空间较小，多以圆桶形状为主；

现有技术中的结构多无法满足同一进程不同温度的焊接工艺单层小面积治具焊接；比如，当进行带有GETTER吸气剂激活过程的真空焊接操作，如在MEMS器件封装、PGA芯片的封装时，焊接元件的锗窗部上涂有GETTER吸气剂，管壳部上涂有焊料，而GETTER吸气剂的激活需要在360℃的温度下保持20分钟，如果将温度直接达到360℃，那么在热激活过程中就达到了焊料的熔点，焊料就会融化。

同时，在多层大面积治具焊接时，也会因为平面度不够而无法满足局部区域紧密贴合，导致温度均匀性等一系列问题；同时，小腔体结构虽然便于达到真空效果，但也限制了腔内治具的大小，每次封装件个数很少，不能满足量产化的需求，而且成本较高；

另外，现有的真空封装设备多采用吹气冷却方式，冷却速率较低；不能充分满足同工艺下不同产品的兼容；现有的真空封装设备还存在真空抽口尺寸小，不能满足快速抽到高真空的问题，以及真空腔和真空泵之间往往通过管路连接，抽真空的过程中会使得氮气分布不均匀等问题。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供一种用于焊接元件的多模块封装真空炉，包括真空腔、治具、升降装置、移动挡板机构、加热机构、水冷机构、阀泵机构以及控制装置；其中，所述升降装置、移动挡板机构、加热机构、水冷机构和阀泵机构与控制装置通讯连接；

所述真空腔包括盖体和腔体；

所述加热机构包括设置在盖体上的上加热部件以及设置在腔体内部的下加热载台；

所述治具设置在下加热载台上方，所述治具包括三层结构，从下向上依次为用于放置焊接元件锗窗部的锗窗治具层、用于放置焊接元件管壳部的管壳治具层以及用于放置重力块的重力块治具层，设置治具的三层结构在水平方向上并排紧靠；所述管壳治具层与升降装置固定连接，管壳治具层在升降装置的带动下能够在垂直方向上进行远离和贴靠锗窗治具层的运动；

所述移动挡板机构包括挡板驱动装置和挡板,所述挡板驱动装置能够带动挡板在水平方向上运动；其中，所述挡板在垂直方向的位置高于锗窗治具层，低于升降装置升到最高点时的管壳治具层；

当挡板驱动装置带动所述挡板在水平方向上达到最大行程时，挡板为遮挡状态，此时挡板能够阻挡所述下隔热载台对管壳治具层的热传导；当挡板驱动装置带动挡板复位时，挡板为归位状态，此时所述挡板与治具在垂直方向上的投影没有重叠部分。

其中，优选的，所述治具设置为多组。

其中，优选的，所述所述治具设置为并列对称的四组，每组治具大小相同。

其中，优选的，所述阀泵机构包括高真空插板阀，分子泵、主抽阀、充/放气阀以及真空接口，其中，所述主抽阀设置在腔体底部中心处，所述主抽阀与分子泵连接，所述主抽阀设置为大口径。

其中，优选的，所述水冷机构包括盖体外壳水冷、腔体外壳水冷、腔体内部水冷、动密封水冷以及泵水冷。

其中，优选的，所述锗窗治具层的顶部设置有用于放置元件的锗窗部的锗窗焊接限位槽，焊接时，元件的锗窗部平放在锗窗焊接限位槽内；所述管壳治具层与锗窗焊接限位槽对应的位置设置有用于放置元件的管壳部的管壳焊接限位槽孔，所述管壳焊接限位槽孔用于放置元件的管壳部，其中，所述管壳焊接限位槽孔的孔洞面积略大于管壳部的面积；所述管壳焊接限位槽孔的孔洞底部内缩，使孔洞底部的面积略大于元件锗窗部的面积，同时略小于管壳部的面积。

其中，优选的，所述升降装置还包括支撑板，所述治具设置在支撑板上方，所述锗窗治具层的四周设置有通孔，所述管壳治具层的底部设置有支柱，所述支柱穿过锗窗治具层的通孔与支撑板固定连接。

其中，优选的，所述移动挡板机构设置在治具两侧，两侧的挡板处于同一水平面，当挡板驱动装置的行程达到最大时，两侧挡板能够拼合在一起，形成对管壳治具层的隔热。

本申请还提供一种使用如上所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉的方法，所述方法的步骤为：

S10,将焊接元件的锗窗部放置在锗窗治具层，焊接元件的管壳部放置在管壳治具层，将重力块放置在重力块治具层，按照从下往上依次为锗窗治具层、管壳治具层、重力块治具层的顺序将治具放入腔体；

S11,盖体闭合，对腔体内部抽真空，升降装置带动管壳治具层和重力块治具升到最高点后，挡板伸出形成遮挡状态；

S12，当腔体内的真空度压强达到10^-4Pa，下加热载台开始加热，下加热载台升温到激活温度保持第一时间段，在吸气剂被激活后，腔体进行冷却，降到安全温度后，挡板复位，回到归位状态；

S13，所述升降装置下降到最低点，管壳治具层和锗窗治具层紧贴，此时上加热部件和下加热载台同时加热，加热至焊接温度，进行元件锗窗部和管壳部之间的焊接；

S14,焊接完成后进行冷却，冷却至室温后，打开盖体，从管壳治具层上取下焊接好的元件。

本申请实现的有益效果如下：

本申请实现了焊接区域划分，可适用同一工艺，不同治具（不同产品）的焊接。解决多层治具的产品焊接温度均匀性问题，分成小块，增加局部区域的平面度，焊接过程中，工件与加热载台充分接触，增加接触面积。解决同一进程不同温度的焊接，特别适用带GETTER吸气剂激活的焊接，多用于MEMS器件封装、PGA芯片的封装工艺。多层治具可升降，在多层治具互相分离开到一定距离时，该真空炉配置了可以旋转的挡板机构，完成两层治具不能温度的分割。底部或者顶部温度设置为高温，挡板可以进行隔热，保护另外一侧的治具在相对低温下，而在高温工艺完成之后，挡板可以收回，治具下降，就能在同一流程中完成低温工艺的焊接。多层治具，与挡板机构配合完成GETTER吸气剂高温热激活，避免该过程中焊料因高温而融化。多层治具设有重力块治具，具有导向作用，使用重力块压在工件正中心位置，使工件焊接时贴合更加紧密，达到更好的焊接效果。为后续自动化改造做好准备，四组治具均可用机械手抓取。加热载台配置冷水***，对加热载台采用水冷方式，同时再配合真空腔内部的气体冷却***，可以达到比单纯气冷更好的冷却效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的用于焊接元件的多模块封装真空炉的立体图。

图2为本申请的多模块封装真空炉的俯视图（无盖）。

图3为本申请的治具和升降装置的结构图。

图4为本申请治具中的管壳治具层的结构图。

图5A为本申请挡板处于归位状态时挡板与治具之间的位置结构图。

图5B为本申请挡板处于遮挡状态时挡板与治具之间的位置结构图。

图6为本申请移动挡板机构的立体结构图。

图7为本申请的整体水冷机构的一个实施例。

图8为本申请的多模块封装真空炉的一个具体应用实施例。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

如图1-图8所示，本申请提供一种用于焊接元件的多模块封装真空炉，包括真空腔1、治具2、移动挡板机构3、加热机构、水冷机构、真空机构以及控制装置；

如图1所示，所述真空腔1包括盖体11和腔体12，所述盖体11和腔体12相互铰接，通过设置在真空腔外部的电动推杆13对盖体11的推动，盖体11能够实现打开和关闭；

其中，如图1和图2所示，所述加热机构包括上加热部件111和下加热载台121；所述上加热部件111设置在盖体11上，所述下加热载台121设置在腔体12内部；

所述腔体12内部还设置有治具2和升降装置122，所述升降装置122与治具2固定连接，所述升降装置122设置在治具2下方；其中，如图3所示，所述治具2设置有并排紧靠的三层结构：从下向上依次为锗窗治具层21、管壳治具层22以及重力块治具层23；本实施例中，在治具的两侧分别各设置有一个升降装置，所述升降装置122包括导向轴1222、升降丝杆1223以及升降电机1225，为了在运动时的密封，在升降电机和升降丝杆之间还使用了动密封装置1224；

所述升降装置还包括支撑板1221，所述支撑板1221的两端与治具两侧的升降丝杠1223固定连接，所述治具2设置在支撑板1221上方，所述锗窗治具层21的四周设置有通孔，所述管壳治具层22的底部设置有支柱221，所述支柱221穿过锗窗治具层21的通孔与支撑板1221固定连接；

为了保持稳定，设置与地面的方向为水平方向，所述支撑板所在的平面、治具所在平面相互平行且都为水平方向；所述升降装置的导向轴和丝杠与水平方向垂直，所述升降装置在丝杠的方向运动，设置升降装置运动的方向为垂直方向；

通过上述设置，当所述升降装置122向上运动时，锗窗治具层21保持位置不变，由于升降装置的带动在垂直方向上，管壳治具层22和重力块治具层23能够进行贴靠和远离锗窗治具层21的运动；

其中，所述锗窗治具层21的顶部设置有锗窗焊接限位槽211，所述锗窗焊接限位槽211用于放置元件的锗窗部，焊接时，元件的锗窗部平放在锗窗焊接限位槽211内，在锗窗部顶面的四周涂有焊料，在焊料围合成的内部区域涂有吸气剂；

如图4所示，所述管壳治具层22与锗窗焊接限位槽211对应的位置设置有管壳焊接限位槽孔222，所述管壳焊接限位槽孔222用于放置元件的管壳部，其中，所述管壳焊接限位槽孔222的孔洞面积略大于管壳部的面积，用于放平管壳部；同时，所述管壳焊接限位槽孔222的孔洞底部内缩，使孔洞底部的面积略小于管壳部的面积，用于管壳治具层升起后管壳部的卡位；另外，所述孔洞底部的面积还应略大于元件锗窗部的面积，用于在元件的锗窗部和管壳部相互焊接完成后，能够从上方的锗窗焊接限位槽222上取下焊接好的元件；

所述重力块治具层23在对应管壳焊接限位槽孔222的位置上，设置有重力块槽孔231，所述重力块槽孔231用于放置重力块，所述重力块用于压迫管壳焊接限位槽孔222内的元件管壳部，当元件的管壳部下降，和锗窗部相互接触进行焊接时，重力块使得管壳部能够向下受力，加固焊接，重力块压在工件正中心位置，使工件焊接时贴合更加紧密，达到更好的焊接效果。

如图5所示，为了解决治具在升降过程中受力可能不均，容易产生倾斜的问题，本实施例中使用两两并列的四组治具，成田字形放置在支撑板1221上，每组治具至少能够放置5*5数目的元件，通过这种方式，使得受力更稳固，升降时更加安全，不会产生偏斜，也能够同时加工更多的芯片，解决多层治具的产品焊接温度均匀性问题。治具分块以后，增加了局部区域的平面度，焊接过程中，元件与加热载台充分接触，增加接触面积，同时，通过焊接区域划分，可适用同一工艺，不同治具（不同产品）的焊接。

所述移动挡板机构3包括挡板驱动装置31和挡板32；所述挡板驱动装置包括真空波纹管312、传感器313、滑座315以及导向轴314；所述挡板驱动装置设置在腔体2的外部，通过真空波纹管312一端的伸缩杆311与真空腔内部的挡板固定连接，所述导向轴314和真空波纹管312设置为水平方向，也就是挡板32能够在水平方向上进行移动，所述传感器313用于感应挡板移动的位置。

所述移动挡板机构3设置在治具2两侧，如图2、图5A和图5B所示，所述挡板32在垂直方向的位置高于锗窗治具层，低于升降机构升到最高点时的管壳治具层；

两侧移动挡板机构带动挡板在水平方向进行往复运动，其中，两侧的挡板处于同一水平面，当需要激活锗窗治具层上的吸气剂时，升降机构向上升起，管壳治具层与锗窗治具层分离，挡板开始移动，当挡板驱动装置的行程达到最大时，两侧挡板能够拼合在一起，此时挡板为遮挡状态，形成管壳治具层对下加热载台的隔热；

其中，为保证隔热，两侧挡板拼合形成的总面积不小于治具在垂直方向上的投影面积；

当要进行焊接时，挡板向两侧收回，最终回到治具两侧的空间内，形成归位状态，此时挡板与治具在垂直方向上的投影没有重叠部分，此时升降机构下降，管壳治具层与锗窗治具层接触，进行焊接。

通过上述方式，解决同一进程不同温度的焊接，特别适用带GETTER吸气剂激活的焊接，多用于MEMS器件封装、PGA芯片的封装工艺。

多层治具可升降的方式，在多层治具互相分离开到一定距离时，该真空炉配置了挡板机构，完成两层治具不能温度的分割。底部或者顶部温度设置为高温，挡板可以进行隔热，保护另外一侧的治具在相对低温下，而在高温工艺完成之后，挡板可以收回，治具下降，就能在同一流程中完成低温工艺的焊接。

治具的升降过程与挡板机构收缩配合完成GETTER吸气剂高温热激活，避免该过程中焊料因高温而融化。

如图1所示，所述阀泵机构包括高真空插板阀51，分子泵52、主抽阀53、充/放气阀54以及真空接口55，其中，所述主抽阀设置在腔体底部中心处，所述主抽阀与分子泵连接，搭配使用确保真空度达到高真空等级参数的要求，所述主抽阀设置为大口径，用于快速、均匀、稳定的对真空腔内部进行抽气，避免因为抽气口设置在真空腔的一侧而使得真空腔内部氮气的密度不均匀，在焊接时造成成品率下降。

所述移动挡板机构和主抽阀都设置为动密封设置；

如图7所示，所述水冷机构包括盖体外壳水冷41、腔体外壳水冷43、腔体内部水冷42、动密封水冷44以及泵水冷45。

本申请真空炉的具体使用过程为：

首先，将装好元件的四组治具按三层顺序从下往上依次放入腔体；

然后，控制装置控制盖体11闭合，升降机构带动管壳治具层22和重力块治具23升到最高点，两侧挡板32对称伸出，形成遮挡状态，阀泵机构抽真空，使内腔的真空度压强达到

p，腔体内的下加热载台开始加热，升温到360℃保持20分钟，吸气剂被激活后，腔体2进行冷却，腔体内温度降到130℃，挡板复位，回到归位状态，之后升降机构下降到最低点，管壳治具层和锗窗治具层紧密贴合在一起，此时上加热部件和下加热载台同时加热，加热到指定温度进行焊接，焊接完成后水冷、气冷同时运行，冷却到室温后，盖体打开，焊接完成，最后从上向下依次取出四组治具。

如图8所示，为本申请用于焊接元件的多模块封装真空炉的一个具体实施例，所述用于焊接元件的多模块封装真空炉设置在箱体6上，其中，真空腔1设置在箱体6的顶部，所述箱体内部还设置有控制装置7，所述箱体底部设置有滑轮61，箱体上部还设置有显示器8和报警灯9。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落，使其入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于焊接元件的多模块封装真空炉，包括真空腔、治具、升降装置、移动挡板机构、加热机构、水冷机构、阀泵机构以及控制装置；其中，所述升降装置、移动挡板机构、加热机构、水冷机构和阀泵机构与控制装置通讯连接；

所述真空腔包括盖体和腔体；

所述加热机构包括设置在盖体上的上加热部件以及设置在腔体内部的下加热载台；

所述治具设置在下加热载台上方；所述治具包括三层结构，从下向上依次为用于放置焊接元件锗窗部的锗窗治具层、用于放置焊接元件管壳部的管壳治具层以及用于放置重力块的重力块治具层，设置治具的三层结构在水平方向上并排紧靠；所述管壳治具层与升降装置固定连接，管壳治具层在升降装置的带动下能够在垂直方向上进行远离和贴靠锗窗治具层的运动；

所述移动挡板机构包括挡板驱动装置和挡板,所述挡板驱动装置能够带动挡板在水平方向上运动；其中，所述挡板在垂直方向的位置高于锗窗治具层，低于升降装置升到最高点时的管壳治具层；

当挡板驱动装置带动所述挡板在水平方向上达到最大行程时，挡板为遮挡状态，此时所述挡板与治具在垂直方向上的投影重叠；此时挡板能够阻挡所述下加热载台对管壳治具层的热传导；当挡板驱动装置带动挡板复位时，挡板为归位状态，此时所述挡板与治具在垂直方向上的投影没有重叠部分。

2.如权利要求1所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉，其中，所述治具设置为多组。

3.如权利要求2所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉，其中，所述治具设置为并列对称的四组，每组治具大小相同。

4.如权利要求1所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉，其中，所述阀泵机构包括高真空插板阀、分子泵、主抽阀、充/放气阀以及真空接口，其中，所述主抽阀设置在腔体底部中心处，所述主抽阀与分子泵连接。

5.如权利要求1所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉，其中，所述水冷机构包括盖体外壳水冷、腔体外壳水冷、腔体内部水冷、动密封水冷以及泵水冷。

6.如权利要求1所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉，其中，所述锗窗治具层的顶部设置有用于放置元件的锗窗部的锗窗焊接限位槽，焊接时，元件的锗窗部平放在锗窗焊接限位槽内；所述管壳治具层与锗窗焊接限位槽对应的位置设置有用于放置元件的管壳部的管壳焊接限位槽孔，所述管壳焊接限位槽孔用于放置元件的管壳部，其中，所述管壳焊接限位槽孔的孔洞面积略大于管壳部的面积；所述管壳焊接限位槽孔的孔洞底部内缩，使孔洞底部的面积略大于元件锗窗部的面积，同时略小于管壳部的面积。

7.如权利要求1所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉，其中，所述升降装置还包括支撑板，所述治具设置在支撑板上方，所述锗窗治具层的四周设置有通孔，所述管壳治具层的底部设置有支柱，所述支柱穿过锗窗治具层的通孔与支撑板固定连接。

8.如权利要求1所述的用于焊接元件的多模块封装真空炉，其中，所述移动挡板机构设置在治具两侧，两侧的挡板处于同一水平面，当挡板驱动装置的行程达到最大时，两侧挡板能够拼合在一起，形成对管壳治具层的隔热。

9.一种使用如权利要求1-7任一项所述的多模块封装真空炉的方法，所述方法的步骤为：

S10,将焊接元件的锗窗部放置在锗窗治具层，焊接元件的管壳部放置在管壳治具层，将重力块放置在重力块治具层，按照从下往上依次为锗窗治具层、管壳治具层、重力块治具层的顺序将治具放入腔体；

S11,盖体闭合，对腔体内部抽真空，升降装置带动管壳治具层和重力块治具层升到最高点后，挡板伸出形成遮挡状态；

S12，当腔体内的真空度压强达到10^-4Pa时，下加热载台开始加热，下加热载台升温到激活温度保持第一时间段，在吸气剂被激活后，腔体进行冷却，降到安全温度后，挡板复位，回到归位状态；

S13，所述升降装置下降到最低点，管壳治具层和锗窗治具层紧贴，此时上加热部件和下加热载台同时加热，加热至焊接温度，进行元件锗窗部和管壳部之间的焊接；

S14,焊接完成后进行冷却，冷却至室温后，打开盖体，从管壳治具层上取下焊接好的元件。

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