劈刀结构、焊接设备和打线方法与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种劈刀结构、焊接设备和打线方法。


背景技术：

2.目前，在半导体器件的生产过程中，需要将芯片焊盘与基板焊盘通过焊线实现焊接，现有的焊线一般是采用铝丝、金线等，通过超声波进行焊接。来自超声波发生器的超声波经过换能器产生高频振动，通过变幅杆传送到劈刀，当劈刀与焊线及被焊接件接触时，在压力和振动的作用下，焊线及被焊接件两个金属表面相互磨擦，氧化膜被破坏，并发生塑性变形，致使两个纯净的金属表面紧密接触，达到离子距离的结合，最终形成牢固的机械连接。然而，在焊线与焊盘焊接过程中存在焊接氧化层，会导致金属焊接层强度不高，比如焊接后出现焊球掉落、拉力测试不合格等问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的包括，例如，提供了一种劈刀结构、焊接设备和打线方法，其能够增加焊接过程中防氧化层的厚度，改善金属表面被氧化的现象，提升焊接结构的结合力，从而提高焊接质量和效果。
4.本发明的实施例可以这样实现：
5.第一方面，本发明提供一种劈刀结构，包括劈刀本体，所述劈刀本体包括第一端部和第二端部，所述第二端部作为焊接端部；所述劈刀本体上设有第一通道和第二通道，所述第一通道沿轴线贯穿所述第一端部和所述第二端部，所述第二通道在所述第一端部处与外界连通、且与所述第一通道间隔设置，所述第二通道在所述第二端部处与所述第一通道连通；所述第一通道用于供第一金属焊线穿过，所述第二通道用于供惰性介质通过。
6.在可选的实施方式中，所述第二端部设有第三通道，所述第三通道用于连通所述第一通道和所述第二通道。
7.在可选的实施方式中，所述第一通道和所述第二通道的轴线相互平行，所述第三通道的轴线分别与所述第一通道和所述第二通道的轴线垂直。
8.在可选的实施方式中，所述第一金属焊线的外表面设有防氧化层。
9.在可选的实施方式中，所述惰性介质包括第二金属焊线，所述第二通道内设有所述第二金属焊线，所述第二金属焊线采用惰性金属。
10.在可选的实施方式中，所述第一金属焊线的外表面设有防氧化层，所述防氧化层的材料与所述惰性金属的材料相同。
11.在可选的实施方式中，所述第一金属焊线从所述第一端部伸入所述第一通道中，所述第二金属焊线从所述第一端部伸入所述第二通道，经所述第三通道延伸至所述第一通道中，且所述第二金属焊线远离所述第一端部的一端与所述第一通道的侧壁抵接，以使所述第二金属焊线设于所述第一金属焊线的端部，且所述第二金属焊线相对所述第一金属焊线更靠近所述第一通道的出口。
12.在可选的实施方式中，所述第二通道连接气管，所述惰性介质包括惰性气体，所述气管用于向所述第二通道中通入所述惰性气体。
13.在可选的实施方式中，所述劈刀本体上设有第四通道，所述第四通道与所述第二通道连通，所述第四通道用于连接气管；
14.所述惰性介质包括第二金属焊线和惰性气体，所述第二金属焊线设于所述第二通道中，所述气管用于向所述第二通道中通入所述惰性气体。
15.第二方面，本发明提供一种焊接设备，包括超声波焊接机台和如前述实施方式中任一项所述的劈刀结构，所述劈刀结构安装在所述超声波焊接机台上。
16.第三方面，本发明提供一种打线方法，采用如前述实施方式中任一项所述的劈刀结构，所述方法包括：
17.采用所述劈刀结构在第一焊盘上形成共晶焊球；
18.分离所述劈刀结构和所述共晶焊球，使所述第一金属焊线留存在所述共晶焊球上；
19.将所述第一金属焊线远离所述共晶焊球的一端焊接在第二焊盘上。
20.本发明实施例的有益效果包括，例如：
21.本发明实施例提供的劈刀结构，在劈刀本体上间隔设置第一通道和第二通道，第一通道和第二通道在焊接端部连通，通过在第二通道内设置惰性介质，由于惰性介质具有较强的防氧化能力，焊接过程中，添加惰性介质后，可增加防氧化层的厚度，避免焊接金属表面被氧化，从而提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。
22.本发明实施例提供的焊接设备，包括上述的劈刀结构和超声波机台，劈刀结构安装在超声波机台上，采用该焊接设备可完成焊线与焊盘的焊接，且焊接过程中可增加防氧化层的厚度，从而提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。
23.本发明实施例提供的打线方法，采用上述的劈刀结构进行焊接打线，操作方便，可有效提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。
附图说明
24.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。
25.图1为本发明实施例提供的劈刀结构的一种结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的劈刀结构的第一种应用场景结构示意图；
27.图3为图2中a处的局部放大示意图；
28.图4为本发明实施例提供的劈刀结构焊接过程中形成共晶焊球的一种结构示意图；
29.图5为本发明实施例提供的劈刀结构的第二种应用场景结构示意图；
30.图6为本发明实施例提供的劈刀结构的第三种应用场景结构示意图；
31.图7为本发明实施例提供的劈刀结构用于垂直打线的应用场景结构示意图。
32.图标：100-劈刀结构；110-劈刀本体；111-第一端部；113-第二端部；114-外周锥
面；115-平直端面；120-第一通道；130-第二通道；140-第三通道；141-尖角部；150-第一金属焊线；151-共晶焊球；160-第二金属焊线；170-气管；171-第四通道；210-第一焊盘；220-第二焊盘。
具体实施方式
33.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。
34.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。
35.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。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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。
37.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
39.请参考图1至图4，本实施例提供了一种劈刀结构100，包括劈刀本体110，劈刀本体110包括第一端部111和第二端部113，第二端部113作为焊接端部；劈刀本体110上设有第一通道120和第二通道130，第一通道120沿轴线贯穿第一端部111和第二端部113，第二通道130在第一端部111处与外界连通、且与第一通道120间隔设置，第二通道130在第二端部113处与第一通道120连通；第一通道120用于供第一金属焊线150穿过，第二通道130用于供惰性介质通过。通过在劈刀本体110上间隔设置第一通道120和第二通道130，第一通道120和第二通道130在焊接端部连通，通过在第二通道130内设置惰性介质，由于惰性介质具有较强的防氧化能力，焊接过程中，添加惰性介质后，可增加防氧化层的厚度，避免焊接金属表面被氧化，从而提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。
40.可选地，第一通道120的入口设于第一端部111，出口设于第二端部113，第一金属焊线150从第一端部111伸入并到达第二端部113。第二通道130的入口设于第一端部111，出口与第一通道120连通；惰性介质从入口进入，经第二通道130的出口到达第一通道120中，以便于在第一金属焊线150和焊盘(待焊金属)之间形成防氧化层。本实施例中，第二端部113呈锥形收敛，即第二端部113包括外周锥面114和平直端面115，第一通道120的出口贯穿平直端面115，第二通道130延伸至外周锥面114但并没有贯穿外周锥面114。第二端部113设有第三通道140，第三通道140用于连通第一通道120和第二通道130，即第三通道140的一端与第一通道120连通，另一端与第二通道130连通。本实施例中，第一通道120和第二通道130
的轴线相互平行，第三通道140的轴线分别与第一通道120和第二通道130的轴线垂直。当然，并不仅限于此，在其它可选的实施方式中，第三通道140也可以与第二通道130的轴线呈锐角或钝角设置，即第三通道140的轴线相对于水平面倾斜设置，这里不作具体限定。
41.可选地，第一金属焊线150可以采用铜线、金线或合金线等，第一金属焊线150的外表面设有防氧化层，可选地，防氧化层可以是在第一金属焊线150的外表面覆盖的惰性金属，例如镍或钯等，以提高第一金属焊线150的抗氧化能力，从而提高金属焊接层的强度，提高焊接结合力。
42.可选地，第二通道130内的惰性介质包括第二金属焊线160，即第二通道130内设有第二金属焊线160，第二金属焊线160采用惰性金属，例如镍或钯等。可以理解，若第一金属焊线150的外表面设有防氧化层，防氧化层的材料与第二通道130内的惰性金属的材料相同，这样设置，同族金属更有利于结合，可增加共晶焊球151表面的防氧化层厚度，例如：第一金属焊线150表面的防氧化层和第二金属焊线160分别采用金属镍，焊接时第二金属焊线160先熔化，第二金属焊线160镍熔化后与第一金属焊线150表面的镍层结合，增加金属防氧化层镍层的厚度，提高焊接结合力。此外，两者都采用相同的惰性金属材料，还可以增加共晶焊球151的焊接体积，提高防氧化性能。需要说明的是，共晶焊球151的体积也不是越大越好，第一金属焊线150表面的防氧化层和第二金属焊线160采用同族金属材料，可以实现第一金属焊线150的分步熔化，先熔化表面的防氧化层，再熔化内部的第一金属焊线150本身，分步熔化可以避免焊接形成的共晶焊球151的体积过大。因为若一次性熔化第一金属焊线150以及防氧化层，熔化体积过大，无法完全熔化，从而导致焊球的焊接强度较差；并且一次性熔化第一金属焊线150以及防氧化层，其熔化效率较低。而采用本实施例中的熔化方式，既能增加金属防氧化层的厚度，适当增加共晶焊球151的体积，提升焊接效果；同时又能避免熔化体积过大造成的焊接效率低、焊接强度差的问题，从而提升焊接效率，改善焊接效果，提高焊接的结合力。
43.本实施例中，第一金属焊线150从第一端部111伸入第一通道120中，第二金属焊线160从第一端部111伸入第二通道130，经第三通道140延伸至第一通道120中，且第二金属焊线160远离第一端部111的一端与第一通道120的侧壁抵接，以使第二金属焊线160设于第一金属焊线150的端部，到达第一通道120的出口处，且第二金属焊线160相对第一金属焊线150更靠近第一通道120的出口。由于第二金属焊线160采用惰性金属，惰性金属具有一定的延展性。利用金属的延展性使第二金属焊线160顶住第一通道120的出口处的侧壁，理想情况下，受传输力影响，第二金属焊线160与第一通道120的侧壁完全贴合，且受第一金属焊线150的传输力，第一金属焊线150的端部与第二金属焊线160接触。此时若第一金属焊线150继续向下传输运动，可顶出第二金属焊线160，使得第一金属焊线150和第二金属焊线160一起向下运动至焊接部，即一起运动至第一通道120的出口。之后，打火杆分别与劈刀结构100中的第一金属焊线150和第二金属焊线160产生放电，放电产生的高温使第一金属焊线150和第二金属焊线160的端部熔化而形成焊球。具体地，由于第二金属焊线160更靠近出口，位于第一金属焊线150的下方，因此第二金属焊线160先被熔化形成液滴，此时第一金属焊线150向下运动使得金属液滴受表面张力，液滴覆盖于第一金属焊线150的端部，再次熔化第一金属焊线150，形成共晶焊球151。即先熔化第二金属焊线160，再熔化第一金属焊线150，并在焊接端部形成共晶焊球151。
44.可以理解，通过向第一金属焊线150施加压力，端部的共晶焊球151在压力作用下压合至焊盘的表面，再次利用超声波的高频振动波传递到共晶焊球151和焊盘这两个需要焊接的金属表面，使焊接区温度升高，再施以一定的压力，使得共晶焊球151和焊盘的交界面以及第一金属焊线150本身产生塑性变形，金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，达到焊接的目的。由于设有第二金属焊线160，形成的共晶焊球151体积更大，从而增加焊盘与共晶焊球151的金属防氧化层厚度，避免焊盘受到氧化，从而提升焊接结构的焊接结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。
45.可选地，第三通道140的内壁设有凸出的尖角部141，用于与第三通道140内的第二金属焊线160抵接，尖角部141靠近第三通道140的出口设置，类似刀口结构，有利于弯折冲断第二金属焊线160，便于焊接后实现第二金属焊线160的分离。
46.结合图5，可选地，在其它实施例中，第二通道130连接气管170，惰性介质包括惰性气体，气管170用于向第二通道130中通入惰性气体。即第二通道130内不设置第二焊线金属，取而代之地通入惰性气体，惰性气体包括但不限于氦气、氮气、氖气、氟气或氩气等，可以是天然的或人工合成的抗氧化性能较好的气体。可以理解，在焊接过程中，向第二通道130中通入惰性气体，通过向第一金属焊线150施加压力，将第一金属焊线150端部的共晶焊球151压合至焊盘的表面，再次利用超声波的高频振动波传递到共晶焊球151和焊盘这两个需要焊接的金属表面，使焊接区温度升高，再施以一定的压力，使得共晶焊球151和焊盘的交界面以及第一金属焊线150本身产生塑性变形，金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，达到焊接的目的。通入的惰性气体可以避免焊接金属层表面氧化，提高抗氧化性能，可以起到润滑劈刀内壁、清洁内壁的作用，防止第一金属焊线150在运动时金属残留屑残存至内壁而破坏第一金属焊线150表面的防氧化层，或者使得第一金属焊线150运动受阻，存在劈刀堵塞的现象。此外，惰性气体还可以在焊接完成后起到快速冷却劈刀的作用，以提升焊接效率，并且惰性气体还可以防止焊接过程中不受静电影响的问题，提高焊接质量，改善焊接效果。
47.结合图6，需要说明的是，在其它一些可选的实施方式中，劈刀本体110上设有第四通道171，第四通道171与第二通道130连通，第四通道171用于连接气管170；惰性介质包括第二金属焊线160和惰性气体，第二金属焊线160设于第二通道130中，气管170用于向第二通道130中通入惰性气体。即在第二通道130内设置第二金属焊线160的同时，通过气管170向第二通道130中通入惰性气体，可以更好地避免焊接金属层表面被氧化，提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。同时也具有加速冷却、清洗劈刀、防止静电影响、提升焊接效率的效果。可选地，气管170可以设置在劈刀本体110的侧面或端面，这里不作具体限定。
48.本发明实施例还提供一种焊接设备，包括超声波焊接机台和如前述实施方式中任一项的劈刀结构100，劈刀结构100安装在超声波焊接机台上。将第一金属焊线150从第一通道120穿入，第二金属焊线160从第二通道130穿入，首先第二金属焊线160从第二通道130的出口经第三通道140进入第一通道120中，靠近第一通道120的出口。由于第二金属焊线160的延展性，使第二金属焊线160顶住第一通道120的出口处的侧壁，第一金属焊线150端部位于第二金属焊线160的上方，此时第一金属焊线150受传输力向下运动，将第二金属焊线160顶住一起向下运动至焊接部(第一通道120的出口)；打火杆分别与劈刀结构100中的第一金
属焊线150和第二金属焊线160产生放电，放电产生的高温使第二金属焊线160和第一金属焊线150的端部熔化而形成共晶焊球151。其中，第二金属焊线160先被熔化形成液滴状，并包覆在第一金属焊线150的端部，第二金属焊线160再被熔化，形成共晶焊球151。继续向第一金属焊线150施加压力，在压力作用下将共晶焊球151压合至焊盘的表面，再利用超声波的高频振动波传递到共晶焊球151和焊盘这两个需要焊接的金属表面，使焊接区温度升高，再向第一金属焊线150施以一定的压力，使得共晶焊球151和焊盘的交界面以及焊线本身产生塑性变形，金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合，达到焊接的目的。
49.由于劈刀结构100设有第二通道130，第二通道130内设有第二金属焊线160，第二金属焊线160采用惰性金属，焊接过程中，第二金属焊线160先被熔化包覆在第一金属焊线150的端部，可以增加金属防氧化层的厚度，从而提升焊接结合力。类似地，在第二通道130内通入惰性气体，也可以防止焊接金属被氧化，提高焊接的结合力，改善焊接质量。同时，通入惰性气体还具有加速冷却、清洗劈刀、防止静电影响、提升焊接效率等效果。
50.结合图7，本发明实施例还提供一种打线方法，采用如前述实施方式中任一项的劈刀结构100，方法包括：
51.采用上述的劈刀结构100在第一焊盘210上形成共晶焊球151；其中，第二金属焊线160先熔化形成液滴状，包覆在第一金属焊线150的端部，再熔化第一金属焊线150，形成共晶焊球151。共晶焊球151可以增加金属表面防氧化层的厚度，提高焊接结构的结合力，焊接强度更高。或者，在第二通道130内通入惰性气体，防止焊接过程中金属表面层被氧化；或者，在第二通道130内设置第二金属焊线160的基础上，再向第二通道130中通入惰性气体，进一步避免焊接过程中的金属表面层被氧化，提高焊接结构的结合力，焊接强度更高，焊接质量更好。
52.容易理解，焊接过程中，第一金属焊线150受传输力向下运动时，促使第一金属焊线150和第二金属焊线160一起运动，由于第三通道140的轴线分别与第一通道120和第二通道130大致垂直，在第三通道140的出口位置，第二金属焊线160受到第一金属焊线150向下运动的剪切力，将第二金属焊线160在第三通道140的出口处被折弯冲断。第三通道140的设置，使得第二金属焊线160转向弯折，本实施例中，第三通道140的长度较短，使得第二金属焊线160与第三通道140内壁的接触面积较小，容易实现第二金属焊线160的折弯冲断，更容易实现第二金属焊线160与共晶焊球151的分离。
53.进一步地，第三通道140的内壁设有凸出的尖角部141，用于与第三通道140内的第二金属焊线160抵接，尖角部141靠近第三通道140的出口设置，类似刀口结构，有利于弯折冲断第二金属焊线160，便于焊接后实现第二金属焊线160的分离。
54.焊接完成后，分离劈刀结构100和共晶焊球151，使第一金属焊线150留存在共晶焊球151上；该方法可以实现在第一焊盘210上垂直打线。
55.可选地，将第一金属焊线150远离共晶焊球151的一端焊接在第二焊盘220上，第一金属焊线150与第二焊盘220的焊接方式可以采用包括上述劈刀结构100的焊接设备实现。
56.综上所述，本发明实施例提供的劈刀结构100、焊接设备和打线方法，具有以下几个方面的有益效果：
57.本发明实施例提供的劈刀结构100，在劈刀本体110上间隔设置第一通道120和第二通道130，第一通道120和第二通道130在焊接端部连通，通过在第二通道130内设置惰性
介质，由于惰性介质具有较强的防氧化能力，焊接过程中，添加惰性介质后，可增加防氧化层的厚度，避免焊接金属表面被氧化，从而提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。惰性介质可以是惰性金属或惰性气体，也可以同时添加惰性金属和惰性气体，不仅可以提高焊接结构的结合力，还具有加速冷却、清洗劈刀、防止静电影响、提升焊接效率等效果。
58.本发明实施例提供的焊接设备，包括上述的劈刀结构100和超声波机台，劈刀结构100安装在超声波机台上，采用该焊接设备可完成焊线与焊盘的焊接，且焊接过程中可增加防氧化层的厚度，从而提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。
59.本发明实施例提供的打线方法，采用上述的劈刀结构100进行焊接打线，操作方便，可有效提高焊接结构的结合力，提高焊接质量，改善焊接效果。
60.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。