電子組裝元器件半導體激光無鉛軟釬焊技術研究

張潔

摘 要：針對在電子組裝元器件領域采用的焊接技術，在簡述電子組裝元器件半導體激光無鉛軟釬焊技術工藝特點與機理的基礎上，對其設備、快速掃描功能和加熱方式及其在實踐中的應用進行深入分析，以此為這一技術的推廣和應用奠定良好基礎，提供可靠參考借鑒。

關鍵詞：電子組裝元器件 ?無鉛軟釬焊 ?半導體

近幾年，世界各國都對環(huán)境問題高度重視，在這種趨勢下，焊接實現無鉛化與無鉛釬料開發(fā)都有了很大進展。在發(fā)達國家，政府不僅立法限制鉛的使用，還投入了大量資源用于無鉛釬料開發(fā)及研究。歐美日從2000年就開始了無鉛化研究，現在已經完成了初步的無鉛化改造。我國在這一方面雖然起步較晚，但在很短的時間內就取得了良好成效。然而，無鉛化的快速推行也帶來了很多新的問題。對此，采用激光軟釬焊進行局部加熱能有效避免橋連，使高引腳數量器件大規(guī)模生產成為可能。

一、工藝特點與機理分析

激光軟釬焊采用激光為熱源，對引線進行輻射加熱，并采用焊膏傳熱給基板，在溫度達到釬焊的要求時，能使焊膏熔化，將基板與引線均潤滑，出現焊點。在激光輻射加熱過程中，如果材料溫度提高，則會對熱物理性質及光學性質造成影響，出現一定熱膨脹，并產生固態(tài)相變及熔化。通常在不考慮光束具有的能量特性及物質基本性能的條件下，溫度升高速度主要受輻射穿透層厚與輻射區(qū)半徑的比的影響。

二、系統介紹

1.系統設備

現在的激光軟釬焊都能實現電路集成，以Nd：YAG型最為常用，但它的激光器效率相對較低，有很大的熱損耗，所以需要額外配置冷卻系統，造價昂貴，限制了這項技術的未來發(fā)展。在這種局勢下，半導體設備成為主要研究對象。

從20世紀70年代以后，基于半導體的激光器得到快速發(fā)展，它的發(fā)展速度、應用范圍和發(fā)展?jié)摿Γ际瞧渌愋图す馄鳠o法達到的。近幾年，微電子焊接越來越多地應用這種激光器。激光器的應用能大幅減少部件受熱，而且波長很短，能被金屬大量吸收，從而獲取更高加熱效率。另外，由于體積較小，能使輸出功率保持穩(wěn)定，提高控制性能。

系統主要具有下列特點。一是因激光器屬于電子和光子相互轉換的設備，所以具備一定調制能力，能通過對電源輸出有效調節(jié)來實現脈沖轉變。二是激光輸出波長在798～818nm范圍內，短于傳統常用的激光器，能更好地吸收釬料，保證加熱效率。三是具有優(yōu)良的控制性能，可利用計算機對加熱功率進行控制，并完成加熱時間的調整，以實際需要為依據選擇適宜的參數。四是在監(jiān)視系統方面主要運用工業(yè)攝像機，除了能實現實時監(jiān)控，還能完成測量與編程。

2.快速掃描焊接

該激光器所用釬焊方式包含許多光學方法，如掃描法、光點移動法及現狀光束照射等。實踐表明，快速掃描焊接的合理應用能有效加快焊接效率，所以具有良好的應用前景。其原理為應用反射鏡，促使激光在預設區(qū)域內進行快速掃描。

3.加熱方法

在當前的微電子行業(yè)當中，激光器功率一般是2～80W，激光功率需要以焊點的尺寸及掃描速度為依據選擇。實際情況中，一般按照焊盤尺寸對激光軟釬焊進行分類。

一是尺寸在40～100μm范圍內的小焊盤，它主要用于高密度封裝，利用平均功率不超過10W的激光器實施點焊即可符合要求。二是尺寸在100～500μm范圍內的中等尺寸焊盤，它主要使用功率為25W的激光器，光纖直徑為800μm，借助光學系統以1.8：1.0的比例實施聚焦。在軟釬焊過程中，一般將加熱間隔時間確定為1s。三是尺寸在1000～3000μm范圍內的焊盤，利用激光器對多個焊點實施同時掃描與焊接也是十分重要和必要的，這項技術的應用，能解決在PCB板上進行同時多點焊接的技術難題。另外，為保證掃描時間，可利用功率不小于80W的激光器。

三、技術應用

1.技術發(fā)展

在對無鉛釬料成本進行分析和開發(fā)時，針對開發(fā)出的所有無鉛釬料，其性能綜合評價準則均以傳統釬料作為基礎。目前而言，已經有很多不同的無鉛釬料出現，但仍以Sn-Ag-Cu系最適合替代傳統的材料，這種新合金在市場上占有很大的份額，而且應用范圍也很廣泛。比如美國的NEMI公司、歐洲的SOLDE-RTEC公司和日本的千住都建議將這種材料作為再流焊過程中的軟釬料。

相較于傳統的錫鉛釬料，無鉛釬料具有很大的差異，如熔點高、潤濕性差。基于此，使用傳統的焊接技術對高密度引線進行焊接時會產生很多缺陷，如錫球與橋連，這對微電子元器件有很大影響。

借助半導體激光器對高密度引線實施焊接時，其突出的特點為不會產生太大熱影響。因激光施加的溫度場有所限制，能對釬料發(fā)生的流動予以有效控制，所以能避免小間距的引線發(fā)生橋連缺陷。通過試驗可知，采用半導體軟釬焊，可以有效提高焊點實際抗拉強度，最大可以提高近50%。實踐表明，采用軟釬焊后，元器件除了有良好的接頭質量，而且還能避免橋連與錫球等問題的產生。

2.影響因素

在焊料的成分、引線與助焊劑都已經確定后，焊點效果則主要取決于焊接的時間和溫度。然而，在實際的焊接作業(yè)中，焊點溫度往往極難控制，所以只能通過焊接時間的有效控制來達到預期的焊接效果。若焊接的時間與釬料成分都已經確定，則激光輸出功率會在一定范圍內發(fā)生變化，這一區(qū)域內的所有焊點都是能滿足要求的。

為確定最適合的焊接參數，將無鉛釬料成分確定為Sn96.5%和Ag3.5%，并將焊接的時間確定為0.8s。在此條件下對焊接質量和輸出功率之間的關系進行研究。當輸出功率較小時，釬料基本沒有潤濕，而且還產生了空洞缺陷。而當功率增加時，焊點的形貌將變得光滑，沒有氧化的現象，而且微觀結構都沒有孔洞，所有顆粒的組織都比較細小，釬料和每個接觸面均表現出良好潤濕性;當功率較大時，釬料會出現明顯滑移，而且顆粒組織將變得粗大。基于此，在沒有特殊要求的情況下，建議將功率控制在10W左右。

3.發(fā)展趨勢

截至目前，對于無鉛釬料還沒有形成統一的國際與國家標準，我國和國外提出的可供選用的合金類型有很多。對激光軟釬焊而言，是否適合每一種無鉛釬料，尤其是能否適合那些熔點和強度均較高的無鉛釬料，是當前相關人員普遍關注的重點問題。

基于此，美國的研究機構對兩種釬料實施了對比試驗，這兩種釬料分別為96.5%Sn/3.5%Ag與63%Sn/37%Pb。經試驗可知，相較于Sn-Pb釬料，Sn-Ag的可控性更強。其原因主要是采用激光實施釬焊時，能更加容易達到相對較高的溫度。此外還發(fā)現，對于熔點較高的釬料，其激光釬焊效果更加顯著。這在很大程度上說明幾乎所有半導體激光都能和無鉛釬料良好兼容。因為以上優(yōu)勢的存在，使半導體軟釬焊得到很快速度的發(fā)展，主要用于再流焊方面，包括熱敏感器件、靜電敏感期間與具有選擇性的再流焊等。

然而，需要注意的是，因半導體軟釬焊所需設備的價格比較昂貴，而且生產效率還低于其他再流焊方法，如紅外與熱風再流焊，所以現在只能用于對焊接質量提出較高要求的產品及必須進行局部加熱處理的產品上。在這種實際情況下，不斷提高其生產效率，并通過技術攻關來降低設備造價，成為今后主要發(fā)展方向，需要引起相關人員的高度重視。

四、小結

通過上述分析，可得出以下幾條結論。一是對于目前新出現的半導體軟釬焊，它具有操作簡單、易于控制、可以和多種無鉛釬料良好兼容的優(yōu)勢，能很好地適應和滿足現階段焊接向無鉛化方向發(fā)展的基本要求。二是對半導體軟釬焊而言，其激光輸出參數會對實際的焊接質量造成很大影響，因此在實際工作中，需要根據無鉛釬料類型來確定適宜的輸出參數，保證參數滿足實際焊接要求。三是采用半導體軟釬焊時，還應根據實際情況選擇正確的方法，這對保證焊接質量而言是十分重要的。具體要參考焊盤尺寸來確定適宜的方法，如果所選方法不合適，將對焊接質量與效率都造成很大影響。

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（作者單位：江蘇省宿城中等專業(yè)學校）