電子組裝元器件半導(dǎo)體激光無鉛軟釬焊技術(shù)探索

張 偉

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究，合肥 230031）

我們研究的再流焊技術(shù)和激光軟釬焊技術(shù)，各有不同的優(yōu)點(diǎn)和特性，如冷卻速度方面；局部加熱速度方面這些因素，在高密度基板上速熱、速冷能在釬焊時產(chǎn)生良好的顯微組織視角。焊點(diǎn)測試，有效的提高了焊點(diǎn)的抗疲勞性能方面。再就是半導(dǎo)體激光焊接技術(shù)要比CO2激光和Nd：YAG激光焊接技術(shù)的波長會顯得更短一些、結(jié)構(gòu)方面也是更緊湊一些，維護(hù)更加方便。我們針對高效率電光轉(zhuǎn)換、小微型電子元器件的“無鉛”組裝技術(shù)的試驗(yàn)研究與分析，得出結(jié)論是激光釬焊時間固定（如0.5s）時間內(nèi)，在隨著激光輸出功率的增加的時候，（Sn-Ag-Cu無鉛釬料）會明顯的改善釬焊性能和質(zhì)量，在讓激光輸出功率到達(dá)17.5W左右時是最佳的焊接階段，隨著激光輸出功率的增大后，（無鉛釬料）的釬焊性能變差開始出現(xiàn)。由此得出激光輸出功率的大小，將會嚴(yán)重影響釬焊性能和最佳質(zhì)量。隨著激光釬焊在不同的時間內(nèi)焊接，得出激光輸出功率越高的時候，激光釬焊的最佳時間就會更短的結(jié)論。在激光輸出功率過低（P≤13W）或過高（P≥19W）的時時候，盡管調(diào)整激光釬焊的長短時間過程，（無鉛釬料）在Cu基體板上的潤濕鋪展都會顯示出較差的效果。實(shí)驗(yàn)證明激光軟釬焊獲得比紅外再流焊的釬焊性能是更佳的，它具有快熱快冷的特性，從而改變了液態(tài)金屬表面擴(kuò)展力度和性能質(zhì)量諸多方面。

我們在分析試驗(yàn)片式電阻元件的半導(dǎo)體激光無鉛軟釬焊工藝的過程時候，采用半導(dǎo)體“激光軟釬焊系統(tǒng)”工藝，用在PCB基板上，發(fā)現(xiàn)成型良好。焊點(diǎn)表面光亮，無氧化等等這些優(yōu)特點(diǎn)。從而證明出使用半導(dǎo)體激光軟釬焊的方法“釬焊片式電阻元件”得到的焊點(diǎn)接頭成型的性能的最佳的，與紅外再流焊方法相比得出焊點(diǎn)力學(xué)性能是更佳的。根據(jù)數(shù)字分析半導(dǎo)體激光釬焊，在片式電阻元件Sn-Ag-Cu無鉛焊點(diǎn)過程中的強(qiáng)度與紅外再流焊對比，最佳效益能夠提高達(dá)18.15%附近。然而半導(dǎo)體激光釬焊焊接在片式電阻元件Sn-Pb焊點(diǎn)強(qiáng)度比較，紅外再流焊最佳值能夠接近38.79%。我們繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)激光軟釬焊過程的結(jié)果，它比紅外再流焊技術(shù)的結(jié)果會得出更加優(yōu)異的釬料/基體的顯微組織性能和質(zhì)量。我們?nèi)绻诎雽?dǎo)體激光軟釬焊方法焊接微小片式電阻元件時，觀察到激光軟釬焊釬料在焊盤金屬Cu和片式電阻金屬融化端的潤濕性，顯得更佳的效果。接頭、焊點(diǎn)、成型都有最佳的直觀性，焊點(diǎn)強(qiáng)度提高顯著。再顯微組織的觀察分析焊點(diǎn)的斷口發(fā)現(xiàn)，這樣的斷口顯現(xiàn)典型的剪切伸長韌窩形狀，這些焊點(diǎn)的塑性變形也達(dá)到質(zhì)量效果的最佳值。

我們對半導(dǎo)體激光軟釬焊工藝在PCB基板上進(jìn)行QFP器件的組裝研究過程中，從QFP器件半導(dǎo)體激光無鉛軟釬焊工藝的分析觀察，在目前無橋連、無釬料球等外觀缺陷的焊點(diǎn)是最佳的。通過焊點(diǎn)力學(xué)性能結(jié)果的測試，得出半導(dǎo)體激光釬焊QFP32器件Sn-Ag-Cu無鉛焊點(diǎn)，顯現(xiàn)的強(qiáng)度比紅外再流焊提高接近10.37%，而半導(dǎo)體激光釬焊的無鉛焊點(diǎn)強(qiáng)度與比紅外再流焊焊點(diǎn)強(qiáng)度相比，明顯看到提高12.62%，試驗(yàn)結(jié)果得出半導(dǎo)體激光釬焊能顯著改善釬料的釬焊性能。我們再看優(yōu)化焊點(diǎn)的顯微組織（包括宏觀、微觀組織）的分析，我們明顯看到釬料/焊盤和釬料/引線之間都出現(xiàn)細(xì)小較為平緩的金屬化合物覆蓋層面，我們看到的這些“金屬間化合物層”，對焊點(diǎn)的保護(hù)起到具有良好的焊點(diǎn)力學(xué)性能，它使得半導(dǎo)體激光軟釬焊焊點(diǎn)的韌性拉伸斷裂顯現(xiàn)韌性更佳。

我們在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)Nd：YAG激光的波長與CO2激光的波長相比得到的波長更短，得到結(jié)論是半導(dǎo)體激光被釬料金屬吸收的效果是最佳的；再就是快速加熱、冷卻的效果顯現(xiàn)也是較為特別。這樣的快速加熱、冷卻的全部操作，對微電子元器件的激光軟釬焊點(diǎn)的潤濕性，韌性拉伸斷裂強(qiáng)度都會顯著改善得到最佳的理想的效果。

接下來再對無鉛焊點(diǎn)熱循環(huán)試驗(yàn)我們得出激光釬焊無鉛焊點(diǎn)的可靠性優(yōu)于紅外再流焊焊點(diǎn)的結(jié)論。我們再對焊點(diǎn)顯微組織進(jìn)行系統(tǒng)觀察過程中發(fā)現(xiàn)到，半導(dǎo)體激光快速加熱、快速冷卻在焊點(diǎn)內(nèi)部獲得均勻細(xì)小的釬料組織和薄而平緩的界面金屬間化合物表面層組織形成冶金結(jié)合效果是最佳的。再看焊點(diǎn)顯微組織的系統(tǒng)觀察研究結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在相同的熱循環(huán)次數(shù)的時候，觀察到半導(dǎo)體激光軟釬焊技術(shù)的無鉛焊點(diǎn)（中釬料/Cu焊盤界面上的金屬間化合物）厚度小于紅外再流焊無鉛焊點(diǎn)；得出片式電阻元件Sn-Pb激光軟釬焊無鉛焊點(diǎn)中釬料內(nèi)部的金屬間化合層顆粒要比紅外再流焊無鉛焊點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)更細(xì)小均勻而且效果質(zhì)量更佳。

結(jié)論

通過我們實(shí)驗(yàn)和數(shù)字分析，從理論上闡明了一點(diǎn)，微電子元器件半導(dǎo)體激光軟釬焊技術(shù)，對于組件批量制造技術(shù)和多芯片系統(tǒng)組裝，采用半導(dǎo)體激光軟釬焊技術(shù)提高產(chǎn)品合格率是肯定的、對使用壽命的延長提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最佳化，值得發(fā)展和肯定。