電子組裝元器件半導(dǎo)體激光無鉛軟釬焊技術(shù)研究

張潔

摘 要：針對(duì)在電子組裝元器件領(lǐng)域采用的焊接技術(shù)，在簡述電子組裝元器件半導(dǎo)體激光無鉛軟釬焊技術(shù)工藝特點(diǎn)與機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)其設(shè)備、快速掃描功能和加熱方式及其在實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，以此為這一技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)，提供可靠參考借鑒。

關(guān)鍵詞：電子組裝元器件 ?無鉛軟釬焊 ?半導(dǎo)體

近幾年，世界各國都對(duì)環(huán)境問題高度重視，在這種趨勢(shì)下，焊接實(shí)現(xiàn)無鉛化與無鉛釬料開發(fā)都有了很大進(jìn)展。在發(fā)達(dá)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(xiàn)在已經(jīng)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(shí)間內(nèi)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(duì)此，采用激光軟釬焊進(jìn)行局部加熱能有效避免橋連，使高引腳數(shù)量器件大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。

一、工藝特點(diǎn)與機(jī)理分析

激光軟釬焊采用激光為熱源，對(duì)引線進(jìn)行輻射加熱，并采用焊膏傳熱給基板，在溫度達(dá)到釬焊的要求時(shí)，能使焊膏熔化，將基板與引線均潤滑，出現(xiàn)焊點(diǎn)。在激光輻射加熱過程中，如果材料溫度提高，則會(huì)對(duì)熱物理性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)造成影響，出現(xiàn)一定熱膨脹，并產(chǎn)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(zhì)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(tǒng)介紹

1.系統(tǒng)設(shè)備

現(xiàn)在的激光軟釬焊都能實(shí)現(xiàn)電路集成，以Nd：YAG型最為常用，但它的激光器效率相對(duì)較低，有很大的熱損耗，所以需要額外配置冷卻系統(tǒng)，造價(jià)昂貴，限制了這項(xiàng)技術(shù)的未來發(fā)展。在這種局勢(shì)下，半導(dǎo)體設(shè)備成為主要研究對(duì)象。

從20世紀(jì)70年代以后，基于半導(dǎo)體的激光器得到快速發(fā)展，它的發(fā)展速度、應(yīng)用范圍和發(fā)展?jié)摿Γ际瞧渌愋图す馄鳠o法達(dá)到的。近幾年，微電子焊接越來越多地應(yīng)用這種激光器。激光器的應(yīng)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(tǒng)主要具有下列特點(diǎn)。一是因激光器屬于電子和光子相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備，所以具備一定調(diào)制能力，能通過對(duì)電源輸出有效調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)變。二是激光輸出波長在798～818nm范圍內(nèi)，短于傳統(tǒng)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(jì)算機(jī)對(duì)加熱功率進(jìn)行控制，并完成加熱時(shí)間的調(diào)整，以實(shí)際需要為依據(jù)選擇適宜的參數(shù)。四是在監(jiān)視系統(tǒng)方面主要運(yùn)用工業(yè)攝像機(jī)，除了能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(xué)方法，如掃描法、光點(diǎn)移動(dòng)法及現(xiàn)狀光束照射等。實(shí)踐表明，快速掃描焊接的合理應(yīng)用能有效加快焊接效率，所以具有良好的應(yīng)用前景。其原理為應(yīng)用反射鏡，促使激光在預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行快速掃描。

3.加熱方法

在當(dāng)前的微電子行業(yè)當(dāng)中，激光器功率一般是2～80W，激光功率需要以焊點(diǎn)的尺寸及掃描速度為依據(jù)選擇。實(shí)際情況中，一般按照焊盤尺寸對(duì)激光軟釬焊進(jìn)行分類。

一是尺寸在40～100μm范圍內(nèi)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(shí)施點(diǎn)焊即可符合要求。二是尺寸在100～500μm范圍內(nèi)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(xué)系統(tǒng)以1.8：1.0的比例實(shí)施聚焦。在軟釬焊過程中，一般將加熱間隔時(shí)間確定為1s。三是尺寸在1000～3000μm范圍內(nèi)的焊盤，利用激光器對(duì)多個(gè)焊點(diǎn)實(shí)施同時(shí)掃描與焊接也是十分重要和必要的，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，能解決在PCB板上進(jìn)行同時(shí)多點(diǎn)焊接的技術(shù)難題。另外，為保證掃描時(shí)間，可利用功率不小于80W的激光器。

三、技術(shù)應(yīng)用

1.技術(shù)發(fā)展

在對(duì)無鉛釬料成本進(jìn)行分析和開發(fā)時(shí)，針對(duì)開發(fā)出的所有無鉛釬料，其性能綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)則均以傳統(tǒng)釬料作為基礎(chǔ)。目前而言，已經(jīng)有很多不同的無鉛釬料出現(xiàn)，但仍以Sn-Ag-Cu系最適合替代傳統(tǒng)的材料，這種新合金在市場上占有很大的份額，而且應(yīng)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(tǒng)的錫鉛釬料，無鉛釬料具有很大的差異，如熔點(diǎn)高、潤濕性差?；诖?，使用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)對(duì)高密度引線進(jìn)行焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多缺陷，如錫球與橋連，這對(duì)微電子元器件有很大影響。

借助半導(dǎo)體激光器對(duì)高密度引線實(shí)施焊接時(shí)，其突出的特點(diǎn)為不會(huì)產(chǎn)生太大熱影響。因激光施加的溫度場有所限制，能對(duì)釬料發(fā)生的流動(dòng)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(yàn)可知，采用半導(dǎo)體軟釬焊，可以有效提高焊點(diǎn)實(shí)際抗拉強(qiáng)度，最大可以提高近50%。實(shí)踐表明，采用軟釬焊后，元器件除了有良好的接頭質(zhì)量，而且還能避免橋連與錫球等問題的產(chǎn)生。

2.影響因素

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

為確定最適合的焊接參數(shù)，將無鉛釬料成分確定為Sn96.5%和Ag3.5%，并將焊接的時(shí)間確定為0.8s。在此條件下對(duì)焊接質(zhì)量和輸出功率之間的關(guān)系進(jìn)行研究。當(dāng)輸出功率較小時(shí)，釬料基本沒有潤濕，而且還產(chǎn)生了空洞缺陷。而當(dāng)功率增加時(shí)，焊點(diǎn)的形貌將變得光滑，沒有氧化的現(xiàn)象，而且微觀結(jié)構(gòu)都沒有孔洞，所有顆粒的組織都比較細(xì)小，釬料和每個(gè)接觸面均表現(xiàn)出良好潤濕性;當(dāng)功率較大時(shí)，釬料會(huì)出現(xiàn)明顯滑移，而且顆粒組織將變得粗大?；诖?，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(shì)

截至目前，對(duì)于無鉛釬料還沒有形成統(tǒng)一的國際與國家標(biāo)準(zhǔn)，我國和國外提出的可供選用的合金類型有很多。對(duì)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(diǎn)和強(qiáng)度均較高的無鉛釬料，是當(dāng)前相關(guān)人員普遍關(guān)注的重點(diǎn)問題。

基于此，美國的研究機(jī)構(gòu)對(duì)兩種釬料實(shí)施了對(duì)比試驗(yàn)，這兩種釬料分別為96.5%Sn/3.5%Ag與63%Sn/37%Pb。經(jīng)試驗(yàn)可知，相較于Sn-Pb釬料，Sn-Ag的可控性更強(qiáng)。其原因主要是采用激光實(shí)施釬焊時(shí)，能更加容易達(dá)到相對(duì)較高的溫度。此外還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于熔點(diǎn)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(dǎo)體激光都能和無鉛釬料良好兼容。因?yàn)橐陨蟽?yōu)勢(shì)的存在，使半導(dǎo)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(dǎo)體軟釬焊所需設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，而且生產(chǎn)效率還低于其他再流焊方法，如紅外與熱風(fēng)再流焊，所以現(xiàn)在只能用于對(duì)焊接質(zhì)量提出較高要求的產(chǎn)品及必須進(jìn)行局部加熱處理的產(chǎn)品上。在這種實(shí)際情況下，不斷提高其生產(chǎn)效率，并通過技術(shù)攻關(guān)來降低設(shè)備造價(jià)，成為今后主要發(fā)展方向，需要引起相關(guān)人員的高度重視。

四、小結(jié)

通過上述分析，可得出以下幾條結(jié)論。一是對(duì)于目前新出現(xiàn)的半導(dǎo)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(shì)，能很好地適應(yīng)和滿足現(xiàn)階段焊接向無鉛化方向發(fā)展的基本要求。二是對(duì)半導(dǎo)體軟釬焊而言，其激光輸出參數(shù)會(huì)對(duì)實(shí)際的焊接質(zhì)量造成很大影響，因此在實(shí)際工作中，需要根據(jù)無鉛釬料類型來確定適宜的輸出參數(shù)，保證參數(shù)滿足實(shí)際焊接要求。三是采用半導(dǎo)體軟釬焊時(shí)，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的方法，這對(duì)保證焊接質(zhì)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(duì)焊接質(zhì)量與效率都造成很大影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧亞東.電子元器件表面組裝工藝質(zhì)量改進(jìn)及應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（2）.

[2]李樹永.對(duì)電子元器件表面組裝工藝質(zhì)量改進(jìn)及應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（5）.

[3]唐永泉.對(duì)電子元器件表面組裝工藝質(zhì)量改進(jìn)及應(yīng)用研究[J].信息通信，2017（3）.

[4]陳華林.電子元器件組裝工藝質(zhì)量的改進(jìn)方法探析[J].硅谷，2014（16）.

[5]姜建國，王國林，孟宏偉等.一種電子元器件組裝結(jié)果檢測方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）.

[6]王海珍，楊衛(wèi)，曹國斌.壓焊機(jī)在微組裝電子元器件領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2016（5）.

[7]李青.電子元器件高密度組裝中所用高分子材料及技術(shù)[J].電子器件，2014（1）.

[8]高艷茹，李小蘭.電子元器件表面組裝用導(dǎo)電膠粘劑[J].絕緣材料通訊，2015（1）.

（作者單位：江蘇省宿城中等專業(yè)學(xué)校）