激光軟釬焊的原理和設(shè)備

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1、1激光軟釬焊的原理和設(shè)備激光軟釬焊(LaserSoldering)根據(jù)其用途又有：激光再流焊(LaserReflowSoldering)、激光釬料鍵合(LaserSolderBonding)、激光釬料植球(LaserSolderBumping)等稱謂，但基本連接的原理是一致的。利用激光對連接部位加熱、熔化釬料，實(shí)現(xiàn)連接。其特點(diǎn)非常顯著：只對連接部位局部加熱，對元器件本體沒有任何的熱影響；加熱速度和冷卻速度快，接頭組織細(xì)密、可靠性高；非接觸接熱；可根據(jù)元器件引線的類型實(shí)施不同的加熱規(guī)范以獲得一致的接頭質(zhì)量；可以進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制等。激光軟釬焊在微電子封裝和組裝中已經(jīng)用于高

2、密度引線表面貼裝器件的再流焊、熱敏感和靜電敏感器件的再流焊、選擇性再流焊、BGA外引線的凸點(diǎn)制作、Flipchip的芯片上凸點(diǎn)制作、BGA凸點(diǎn)的返修、TAB器件封裝引線的連接等。激光軟釬焊的缺點(diǎn)在于設(shè)備價(jià)格較高；需逐點(diǎn)焊接，生產(chǎn)效率較熱風(fēng)、紅外等再流焊方法低。因而適合于對質(zhì)量要求特別高的產(chǎn)品和必須采用局部加熱的產(chǎn)品。1.1激光軟釬焊設(shè)備圖1-1是激光軟釬焊設(shè)備的基本原理圖。激光器多采用連續(xù)YAG激光，波長1.06μm。近年來半導(dǎo)體激光器(波長0.808μm)和光纖激光器(波長1.0μm)受到關(guān)注，因?yàn)槠洳ㄩL更短，有利于被金屬吸收，獲得更大的加熱效率；同時(shí)體積小且控制性

3、能也更好。為了監(jiān)測和控制軟釬焊的質(zhì)量，先進(jìn)的激光軟釬焊設(shè)備配備有溫度檢測單元，將接合部的溫度通過紅外傳感器實(shí)時(shí)檢測出來，模數(shù)轉(zhuǎn)換送入控制計(jì)算機(jī)，通過溫度的變化情況監(jiān)測焊點(diǎn)的形成過程，或?qū)崟r(shí)改變激光功率控制焊點(diǎn)的形成和質(zhì)量。溫度上升過快時(shí)，可立即切斷激光輸出，保證不燒毀器件的引線。圖象監(jiān)視器可以觀察激光與引線的對準(zhǔn)情況以及焊接的過程。激光器的輸出功率由控制計(jì)算機(jī)設(shè)定并可程序控制，保證加熱能量的精確性。圖1-1激光軟釬焊系統(tǒng)框圖1.2激光軟釬焊的質(zhì)量控制激光加熱的特點(diǎn)是速度極快，在正常的情況下可以獲得細(xì)密的接頭組織，但當(dāng)存在污染、釬料量過少、引線與釬料接觸不良等情況時(shí)，加

4、熱溫度會(huì)很快上升，甚至達(dá)到引線被熔化燒毀的程度。連接過程和質(zhì)量的檢測與控制是非常必要的，而多數(shù)的系統(tǒng)用溫度作為監(jiān)測質(zhì)量的參數(shù)。2圖1-2是圖1-1紅外檢測單元的細(xì)致結(jié)構(gòu)，特殊設(shè)計(jì)的濾光片R起著多重作用：將YAG激光(波長1.06μm)全部反射，然后被聚焦到被焊接點(diǎn)；焊點(diǎn)上由于溫度上升產(chǎn)生的紅外輻射(波長3~81μm)可以透過R，聚焦后到達(dá)紅外傳感器；YAG激光在焊點(diǎn)表面的反射被R全部阻擋，保證不對溫度檢測產(chǎn)生干擾。圖1-2焊點(diǎn)溫度紅外檢測單元示意圖1-3是激光軟釬焊過程中焊點(diǎn)上紅外輻射信號。為了分析信號各轉(zhuǎn)折點(diǎn)的意義，同時(shí)利用高速攝影記錄了焊點(diǎn)的形成過程，如圖1-4所

5、示。圖1-3焊點(diǎn)的紅外輻射信號圖1-4激光軟釬焊焊點(diǎn)的形成過程3開始激光加熱后，釬料膏被迅速加熱熔化，分散的熔滴逐漸積聚并最終形成一個(gè)大的熔滴。大熔滴形成后并沒有立即在焊盤上鋪展和向元件焊端爬升，而是保持一段時(shí)間，待焊盤和元件焊端也被加熱到釬料熔點(diǎn)溫度以上時(shí)，快速完成鋪展和爬升。將高速攝影照片與紅外輻射曲線上進(jìn)行比較，可以獲得表征焊點(diǎn)上釬料熔化、積聚、鋪展和爬升的特征點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)激光軟釬焊的質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測和控制。1.3插裝元件的激光再流焊雖然表面組裝已經(jīng)成為電子產(chǎn)品制造的主流，但是插裝件尚不能完全淘汰。插裝件與表面貼裝元件混合組裝時(shí)，由于插裝件通孔需要的釬料量較多

6、，采用釬料膏印刷的方法不能供給足夠的釬料，導(dǎo)致焊點(diǎn)形狀不飽滿。對于一些特殊的器件，如溫度敏感元件或者靜電敏感元件，焊接加熱或者電加熱會(huì)導(dǎo)致元件性能變化甚至損壞。選擇性釬焊技術(shù)是解決這類問題的有效途徑之一。選擇性釬焊方法有：選擇性微波峰釬焊(SelectiveMiniwaveSoldering)、選擇性熱風(fēng)釬焊(SelectiveHotGasSoldering)和選擇性激光釬焊(SelectiveLaserSoldering)等，而其中激光軟釬焊應(yīng)用最為廣泛。圖1-5是采用激光選擇性釬焊焊接的熱敏感器件的接頭；圖1-6是該元件在焊接前后的溫度-電阻特性曲線，可以看到激光

7、釬焊由于局部加熱和快速加熱，對元件的特性沒有任何的影響。圖1-5插裝件激光選擇釬焊的接頭圖1-6熱敏感器件激光選擇釬焊前后電阻-溫度特性1.4激光再流焊接頭上的溫度場分布紅外、熱風(fēng)、汽相再流焊過程的特點(diǎn)是加熱時(shí)間長，加熱均勻；而微電子器件的激光軟釬焊的特點(diǎn)是加熱速度極快，加熱很不均勻。這種不均勻性受到規(guī)范匹配(高功率-短時(shí)間、低功率-長時(shí)間)的影響，也受到基板材料導(dǎo)熱率和熱容量的影響，最終會(huì)影響接頭的成型。圖1-7、圖1-8分別是在FR-4樹脂基板上和Al2O3陶瓷基板上組裝QFP類有引線元件(引線寬度0.4mm、厚度0.14mm)時(shí)激光釬焊焊點(diǎn)上的