激光焊锡,又称激光钎焊或激光软钎焊,是利用激光对连接部位加热、熔化钎料,实现连接。激光焊锡工艺 - 深圳市烽镭光电科技有限公司

1 激光软钎焊的原理和设备

激光软钎焊(Laser Soldering)根据其用途又有:激光再流焊(Laser Reflow Soldering)、激光钎料键合(Laser Solder Bonding)、激光钎料植球(Laser Solder Bumping)等称谓,但基本连接的原理是一致的。利用激光对连接部位加热、熔化钎料,实现连接。其特点非常显著:只对连接部位局部加热,对元器件本体没有任何的热影响;加热速度和冷却速度快,接头组织细密、可靠性高;非接触接热;可根据元器件引线的类型实施不同的加热规范以获得一致的接头质量;可以进行实时质量控制等。

激光软钎焊在微电子封装和组装中已经用于高密度引线表面贴装器件的再流焊、热敏感和静电敏感器件的再流焊、选择性再流焊、BGA 外引线的凸点制作、Flip chip 的芯片上凸点制作、BGA 凸点的返修、TAB 器件封装引线的连接等。

激光软钎焊的缺点在于设备价格较高;需逐点焊接,生产效率较热风、红外等再流焊方法低。因而适合于对质量要求特别高的产品和必须采用局部加热的产品。

  • 激光软钎焊设备
  • 图1-1 是激光软钎焊设备的基本原理图。激光器多采用连续 YAG 激光,波长 1.06μm。近年来半导体激光器(波长 0.808μm)和光纤激光器(波长 1.0μm)受到关注,因为其波长更短,有利于被金属吸收,获得更大的加热效率;同时体积小且控制性能也更好。

    为了监测和控制软钎焊的质量,先进的激光软钎焊设备配备有温度检测单元,将接合部的温度通过红外传感器实时检测出来,模数转换送入控制计算机,通过温度的变化情况监测焊点的形成过程,或实时改变激光功率控制焊点的形成和质量。温度上升过快时,可立即切断激光输出,保证不烧毁器件的引线。图象监视器可以观察激光与引线的对准情况以及焊接的过程。激光器的输出功率由控制计算机设定并可程序控制,保证加热能量的精确性。

    图 1-1 激光软钎焊系统框图

    1.2 激光软钎焊的质量控制

    激光加热的特点是速度极快,在正常的情况下可以获得细密的接头组织,但当存在污染、钎料量过少、引线与钎料接触不良等情况时,加热温度会很快上升,甚至达到引线被熔化烧毁的程度。连接过程和质量的检测与控制是非常必要的,而多数的系统用温度作为监测质量的参数。

    图 1-2 是图 1-1 红外检测单元的细致结构,特殊设计的滤光片 R 起着多重作用:将 YAG 激光(波长 1.06μm)全部反射,然后被聚焦到被焊接点;焊点上由于温度上升产生的红外辐射(波长 3~81μm)可以透过 R,聚焦后到达红外传感器;YAG 激光在焊点表面的反射被 R 全部阻挡,保证不对温度检测产生干扰。

     

    图1-2 焊点温度红外检测单元示意

    图1-3 是激光软钎焊过程中焊点上红外辐射信号。为了分析信号各转折点的意义,同时利用高速摄影记录了焊点的形成过程,如图 1-4 所示。

    图 1-3 焊点的红外辐射信号

    图 1-4 激光软钎焊焊点的形成过程

    开始激光加热后,钎料膏被迅速加热熔化,分散的熔滴逐渐积聚并最终形成一个大的熔滴。大熔滴形成后并没有立即在焊盘上铺展和向元件焊端爬升,而是保持一段时间,待焊盘和元件焊端也被加热到钎料熔点温度以上时,快速完成铺展和爬升。将高速摄影照片与红外辐射曲线上进行比较,可以获得表征焊点上钎料熔化、积聚、铺展和爬升的特征点,以此为基础实现激光软钎焊的质量实时检测和控制。

    1.3 插装元件的激光再流焊

    虽然表面组装已经成为电子产品制造的主流,但是插装件尚不能完全淘汰。插装件与表面贴装元件混合组装时,由于插装件通孔需要的钎料量较多,采用钎料膏印刷的方法不能供给足够的钎料,导致焊点形状不饱满。对于一些特殊的器件,如温度敏感元件或者静电敏感元件,焊接加热或者电加热会导致元件性能变化甚至损坏。选择性钎焊技术是解决这类问题的有效途径之一。选择性钎焊方法有:选择性微波峰钎焊(Selective Miniwave Soldering)、选择性热风钎焊(Selective Hot Gas Soldering)和选择性激光钎焊(Selective Laser Soldering)等,而其中激光软钎焊应用最为广泛。

    图 1-5 是采用激光选择性钎焊焊接的热敏感器件的接头;图 1-6 是该元件在焊接前后的温度-电阻特性曲线,可以看到激光钎焊由于局部加热和快速加热,对元件的特性没有任何的影响。

    图 1-5 插装件激光选择钎焊的接头 图 1-6 热敏感器件激光选择钎焊前后电阻-温度特性

    1.4 激光再流焊接头上的温度场分布

    红外、热风、汽相再流焊过程的特点是加热时间长,加热均匀;而微电子器件的激光软钎焊的特点是加热速度极快,加热很不均匀。这种不均匀性受到规范匹配(高功率-短时间、低功率-长时间)的影响,也受到基板材料导热率和热容量的影响,最终会影响接头的成型。图 1-7、图 1-8 分别是在 FR-4 树脂基板上和 Al2O3 陶瓷基板上组装 QFP 类有引线元件(引线宽度 0.4mm、厚度 0.14mm)时激光钎焊焊点上的温度分布,FR-4 的导热率低,在引线范围内温度场分布比较均匀,引线上表面与基板焊盘表面的温度差别较小,接头成型良好;而 Al2O3 陶瓷基板由于导热率大,导致激光加热时的温度分布陡峭,而且引线上表面与基板焊盘表面有很大的温度梯度,接头成型不好,实现焊接的激光功率要比树脂基板时大许多,引线与钎料膏稍有接触不良,就容易产生引线烧毁的缺陷。因此,在陶瓷基板上采用激光软钎焊进行器件组装时,最好采用预热的方法,可以有效地降低激光功率,改善接头成型。

    图 1-7 激光软钎焊接头上的温度分布(FR-4 树脂基板)
     

    图 1-8 激光软钎焊接头上的温度分布(Al2O3 陶瓷基板)

     

    1.5 激光再流焊时焊盘向钎料中的溶解

    钎焊过程中焊盘金属要向熔融的钎料中溶解,溶解的速度与焊盘材料(母材)、钎料合金成分、温度和时间有关。溶解对于形成可靠的接头是必须的,但由于微电子器件封装中焊盘为薄膜、厚膜或者箔的形式,厚度很微小,必须控制溶解的程度,否则会造成膜从基板上脱落而失效。图 1-9 是各种导体材料在常用 Sn 基钎料中的溶解速度。以金为例,在 250℃的焊接温度下,6μm 厚的金薄膜在 1s 之内就全部溶解完毕。温度越高,溶解速度急剧增加。

    图 1-9 各种导体金属向熔融 Sn/Pb 钎料中的溶解速度

    激光再流焊时,温度在不断变化中,溶解速度也是变化的;同时,钎料也是逐渐熔化的,与焊盘的接触面积也在变化之中;随着焊盘金属溶入钎料中,钎料内的焊盘金属含量不断增加,又导致溶解速度下降。

    以上原因使得对焊盘金属溶解量的计算变得很复杂。图 1-10、图 1-11 是试验测得的 Ag、 Cu 导体在 Sn/Pn 钎料中不同温度时的溶解量随时间的变化,由此可得到不同温度的溶解速度。

    图 1-12、图 1-13 是在温度场计算结果的基础上,通过对溶解微分方程的数值解获得的焊盘金属溶解的动态过程曲线。在陶瓷基板上的焊盘材料为 Ag 厚膜导体;在树脂基板上的焊盘是 Cu 导体。由于 Cu 和 Ag 在 Sn 中的极限溶解度不同,溶解的动态过程有很大的差异。 Cu 在 Sn 中的极限溶解度小,在加热过程中可以达到饱和,溶解速度开始下降;而 Ag 在 Sn 中有较大的极限溶解度,溶解速度随着加热过程一直上升,而溶解量也在持续增加。因此,在 Ag 厚膜上焊接需要更精确的温度控制。

    (a) Cu 导体 (b) Ag 导体

    图 1-10 不同温度时导体材料向 Sn/Pb 钎料中的溶解量的测量结果

    图 1-11 树脂基板上 Cu 箔焊盘在激光再流焊时的溶解过程

     

    图1-12 陶瓷基板上 Ag 厚膜焊盘在激光再流焊时的溶解过程

    1. 高密度引线 QFP 器件的组装激光软钎焊

     

    采用激光进行高密度引线器件的组装再流焊,突出的特点是不会对器件有任何的热影响;由于激光产生的温度场被限制在引线范围内,控制了钎料的流动,因此还可有效地避免引线间的钎料桥连。图1-13是采用激光钎焊方法焊接的 QFP256 器件,不仅接头的质量好、成型匀称,而且引线间的桥连控制与波峰焊、红外再流焊相比更容易控制。

    图 1-13 采用激光软钎焊方法组装的 QFP256 器件