电子组装元器件半导体激光无铅软钎焊技术研究

张洁

摘 要：针对在电子组装元器件领域采用的焊接技术，在简述电子组装元器件半导体激光无铅软钎焊技术工艺特点与机理的基础上，对其设备、快速扫描功能和加热方式及其在实践中的应用进行深入分析，以此为这一技术的推广和应用奠定良好基础，提供可靠参考借鉴。

关键词：电子组装元器件  无铅软钎焊  半导体

近几年，世界各国都对环境问题高度重视，在这种趋势下，焊接实现无铅化与无铅钎料开发都有了很大进展。在发达国家，政府不仅立法限制铅的使用，还投入了大量资源用于无铅钎料开发及研究。欧美日从2000年就开始了无铅化研究，现在已经完成了初步的无铅化改造。我国在这一方面虽然起步较晚，但在很短的时间内就取得了良好成效。然而，无铅化的快速推行也带来了很多新的问题。对此，采用激光软钎焊进行局部加热能有效避免桥连，使高引脚数量器件大规模生产成为可能。

一、工艺特点与机理分析

激光软钎焊采用激光为热源，对引线进行辐射加热，并采用焊膏传热给基板，在温度达到钎焊的要求时，能使焊膏熔化，将基板与引线均润滑，出现焊點。在激光辐射加热过程中，如果材料温度提高，则会对热物理性质及光学性质造成影响，出现一定热膨胀，并产生固态相变及熔化。通常在不考虑光束具有的能量特性及物质基本性能的条件下，温度升高速度主要受辐射穿透层厚与辐射区半径的比的影响。

二、系统介绍

1.系统设备

现在的激光软钎焊都能实现电路集成，以Nd：YAG型最为常用，但它的激光器效率相对较低，有很大的热损耗，所以需要额外配置冷却系统，造价昂贵，限制了这项技术的未来发展。在这种局势下，半导体设备成为主要研究对象。

从20世纪70年代以后，基于半导体的激光器得到快速发展，它的发展速度、应用范围和发展潜力，都是其他类型激光器无法达到的。近几年，微电子焊接越来越多地应用这种激光器。激光器的应用能大幅减少部件受热，而且波长很短，能被金属大量吸收，从而获取更高加热效率。另外，由于体积较小，能使输出功率保持稳定，提高控制性能。

系统主要具有下列特点。一是因激光器属于电子和光子相互转换的设备，所以具备一定调制能力，能通过对电源输出有效调节来实现脉冲转变。二是激光输出波长在798～818nm范围内，短于传统常用的激光器，能更好地吸收钎料，保证加热效率。三是具有优良的控制性能，可利用计算机对加热功率进行控制，并完成加热时间的调整，以实际需要为依据选择适宜的参数。四是在监视系统方面主要运用工业摄像机，除了能实现实时监控，还能完成测量与编程。

2.快速扫描焊接

该激光器所用钎焊方式包含许多光学方法，如扫描法、光点移动法及现状光束照射等。实践表明，快速扫描焊接的合理应用能有效加快焊接效率，所以具有良好的应用前景。其原理为应用反射镜，促使激光在预设区域内进行快速扫描。

3.加热方法

在当前的微电子行业当中，激光器功率一般是2～80W，激光功率需要以焊点的尺寸及扫描速度为依据选择。实际情况中，一般按照焊盘尺寸对激光软钎焊进行分类。

一是尺寸在40～100μm范围内的小焊盘，它主要用于高密度封装，利用平均功率不超过10W的激光器实施点焊即可符合要求。二是尺寸在100～500μm范围内的中等尺寸焊盘，它主要使用功率为25W的激光器，光纤直径为800μm，借助光学系统以1.8：1.0的比例实施聚焦。在软钎焊过程中，一般将加热间隔时间确定为1s。三是尺寸在1000～3000μm范围内的焊盘，利用激光器对多个焊点实施同时扫描与焊接也是十分重要和必要的，这项技术的应用，能解决在PCB板上进行同时多点焊接的技术难题。另外，为保证扫描时间，可利用功率不小于80W的激光器。

三、技术应用

1.技术发展

在对无铅钎料成本进行分析和开发时，针对开发出的所有无铅钎料，其性能综合评价准则均以传统钎料作为基础。目前而言，已经有很多不同的无铅钎料出现，但仍以Sn-Ag-Cu系最适合替代传统的材料，这种新合金在市场上占有很大的份额，而且应用范围也很广泛。比如美国的NEMI公司、欧洲的SOLDE-RTEC公司和日本的千住都建议将这种材料作为再流焊过程中的软钎料。

相较于传统的锡铅钎料，无铅钎料具有很大的差异，如熔点高、润湿性差。基于此，使用传统的焊接技术对高密度引线进行焊接时会产生很多缺陷，如锡球与桥连，这对微电子元器件有很大影响。

借助半导体激光器对高密度引线实施焊接时，其突出的特点为不会产生太大热影响。因激光施加的温度场有所限制，能对钎料发生的流动予以有效控制，所以能避免小间距的引线发生桥连缺陷。通过试验可知，采用半导体软钎焊，可以有效提高焊点实际抗拉强度，最大可以提高近50%。实践表明，采用软钎焊后，元器件除了有良好的接头质量，而且还能避免桥连与锡球等问题的产生。

2.影响因素

在焊料的成分、引线与助焊剂都已经确定后，焊点效果则主要取决于焊接的时间和温度。然而，在实际的焊接作业中，焊点温度往往极难控制，所以只能通过焊接时间的有效控制来达到预期的焊接效果。若焊接的时间与钎料成分都已经确定，则激光输出功率会在一定范围内发生变化，这一区域内的所有焊点都是能满足要求的。

为确定最适合的焊接参数，将无铅钎料成分确定为Sn96.5%和Ag3.5%，并将焊接的时间确定为0.8s。在此条件下对焊接质量和输出功率之间的关系进行研究。当输出功率较小时，钎料基本没有润湿，而且还产生了空洞缺陷。而当功率增加时，焊点的形貌将变得光滑，没有氧化的现象，而且微观结构都没有孔洞，所有颗粒的组织都比较细小，钎料和每个接触面均表现出良好润湿性;当功率较大时，钎料会出现明显滑移，而且颗粒组织将变得粗大。基于此，在没有特殊要求的情况下，建议将功率控制在10W左右。

3.发展趋势

截至目前，对于无铅钎料还没有形成统一的国际与国家标准，我国和国外提出的可供选用的合金类型有很多。对激光软钎焊而言，是否适合每一种无铅钎料，尤其是能否适合那些熔点和强度均较高的无铅钎料，是当前相关人员普遍关注的重点问题。

基于此，美国的研究机构对两种钎料实施了对比试验，这两种钎料分别为96.5%Sn/3.5%Ag与63%Sn/37%Pb。经试验可知，相较于Sn-Pb钎料，Sn-Ag的可控性更强。其原因主要是采用激光实施钎焊时，能更加容易达到相对较高的温度。此外还发现，对于熔点较高的钎料，其激光钎焊效果更加显著。这在很大程度上说明几乎所有半导体激光都能和无铅钎料良好兼容。因为以上优势的存在，使半导体软钎焊得到很快速度的发展，主要用于再流焊方面，包括热敏感器件、静电敏感期间与具有选择性的再流焊等。

然而，需要注意的是，因半导体软钎焊所需设备的价格比较昂贵，而且生产效率还低于其他再流焊方法，如红外与热风再流焊，所以现在只能用于对焊接质量提出较高要求的产品及必须进行局部加热处理的产品上。在这种实际情况下，不断提高其生产效率，并通过技术攻关来降低设备造价，成为今后主要发展方向，需要引起相关人员的高度重视。

四、小结

通过上述分析，可得出以下几条结论。一是对于目前新出现的半导体软钎焊，它具有操作简单、易于控制、可以和多种无铅钎料良好兼容的优势，能很好地適应和满足现阶段焊接向无铅化方向发展的基本要求。二是对半导体软钎焊而言，其激光输出参数会对实际的焊接质量造成很大影响，因此在实际工作中，需要根据无铅钎料类型来确定适宜的输出参数，保证参数满足实际焊接要求。三是采用半导体软钎焊时，还应根据实际情况选择正确的方法，这对保证焊接质量而言是十分重要的。具体要参考焊盘尺寸来确定适宜的方法，如果所选方法不合适，将对焊接质量与效率都造成很大影响。

参考文献：

[1]邓亚东.电子元器件表面组装工艺质量改进及应用[J].电子技术与软件工程，2019（2）.

[2]李树永.对电子元器件表面组装工艺质量改进及应用[J].电子技术与软件工程，2018（5）.

[3]唐永泉.对电子元器件表面组装工艺质量改进及应用研究[J].信息通信，2017（3）.

[4]陈华林.电子元器件组装工艺质量的改进方法探析[J].硅谷，2014（16）.

[5]姜建国，王国林，孟宏伟等.一种电子元器件组装结果检测方法[J].西安电子科技大学学报，2014（3）.

[6]王海珍，杨卫，曹国斌.压焊机在微组装电子元器件领域的应用[J].电子工业专用设备，2016（5）.

[7]李青.电子元器件高密度组装中所用高分子材料及技术[J].电子器件，2014（1）.

[8]高艳茹，李小兰.电子元器件表面组装用导电胶粘剂[J].绝缘材料通讯，2015（1）.

（作者单位：江苏省宿城中等专业学校）