激光软钎焊的原理和设备

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1、1激光软钎焊的原理和设备激光软钎焊(LaserSoldering)根据其用途又有：激光再流焊(LaserReflowSoldering)、激光钎料键合(LaserSolderBonding)、激光钎料植球(LaserSolderBumping)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

2、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、Flipchip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。1.1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

3、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

4、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。2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

5、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3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

6、，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(SelectiveMiniwaveSoldering)、选择性热风钎焊(SelectiveHotGasSoldering)和选择性激光钎焊(SelectiveLaserSoldering)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

7、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