关键词 : 激光 软钎焊 微电子焊接
PRESENT STATUS AND D EVELO PM ENT TREND O F LASER SOLD ER ING TECHNOLO GY
Nanjing University of Aeronautics and A stronautics Huang X iang, Xue Songba i, Han Zongjie
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法以来 ,激光软钎焊技术不断发展 ,已得到了广泛的研 究与应用 [ 5 ] 。
1 激光软钎焊的原理
激光软钎焊是以激光作为加热源 ,辐射加热引线 (或无引线器件的连接焊盘 ) ,通过焊膏 (或者预制焊料 片 )向基板传热 ,当温度达到钎焊温度时 ,焊膏熔化 ,基 板 、引线被钎料润湿 ,从而形成焊点 [ 4 ] 。
关于 YAG激光软钎焊的研究较多 ,近年来国外先 后有人研究了利用 YAG激光焊接细引线及对其焊点 的检测技术 [ 9 ] ,研究了不同波长下 Q 开关的 YAG激光 去除铜表面氧化物的性质 [ 10 ]等等 ;在国内 ,近年来先后 研究了真空 /控制无钎剂激光软钎焊系统 [ 11 ]和 YA G激 光加热控制微细焊点钎料熔融方法 [ 12 ]等 。 2. 2 半导体激光软钎焊系统特点
半导体激光器又称激光二极管 LD (Laser D iode)或 注入型激光器 ,它是一类电流激励的理想的光子元器 件 。最常见的是 GaA lA s - GaA s双异质结激光器 ,其输
图 2为激光软钎焊系统的基本原理图 。由于激光 软钎焊的核心部件是激光器 ,所以激光软钎焊系统的 发展主要是激光器的发展 [ 5 ] 。可用于焊接的激光器种 类繁多 ,但实际用于生产的激光器主要是气体 、固体和 半导体激光器三种 。根据激光器的种类 ,激光软钎焊 也可分为 : CO2 激光软钎焊 、YAG固体激光软钎焊和半 导体激光软钎焊三种 。
激光辐射加热时 ,材料温度的提高会导致它的光 学性质和热物理性质的变化 ,造成热膨胀 ,同时也会形 成固态相变和熔化 。一般在不考虑光束的能量特性和 物质性能的情况下 ,材料温度的提高速度决定于光束 辐射受热穿透层的厚度 δ和辐射聚焦成光斑的辐射区 半 r0 之比 (图 1) 。
焊接 2006 (8)
K———材料导热系数 ; x———基材热传导方向的长度 ;
t———激光加热时间 。 由于激光软钎焊的激光束可以简化为表面热源 ,
即 αtµ δ,则焊接辐射中心的温度 Tn 可以表示为下
式:
Tn
= 2q0 αt
K
1 π
-
ierfc 2
r0
αt
+ TH
(2)
式中 ierfc———概率积分补充函数 ;
TH ———样品的起始温度 。
CO2 激光器的应用还不十分广泛 [ 6 ] 。 固体激光器中应用最广泛的是 Nd: YAG激光器 ,
YAG激光 器 是 掺 钕 的 钇 铝 石 榴 石 (Nd3 + : YAG, 含 Nd3 +的 Yttrium - A lum inum - Garnet)固体激光器的简 称 ,它的激光材料是掺钕的钇铝石榴石 (Nd3 + : YAG) , 产生激光跃迁的波长为 1. 06 μm。波长较短有利于激 光的聚焦和光纤传输 ,也有利于金属表面的吸收 。焊 接中有三种光学方式 [ 7 ] :光点移动式 、线状光束照射式 和扫描式 。用 YAG激光器 ,平均输出功率为 0. 3 ～3 kW ,目前国外 YAG激光器的最大功率可达 4 kW 以 上 。 YAG激光器可在连续或脉冲状态下工作 ,也可以 在调 Q 状态下工作 。三种输出方式的 YAG激光器特 点见表 1[ 4 ] 。
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专题综述
激光软钎焊的研究现状及发展趋势
南京航空航天大学材料科学与技术学院 (210016) 黄 翔 薛松柏 韩宗杰
摘要 激光软钎焊技术在微电子焊接和封装方面具有重要的应用价值 。阐述了激光软钎焊的原理 ,简要介绍 了 CO2 激光 、YAG激光及半导体激光软钎焊系统各自的工艺特点 ,分析了各种激光软钎焊方法的不足及需要进一 步研究解决的问题 ,并对激光软钎焊的发展趋势进行了分析预测 。特别是解决了激光软钎焊的激光实时监控 、焊 点缺陷实时检测 、焊接智能化等技术问题后 ,将会得到更为广泛的应用 。
2 常见激光软钎焊系统的特点
激光软钎焊根据其用途可分为 :激光再流焊 ,激光 钎料键合 ,激光钎料植球等 ,但基本原理大致相同 ,都 是利用激光束直接照射焊接部位 ,焊接部位 (元器件引 线和钎料 )吸收光能并转化为热能 ,温度急剧上升到焊 接温度 ,导致钎料熔化 ,激光加热停止后 ,焊接部位迅 速冷却 ,钎料凝固 ,从而形成可靠的焊接接头 。目前 , 激光软钎焊在微电子焊接和封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 外引线凸点的制作 、Flip Chip 的芯片上凸点的制作 、BGA 凸点的返修 、TAB 器 件引线的连接等等 。
Abstract Laser soldering technology has been found an important app lication in m icro2electronic joining and packa2 ging. The p rincip le of laser soldering was addressed, and the characteristics of CO2 laser system , YAG laser system and di2 ode laser system were also p resented. The emphasis was focused on the characteristics of laser soldering p rocesses and their p roblem s to be studied, and the shortcom ings of laser system s were analyzed. It will have w ider app lication when some p roblem s, i. e. simultaneous controlling to laser soldering system , real time monitoring to the joint defects and the intelli2 gent soldering are solved respectively.
～100 ～0. 001
YAG激光设备可采用连续 、脉冲和 Q 开关型 ,并可 采用直射光学系统和光纤传送系统 。 YAG激光光纤传 送损失较小 ,约为 2 dB / km ,有利于能量传送 。激光传 导光纤有 GI ( Graded Index) 型和 SI ( Step Index) 型两 种 。 GI型可获得高斯分布的激光功率密度分布 ,但因 涂了 Ge,易损伤 ,不适于大功率传送 ,因此 ,大功率激光 器一般 采 用 SI型 。电 子 封 装 品 等 微 小 部 件 的 脉 冲 YAG激光焊接已经实用化 ,近年来已研制出具有高质 量 、高 亮度和 高功 率的 连续 谐振 型 YAG 激 光 装 置 。 图 3为 YAG激光软钎焊示意图 。由于 YAG激光与等 离子体的相互作用比 CO2 激光小得多 ,大功率 、低速度 YAG激光钎焊具有良好的发展前途 [ 8～9 ] 。
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器的体积相对比较庞大 。CO2 激光器输出光束为长宽 比值很大的矩形光斑 ,不同方向发散角也不同 ,因此不 太适合电子工业的激光精密加工 。由于射频信号对人
体有危害 ,射频激励技术复杂 ,价格昂贵 ,不利于普及 和推广 。CO2 激光器产生的激光辐射一般在远红外区 段 ,波长为 10. 6μm ,这样波长的激光通常几乎全部被 金属表面反射 ,易被有机物或玻璃吸收 (如环氧树脂和 陶瓷基底 ) ,因此必须控制 CO2 激光直接照射到焊膏 上 ,使其被钎剂强烈吸收 ,受热的钎剂再将热量传递给 钎料 。同时 ,还要避免 CO2 激光直射 PCB 而造成 PCB 板的损坏 。 CO2 激光器辐射波不能通过光纤进行传 输 ,操作不太方便 ,使得 CO2 激光软钎焊系统不能充分 发 挥激光软钎焊系统应有的优势 ,在微电子焊接方面 ,
Key words: la ser, solder ing, m icro2jo in ing
0 前 言
随着 IC ( Integrated circuits) 芯片设计水平和制造 技术的提高 , SM T ( Surface mounting technology)正朝着 高密 度 、高 可 靠 性 的 微 型 化 方 向 发 展 。目 前 , QFP (Quad flat package)的引线中心间距已达到了 0. 3 mm , 单一器件上的引线数目可达到 576 条 [ 1 ] 以上 ,利用传 统的气相再流焊 、热风再流焊及红外再流焊等方法焊 接这类细间距元器件时 ,极易发生相邻引线焊点的“桥 连 ”[ 2 ] ,因此 ,必须研究采用新的焊接方法 。与此同时 , 出于环境保护的需要 ,钎料的“无铅化 ”正在世界范围 内推行 [ 3 ] , 由于适用的无铅钎料 (如 Sn - A g - Cu 钎 料 )的熔点比 Sn - Pb钎料通常高出 20～30 ℃,不仅进 一步加剧了高密度封装器件引线焊点的“桥连 ”问题 , 还对钎焊工艺 、基板材料 ,以及不同材料间的相互影响
输出方式 连续型 脉冲型 Q - 开关型
—
平均功率 P / kW 0. 3～4 ～4 ～4
表 1 不同输出方式 YAG激光器的特点
峰值功率 Pm / kW —
脉冲持续时间 t/μs 脉冲重复频率 f / kHz
—
—
～50
200～20 000