激光軟釬焊技術及其在高精度慣性儀表中的應用探索

余正海， 胡玉龍， 董清宇， 梁 濤， 段 榮， 張福禮

（1.北京航天萬鴻高科技有限公司，北京100039；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

慣性儀表是慣性導航與制導系統的核心器件，其性能直接決定導航與制導的精度［1］。目前，慣性儀表中的許多關鍵精密部位均采用傳統電烙鐵加熱方式來焊接，這不僅對操作者技能要求高，而且焊接質量一致性難以保證［2］。因此，實現慣性儀表的自動化精密焊接意義重大。

1974年，美國學者Bohnman首先將CO2激光應用到微電子組裝的釬料互連中，隨后第一臺商業激光軟釬焊設備于1976年投入使用，自此激光軟釬焊技術和設備的研究迅速發展起來［3-4］。 Zhalefar等［5］研究了在半導體軟釬焊的回流過程中殘留的助焊劑對焊盤表面的影響，發現在用半導體激光對銦的封裝中，活性天然松香助焊劑能使焊點達到最好的封裝質量。南京航空航天大學的韓宗杰等［6-7］針對方型扁平式封裝技術（QFP）元器件，重點分析了焊接功率和時間對釬料的潤濕鋪展行為的影響，研究了焊點內部的微觀組織和IMC的形成變化過程及焊點的可靠性和熱循環疲勞問題，最終證明了半導體激光軟釬焊工藝在焊點質量方面的優越性。

激光軟釬焊具有非接觸式加熱、局部微區快速加熱、工藝參數精確可控、靈活且易于實現自動化等技術特點，是有望實現慣性儀表自動化焊接的可能途徑。目前，尚無文獻研究報道慣性儀表的自動化焊接。本文以儀表外殼絕緣子引線焊接為例，自主設計激光軟釬焊系統進行慣性儀表焊接的探索應用研究。

1 激光軟釬焊技術原理及特點

1.1 激光軟釬焊技術原理

激光軟釬焊是以激光束為熱源，輻射加熱電子器件的引腳、無引線器件的連接焊盤，甚至直接加熱焊膏／焊球，通過傳熱或者直接加熱的方式使釬料呈熔融的狀態。熔融的釬料在表面張力和重力的作用下，在焊盤、引線、器件端面等金屬層潤濕鋪展，并最終達到平衡形成焊點。釬料原子與被焊金屬之間由于元素的擴散形成金屬間化合物層，從而達到冶金連接作用［8-9］。激光輻射對材料的作用機理如圖1所示。

圖1 激光輻射對材料的作用機理Fig.1 Mechanism of laser radiation on materials

激光輻射加熱時，材料溫度的提高會導致其熱物理性質的變化。一般在不考慮光束能量特性和物質性能的情況下，材料溫度的升高速度取決于光束輻射受熱穿透層的厚度δ和輻射聚焦形成光斑的輻射區半徑r0之比［10-11］。

當激光輻射均勻照射材料表面時，導熱系數的微分方程為

式（1）中，ΔT為材料表面溫度的變化，K為材料導熱系數，R為表面反射系數，a為線性吸收系數，q0為樣品表面的激光輻射通量密度，l為激光穿透基材的深度，x為基材熱傳導方向的長度，t為激光加熱時間。

由于激光軟釬焊可以簡化為表面熱源，即at＞＞δ，則焊接輻射中的溫度Tn可以表示為

式（2）中，TH為樣品的起始溫度，ierfc為概率積分補充函數。

1.2 激光軟釬焊技術特點

激光軟釬焊因其獨特的技術優勢，具有諸多特點， 主要如下［11-14］：

1）非接觸式加熱，對點焊頭材料及形狀無要求，且無需更換，維護方便；

2）局部加熱，激光束能夠精確定位于待釬焊部位，熱影響區小，局部限制的熱輸入避免了對周圍材料的熱損傷，尤其是熱敏感元件；

3）靈活且易于實現自動化，可實現常規方式不易施焊部位焊接或多工位連續焊接，且通過軟件編程可實時控制激光軟釬焊設備，可實現焊接流程全自動化的目標；

4）重復操作穩定性好，釬劑對焊接工具污染小，且激光照射時間和輸出功率易于控制，焊接成品率高，重復性好；

5）激光束易于實現分光，可用半透鏡、反射鏡、棱鏡及掃描鏡等光學元件進行時間與空間分割，能實現多點同時對稱焊；

6）工藝參數精確可控，針對不同材料的元器件，選擇適合的激光波長，可通過控制工藝參數以獲得均勻的焊點質量；

7）焊點小，可達0.1mm2甚至更小，且均勻一致；

8）焊點可靠，基板材料溫度上升相對較小，減小了機械應力，且釬料的快速熔化和冷卻可以產生微細的焊點微觀組織，提高焊點的抗疲勞壽命；

9）可配備CCD監視器，對位準確，有效避免了虛焊、漏焊、短路等焊接缺陷。

2 激光軟釬焊技術在高精度慣性儀表中的應用探索

2.1 儀表絕緣子簡介

絕緣子是慣性儀表中連接固定部件與活動部件的輸電裝置之一，為儀表活動部件中的諸項電器部件（如馬達、力矩器等）提供電能輸入和電信號輸出。絕緣子引線焊接是某型高精度慣性儀表生產的關鍵工序之一，其主要特點有：1）焊接工作量大，僅單個儀表外殼就有20多個絕緣子引線需要焊接；2）手工焊接易破壞玻璃和膠接面，因人工難以精準控制焊接的熱量和時間，極易出現因破壞玻璃和膠接面導致儀表漏率超差和絕緣不良的問題；3）焊接質量一致性差，因對焊點的外形、高度等均有嚴格要求，不同技能水平的操作者焊接的絕緣子引線質量參差不齊，目前只有極少數操作者能夠掌握該項焊接技術。圖2為儀表絕緣子示意圖。

2.2 激光軟釬焊系統設計

（1）激光器選型

激光軟釬焊系統的核心部件是激光器，激光器的種類繁多，但應用于生產的激光器主要是氣體激光器、固體激光器和半導體激光器三種。氣體激光器是以氣體或蒸汽為工作物質的激光器，固體激光器是以絕緣晶體或玻璃作為工作物質的激光器，半導體激光器是一類電流激勵的理想光子源器件。

圖2 儀表絕緣子示意圖Fig.2 Schematic diagram of instrument insulator

激光器的選型是激光軟釬焊系統設計的關鍵內容。相對于10.6μm波長的CO2激光和1.06μm波長的Nd：YAG激光，大部分金屬對808nm半導體激光的反射最弱，且半導體激光照射區域被限制在引線和焊盤范圍內，其突出的特點是對元器件的熱影響小。因此，選擇808nm半導體激光器來設計儀表外殼絕緣子焊接系統。

（2）激光軟釬焊系統研制

激光軟釬焊系統主要部件有：808nm半導體激光器、武藏ML-808GX型號精密點膠機、三維微型滑臺、自主設計工裝等。在該系統下進行絕緣子引線焊接工藝試驗，試驗首先采用點膠機通過控制吐出氣壓和時間來定量輸送絕緣子引線焊接所需焊錫膏，然后在激光的輻照作用下焊錫膏熔化形成焊點。圖3為自主設計的半導體激光軟釬焊系統。

圖3 自主設計的半導體激光軟釬焊系統Fig.3 Semiconductor laser soldering system by self-design

2.3 絕緣子引線激光軟釬焊工藝

（1）焊接工藝參數優化

儀表絕緣子引線焊接效果的兩個主要影響因素為錫膏量和焊接工藝參數。試驗首先通過控制點膠機吐出氣壓和時間來確定絕緣子引線焊接所需最佳錫膏量，然后優化焊接工藝參數。考慮絕緣子引線焊接時受熱均勻性因素，采用垂直照射的方式進行焊接。因此，激光功率和離焦量是影響焊接質量的兩個主要工藝參數。針對這兩個工藝參數進行優化試驗，基于產品尺寸，離焦量為2mm比較適合焊接。激光參數的設置對防止錫膏噴爆至關重要，采用分段式設置激光功率。初始階段為低功率烘烤，逐漸升高錫膏溫度，然后快速升至最佳焊接功率，避開錫膏的沸騰溫度，持續最佳焊接功率一段時間后降低功率回流。經大量試驗，得到激光的優化參數曲線，如圖4所示。

圖4 激光的優化參數曲線Fig.4 Optimized parameters curve of laser

（2）焊接溫度曲線及熱影響區溫度檢測

采用德國米銥生產的型號為TIM450-MS的紅外熱成像儀檢測絕緣子引線焊接過程中的溫度變化情況，圖5為焊接溫度曲線。從圖5可以看出，錫膏預熱后，快速升高到250℃（焊接溫度）左右，然后冷卻形成焊點。

絕緣子引線焊接過程中的熱量控制好壞對周圍熱影響區（玻璃和膠接面）的影響非常大。目前的人工焊接過程中，如操作者技能水平不夠高，極易出現因焊接過熱而破壞玻璃和膠接面的問題。

圖5 焊接溫度曲線Fig.5 Curve of welding temperature

同樣，采用德國米銥生產的型號為TIM450-MS的紅外熱成像儀來檢測絕緣子引線激光軟釬焊過程中熱影響區的溫度變化情況，圖6為熱影響區的溫度測試。從圖6可以看出，絕緣子引線激光軟釬焊的熱影響區最高溫度不超過25℃，遠低于膠的熔化溫度（150℃）。因此可得出結論，激光軟釬焊過程的熱量不會對玻璃和膠接面帶來不良影響。

圖6 熱影響區的溫度測試Fig.6 Temperature test of heat affected zone

2.4 絕緣子引線焊接效果檢驗

在激光優化參數下進行絕緣子引線整表的焊接試驗，圖7為絕緣子整表焊接效果。從圖7可以看出，焊點外觀質量良好，大小均勻一致。

（1）焊點外觀質量檢驗

慣性儀表結構復雜、精度高，對焊點大小及焊接質量一致性要求極高。對絕緣子引線焊點，采用Leica S8AP0顯微鏡在40倍下對比分析激光焊接與人工焊接外觀質量，圖8為焊點光學照片。從圖8可以看出，激光焊接的絕緣子引線焊點飽滿圓潤、光亮，無氧化、發暗、凹坑等缺陷，焊接效果與人工焊接相當。

圖7 絕緣子整表焊接效果Fig.7 Welding effect of insulator

圖8 焊點光學照片Fig.8 Optical photo of solder joint

（2）焊點抗拉強度檢驗

對絕緣子引線焊點進行拉伸試驗，以10mm／min位移速率逐漸增大拉力，直至將引線拉斷。進行50余次拉伸試驗，焊點處未出現因焊接不實而導致的引線松脫現象，引線拉伸斷裂處均在引線其他位置，焊點完好無損，焊點抗拉強度超過20MPa（引線的本征抗拉強度）。焊點拉伸強度檢驗效果如圖9所示。

圖9 焊點拉伸強度檢驗效果Fig.9 Inspection effect of solder joint tensile strength

（3）焊點絕緣性能檢測

采用250V兆歐表依次檢測儀表外殼絕緣子焊前、焊后及溫循后的絕緣電阻，其溫循條件為低溫-20℃、高溫 80℃，升降溫速率為 3℃／min～5℃／min，每個溫度點保溫2h，共循環20次，結果如表1所示。從表1可以看出，絕緣子焊前、焊后及溫循后的絕緣電阻均為7250MΩ，其焊后及溫循后的絕緣性能與焊前一致。

表1 絕緣電阻Table 1 Insulation resistance

（4）焊點 X 光檢測

焊點常見的缺陷主要包括空洞、虛焊、裂紋等，其中以空洞缺陷最為常見，主要是由于焊料中有機物在高溫下產生的氣體無法及時逸出導致的，容易引起焊點機械強度、導熱、導電性能的下降，嚴重時影響信號的傳輸。

對絕緣子引線焊點，采用 Nordson Dage XD7600NT Ruby FP X光檢測系統檢測其內部焊接質量。圖10（a）為整表焊點 X光照片， 圖10（b）為單個焊點X光照片。從圖10（a）可以看出，焊點大小一致性好。從圖10（b）可以看出，引線輪廓清晰，潤濕良好，無明顯空洞和氣泡，焊接效果優良。

（5）焊點切片檢測

對絕緣子引線焊點進行切片試驗，沿著與引線平行的方向將焊點對半切開。對剖切后的焊點樣品進行鑲嵌、研拋，采用型號為 Supra 55VP＆Genesis-60的場發射掃描電鏡對焊點進行微觀形貌及金屬間化合物層（簡稱IMC層）的檢測分析。 圖11（a）為焊點整體 SEM 圖， 圖11（b）為IMC層局部SEM圖。

圖10 焊點X光檢測照片Fig.10 X-ray inspection of solder joint

依據 《IPC-A-610電子組件的可接受性》質量檢測標準，允許焊球內部存在小尺寸的空洞，當空洞面積小于焊球面積的25%時，焊接質量可以接受。從圖11（a）可以看出，引線的某幾股線芯之間存在空洞（黑點位置），但其面積遠小于焊球面積，滿足要求。

從圖11（b）可以看出，焊點IMC層連續不間斷分布，并呈現出CuSn合金的扇貝狀特性［15-17］。目前，針對IMC層的厚度尚無明確規定，過薄則焊接不牢，過厚則導致缺陷生長，通常的參考厚度范圍為0.4μm～4μm。對焊點的IMC層選擇扇貝狀的波峰、波谷及中間位置測量其厚度，結果如表2所示。從表2可以看出，IMC層平均厚度為0.558μm，在0.4μm～4μm范圍內。隨著時間的推移，IMC層會不斷生長而出現裂紋等缺陷。因此，IMC層也不是越厚越好。

圖11 焊點SEM圖Fig.11 SEM of solder joint

表2 IMC層厚度Table 2 Thickness of IMC layer

3 結論

經過40多年的發展，對激光軟釬焊技術的原理、特點、工藝參數等方面已有大量研究。針對解決目前傳統手工焊接慣性儀表外殼絕緣子引線工作量大、易破壞玻璃和膠接面、質量一致性差等問題，本文通過自主設計的激光軟釬焊系統來進行絕緣子引線焊接試驗。經大量試驗，得到焊接優化工藝參數曲線，并對焊點外觀質量、抗拉強度、絕緣性能、內部質量等進行檢驗分析。試驗結果表明，焊點外觀質量與人工焊接相當，抗拉強度高于20MPa（引線本征抗拉強度），絕緣電阻為7250MΩ，金屬間化合物層（IMC層）平均厚度為0.558μm。激光軟釬焊的絕緣子引線抗拉強度高、絕緣良好、質量可靠，是有望替代人工實現慣性儀表自動化焊接的有效途徑，后續將繼續開展絕緣子引線自動激光軟釬焊設備的研制工作。