激光軟釬焊在微電子焊接領域的應用及發展

彭必榮， 肖 華， 歐陽忠華， 李善宇

大族激光科技產業集團股份有限公司，廣東 深圳 518000

0 引言

當下電子技術發展迅猛，產品向著小型、便攜、功能多樣、性能可靠、成本低廉等方向發展，微電子連接技術在電子行業生產中起著至關重要的作用。微電子焊接技術主要是指電子元器件和電路微小型化設計制造工藝中的連接技術［1］，大多采用軟釬焊［2］方式實現，這種焊接主要是以錫基軟釬料作為填充金屬。常規的錫基軟釬焊形式多樣，針對不同產品結構、焊點形式、元器件周邊結構及電氣性能要求可采取不同工藝形式，最常見的烙鐵軟釬焊、波峰焊、回流焊、熱壓焊等都能很好地適應合適的焊點結構，實現產品的高效自動化生產。隨著電子產業升級迭代，工藝對焊接過程中溫度控制、焊點周邊熱影響程度、精密焊接程度、自動化線體長度及能耗控制等要求越來越高，普適性更好的激光軟釬焊工藝方式能夠更好地解決傳統軟釬焊工藝中無法兼容的焊點類型，兼容更多的釬料形式及釬料類型?？梢灶A見，隨著微電子行業的加速升級，以激光為熱源的軟釬焊工藝將會在電子工業中扮演愈發重要的角色，其應用也會越來越廣泛。

1 激光軟釬焊基本原理及常見工藝

1.1 基本原理

激光軟釬焊以激光熱源為加熱主體，配合熔點在450 ℃以下的錫基軟釬料，通過加熱焊點及軟釬料，使釬料熔化、鋪展、填充焊縫、固化，最終達到連接、導通、加固的工藝效果［1-2］。作為非接觸式的熱源，激光能夠很好地實現傳統方式無法達到的工藝要求，如非接觸式加熱，工藝參數精確可控，重復操作穩定性好等。同時，激光具有很好的聚集效應，熱量集中的同時對焊點周邊區域熱影響很小，有利于防止產品焊點周圍結構的變形損傷。相較于傳統軟釬焊工藝，激光軟釬焊適應的焊點結構更廣，人力消耗更少，能更好地適應不同類型產品的生產要求。同時，激光軟釬焊系統易于與不同類型產線形式結合實現自動化生產，能耗相對更低，更加符合智能智造理念［3-4］。不同軟釬焊工藝對比如表1所示。

表1 不同軟釬焊工藝對比Table 1 Comparison of different soldering processes

1.2 常見的三種激光軟釬焊工藝

1.2.1 激光錫膏焊接工藝

激光錫膏焊接工藝以錫膏為焊接釬料，通過激光加熱釬料及相關焊點，釬料在激光熱源作用下熔化、鋪展、凝固，最終達到微電子焊點連接目的［5］，焊接工藝流程如圖1 所示。此種工藝步驟簡單、方便靈活、適應性最廣，能夠滿足插裝、貼裝等多種微電子封裝形式，很好地適應由于周邊結構件干涉而無法進行傳統釬焊工藝的微電子焊接類型。

圖1 激光錫膏焊接工藝流程Fig.1 Process of laser solder paste soldering

如圖2 所示，激光錫膏焊接工藝在工業生產中釬料的供給需要配合點錫設備，根據釬料種類、粉粒參數、助焊劑含量等不同選擇合適的點錫閥體［6］，實現自動的點錫步驟。激光器通常選擇808 nm、915 nm、980 nm波長的半導體激光器以實現焊點區域的溫控均勻加熱。

圖2 激光錫膏焊接設備組成Fig.2 Composition of laser solder paste soldering equipment

1.2.2 激光填絲軟釬焊工藝

激光填絲軟釬焊以錫絲作焊接釬料，激光加熱PCB焊盤至預設溫度后同步送絲，激光加熱過程中實現送/回絲動作，供給釬料在焊點處熔化、潤濕、鋪展，達到微電子結構連接目的，工藝過程如圖3所示。該工藝在傳統烙鐵釬焊工藝基礎上將熱源形式用非接觸式的激光熱源替代，相比于傳統熱傳導加熱方式，激光輻射加熱能量利用率更高，加熱更加精準的同時有效減少了釬焊過程中熱源對周邊電器元件的影響，更適宜于微電子連接中精密加工要求。同時，兼容常規的錫絲軟釬料形式，配合送絲裝置中的破錫機構能夠有效改善工藝過程中助焊劑飛濺問題［7］。相較于激光錫膏方式，焊后助焊劑殘留更少，無錫珠殘留、飛濺問題，適合于對助焊劑及錫珠殘留有嚴格要求的插裝及貼裝焊點結構產品。

圖3 激光填絲釬焊加熱同步送絲動態過程Fig.3 Dynamic process of laser solder wire soldering heating synchronous wire feeding

生產中釬料的供給配合送絲機構實現通常采用激光頭旁軸方式送絲，如圖4 所示。根據焊點大小及工藝需求選擇合適的錫絲規格及成分類型［9］。同時，根據工藝及自動化需求也可以配合多機構或機械手送絲方式以實現高效、自動化生產。激光器及外光路選型通常與激光錫膏焊接方式相同。

1.2.3 激光錫球焊接工藝

激光錫球焊接以錫球為焊接釬料，形式上與錫膏、錫絲釬料相差較大。激光瞬時作用于充滿保護氣體的腔體噴嘴端部的錫球上，錫球呈熔融狀態的瞬間，保護氣體將熔融錫球噴于焊點處，熔融釬料在焊點處潤濕鋪展形成連接和導通，工藝原理如圖5 所示。該工藝較傳統軟釬焊形式有較大區別，依靠激光作用于錫球后，熔融錫球熔錫潛熱實現釬料的流動鋪展。軟釬料起源于早期BGA植球工藝［9］，釬料中無助焊劑成分，需要依靠保護氣體以保證熔錫在熔融狀態下無氧化，保持良好的潤濕及鋪展效果。此類工藝激光作用時間短，焊接效率高，適合微型插針結構及微型貼裝結構高效、自動化生產。

圖5 激光錫球焊接工藝方式原理示意Fig.5 Schematic diagram of laser solder ball soldering

工藝上需要結合錫球供求機構，配合旁軸CCD定位焊接，如圖6 所示。根據焊點大小擬定合適規格尺寸的錫球、選擇相應的錫球機構以滿足不同的焊接場景。激光器通常選擇波長為1 070 nm 的光纖激光器以滿足焊接要求。

圖6 激光錫球焊接系統Fig.6 Laser solder ball soldering system

2 激光軟釬焊工藝在各領域的應用

2.1 激光軟釬焊在數碼電子領域的應用

3C數碼電子領域元器件結構設計精密，功能復雜，傳統生產中常規的微電子焊接工藝方式主要以回流焊方式為主，主流工藝流程：產品組裝→刷印錫膏→元器件定位貼合固定→線體流動經過相關工藝爐完成焊接［10］。傳統工藝方式能夠在保證質量的情況下實現高效、快速、批量生產，回流焊的次數是影響焊點可靠性的關鍵因素之一。然而隨著3C數碼領域產品功能的完善及發展，部分功能焊點結構已經不再適宜于傳統釬焊方式，如熱敏材料使用導致生產過程中產品無法做到整體加熱；個別焊點單獨焊接若采用常規批量焊接方式會造成資源上的浪費。激光軟釬焊工藝方式對焊點周邊幾乎無熱影響，在治具合理設計的情況下能夠很好地適應高精密微電子焊接結構，更好地兼容插件、貼件等多種形式的封裝要求。激光軟釬焊在數碼電子領域應用如圖7所示。

圖7 激光軟釬焊在數碼電子領域應用Fig.7 Application of laser soldering in digital electronics

2.2 激光軟釬焊在汽車電子領域的應用

汽車電子領域微電子焊接呈現出焊點種類、工藝類型多樣，焊接要求嚴格，工藝相對復雜等特點，不同產品類型及焊點結構相差較大，常規的軟釬焊形式很難兼容多種焊點結構。同時，該領域產品的微電子焊接自動化程度要求較高，對產品的工藝質量及流出良率要求極其嚴格。激光軟釬焊方式有著很好的柔性加工特性，能量形式通過光纖傳輸，焊接頭可以配合工作平臺或機械手形式生產，自動化方案相較于傳統釬焊方式更加靈活，能夠更好地與AOI檢測設備等結合，最大程度地保證產品的生產輸出良率。

汽車電子中產品出于功能以及可靠性考慮常會有深孔結構，傳統釬焊工藝針對此類產品很難實現高效、高質量生產，加工過程中容易出現殼體燙傷、產品功能受損等缺陷。激光軟釬焊工藝加熱過程中無物理接觸，釬料可通過點涂、預置或噴射等形式供給，激光輻射加熱不受深孔結構影響，能很好地適應此類微電子封裝結構。激光軟釬焊在汽車電子領域應用如圖8所示。

圖8 激光軟釬焊在汽車電子領域應用Fig.8 Application of laser soldering in automotive electronics

2.3 激光軟釬焊在光學組件封裝領域的應用

光學組件封裝領域的應用較為特殊，助焊劑殘留會導致鏡組及光學器件表面污染，極大程度地影響產品功能特性。但助焊劑又是軟釬焊工藝中的關鍵一環，焊接過程中能起到去除焊點表面氧化層、增加材料表面潤濕性、降低合金層形成溫度、增加熔錫鋪展面積作用，傳統釬焊工藝過程中會以不同形式添加助焊劑，并引入焊后清洗工序去除助焊劑殘留。激光錫球焊接工藝以無助焊劑成分的錫球釬料作為焊接填充料，通過保護氣體實現焊接加熱過程中釬料無氧化，保證釬料在材料表面的良好潤濕。這種工藝方式能夠實現產品焊后無助焊劑殘留，免去焊后清洗工序，大幅降低生產成本。同時，作為精密加工方式，激光錫球焊接單次焊接釬料量穩定，焊點一致性高，每個焊點釬料量偏差最小，配合CCD高精度定位以及自動化方式生產能夠很好地保證此類產品的生產良率及效率。激光軟釬焊在光學組件封裝領域應用如圖9所示。

圖9 激光軟釬焊在光學組件封裝領域應用Fig.9 Application of laser soldering in optical component packaging

3 激光軟釬焊工藝的應用難點及發展方向

3.1 激光軟釬焊工藝中的典型焊接缺陷

同傳統軟釬焊工藝相比，非接觸式激光熱源與焊點間無直接的物理接觸，焊點受熱更加均勻、充分，不會出現焊點拉尖、表面空洞等不良。同時，激光軟釬焊工藝中釬料供給相對更加精準，焊點大小及整體工藝一致性優于傳統軟釬焊方式。由于熱源形式有別于傳統軟釬焊工藝，焊接缺陷與傳統軟釬焊工藝也存在明顯區別：對于長針腳插件焊點，激光加工過程中，針腳對激光反射易造成PCB綠油層灼傷缺陷；激光錫膏焊接過程中，由于能量參數設計不合理、錫基釬料選型及保存使用不當易出現飛濺、錫珠殘留等缺陷；激光錫球焊接工藝中釬料無助焊劑成分，對焊點潔凈度要求較高，焊點表面氧化易造成熔錫鋪展不良、虛焊等工藝問題；不同材料對激光吸收率區別較大，激光軟釬焊工藝中焊點周邊塑料結構及元器件會過多吸收激光輻射能量而出現熱縮變形、功能損壞。激光軟釬焊工藝中典型的工藝缺陷形式如圖10所示。

圖10 激光軟釬焊工藝中典型的工藝缺陷形式Fig.10 Typical process defects in laser soldering

3.2 激光軟釬焊工藝應用難點及發展方向

雖然激光軟釬焊工藝已在微電子焊接領域廣泛應用，然而該工藝也存在很多應用難點亟待解決：激光作為一種高能量密度熱源，其中心與周邊能量梯度較大，激光錫膏焊接中，熔錫過程相對劇烈，錫珠殘留問題難以完全克服；產品焊點導熱過大、結構針腳過長時，長時間較高功率的激光加熱容易出現反射燒傷等不良缺陷；激光軟釬焊工藝通常采用逐點焊接的加工方式，對于批量焊點類型產品，效率上不如波峰焊接和回流焊接；激光軟釬焊工藝對焊點結構依賴較高，工藝影響因素較傳統軟釬焊工藝更為復雜，針腳長度、釬料儲存使用方式、治具材料選擇、物料管控、周邊溫度環境等均會在一定程度上影響焊接工藝。激光軟釬焊工藝的進一步升級與發展主要著眼于工藝能達到更好的焊接品質、能夠在更多領域和焊接結構上使用、具有更高的焊接生產效率、更能滿足于產品智能精密生產的需求。激光能量分布優化及短波長激光在軟釬焊應用能夠在一定程度上改善錫珠殘留及工藝反射問題。同時，隨著激光軟釬焊工藝在微電子焊接領域的進一步推廣應用，產品的焊點結構設計及工藝制程也會更加貼合于新型軟釬焊工藝，從而促進激光軟釬焊工藝的發展。激光同步和準同步焊接方式的研究能夠優化現有激光軟釬焊效率，補強激光軟釬焊在相關焊接應用的效率短板。與激光軟釬焊工藝配套的軟硬件升級能夠進一步提升激光軟釬焊工藝的智能精密加工屬性。

4 總結與展望

（1）激光軟釬焊作為一種新型的微電子焊接形式目前應用愈發廣泛，非接觸式加熱加工形式較傳統軟釬焊具有較大優勢，隨著微電子產業向著小型化、精細化、高集成度方向發展，可以預見激光軟釬焊工藝將在微電子焊接領域扮演更加重要的角色。

（2）激光軟釬焊形式多樣，可以針對焊點結構、工藝要求不同，選擇合適的激光軟釬焊工藝以應對不同的工藝場景。針對工藝要求、應用場景、自動化程度要求不同可以定制合適的激光軟釬焊自動化生產方案，實現產品的高效、高質量生產。

（3）激光軟釬焊工藝已在不同領域的微電子焊接場景中廣泛應用，3C數碼領域、汽車電子領域、軍工電子、通信電子領域等由于焊接要求、工藝側重點、釬料成分及釬料形式要求相差較大，激光軟釬焊相較于傳統釬焊工藝方式有著更好的普適性和兼容性，能夠應對更多封裝場景。隨著激光軟釬焊的廣泛應用，根據其工藝特點設計的焊點類型及微電子連接形式能進一步提升該工藝效果，從而促進激光軟釬焊在微電子焊接領域的發展。

（4）激光軟釬焊熱源形式有別于傳統軟釬焊工藝，焊接缺陷與傳統軟釬焊工藝也存在明顯區別。當前激光軟釬焊工藝仍然存在較多應用難題，隨著針對軟釬焊激光光源研究的不斷深入、產品和工藝制程設計與激光工藝特點匹配性的逐步提升、激光作用方式及周邊軟硬件的全面升級，激光軟釬焊工藝在微電子焊接領域的應用勢必會更加成熟。