電子組裝元器件半導(dǎo)體激光無(wú)鉛軟釬焊技術(shù)研究.pdf

1、微電子元器件微、小型化以及綠色環(huán)保無(wú)鉛釬料的應(yīng)用，給傳統(tǒng)的電子組裝工藝帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。研發(fā)新型釬焊技術(shù)，以適應(yīng)微、小型電子元器件“無(wú)鉛”組裝的需要，顯得尤為重要。本文著重研究采用短波長(zhǎng)、高效率的半導(dǎo)體激光進(jìn)行電子元器件的無(wú)鉛釬焊連接的技術(shù)，選用兩種最具有代表性的表面組裝電子元器件——矩形片式電阻元件和QFP器件進(jìn)行了較為深入、細(xì)致的研究。
　　 激光軟釬焊方法具有其它再流焊方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，諸如局部加熱、快速加熱、快速冷卻等

2、，局部加熱使得在高密度基板上釬焊熱敏感和吸熱元器件成為可能，并可以減少焊點(diǎn)間的橋連；而快速加熱、快速冷卻可在釬焊時(shí)產(chǎn)生良好的顯微組織從而提高焊點(diǎn)的抗疲勞性能。由于半導(dǎo)體激光比CO2激光、Nd:YAG激光的波長(zhǎng)更短、電光轉(zhuǎn)換效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊、維護(hù)更方便，更適合于微、小型電子元器件的“無(wú)鉛”組裝，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 通過(guò)研究半導(dǎo)體激光釬焊無(wú)鉛釬料的釬焊性能，發(fā)現(xiàn)激光釬焊時(shí)間固定（如0.5s）時(shí)，隨著激光輸出功率的增加，S

3、n-Ag-Cu無(wú)鉛釬料的釬焊性能明顯改善，并在激光輸出功率為17.5W左右時(shí)達(dá)到最佳，此后隨激光輸出功率的繼續(xù)增大，無(wú)鉛釬料的釬焊性能開始變差。激光輸出功率不同，獲得最佳釬焊性能所對(duì)應(yīng)的最佳激光釬焊時(shí)間不盡相同：激光輸出功率越高，最佳激光釬焊時(shí)間越短。當(dāng)激光輸出功率過(guò)低（P≤13W）或過(guò)高（P≥19W）時(shí)，無(wú)論怎樣改變激光釬焊時(shí)間，無(wú)鉛釬料在Cu基體上的潤(rùn)濕鋪展效果均很差。激光軟釬焊可以獲得比紅外再流焊更加優(yōu)異的無(wú)鉛釬料的釬焊性能，這是

4、因?yàn)榧す廛涒F焊具有快速加熱的優(yōu)點(diǎn)，增大了液態(tài)金屬的表面張力，從而顯著改善了釬料的釬焊性能。
　　 研究了片式電阻元件的半導(dǎo)體激光無(wú)鉛軟釬焊工藝，對(duì)片式電阻元件采用半導(dǎo)體激光軟釬焊系統(tǒng)在PCB基板上進(jìn)行組裝，得到了表面光亮、無(wú)氧化、成型良好的焊點(diǎn)。研究結(jié)果表明，采用半導(dǎo)體激光軟釬焊的方法釬焊片式電阻元件所得釬焊焊點(diǎn)接頭成型好，能夠獲得比紅外再流焊方法更加優(yōu)異的焊點(diǎn)力學(xué)性能。其中半導(dǎo)體激光釬焊片式電阻元件Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊點(diǎn)強(qiáng)度

5、比紅外再流焊提高達(dá)18.13％，而半導(dǎo)體激光釬焊片式電阻元件Sn-Pb焊點(diǎn)強(qiáng)度比紅外再流焊提高了38.81％。激光軟釬焊可以獲得比紅外再流焊更加優(yōu)異的釬料/基體的顯微組織。而采用半導(dǎo)體激光軟釬焊的方法釬焊片式電阻元件，釬料在焊盤金屬Cu和片式電阻金屬化端的潤(rùn)濕性更好，釬焊接頭焊點(diǎn)成型美觀，焊點(diǎn)強(qiáng)度較其它方法顯著提高。對(duì)焊點(diǎn)的斷口顯微組織的觀察、分析發(fā)現(xiàn)，斷口現(xiàn)典型的剪切伸長(zhǎng)韌窩形貌，表明焊點(diǎn)的塑性變形能力強(qiáng)。
　　 采用半導(dǎo)體激

6、光軟釬焊工藝在PCB基板上進(jìn)行QFP器件的組裝，通過(guò)對(duì)QFP器件半導(dǎo)體激光無(wú)鉛軟釬焊工藝的研究，得到了無(wú)橋連、無(wú)釬料球等外觀缺陷的優(yōu)良焊點(diǎn)。焊點(diǎn)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，半導(dǎo)體激光釬焊QFP32器件Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊點(diǎn)的強(qiáng)度比紅外再流焊提高了10.39％，而半導(dǎo)體激光釬焊QFP100器件Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊點(diǎn)的強(qiáng)度比紅外再流焊提高了12.61％。試驗(yàn)研究表明，這主要與半導(dǎo)體激光能夠顯著改善釬料的釬焊性能、優(yōu)化焊點(diǎn)的顯微組織有關(guān)。通過(guò)對(duì)

7、半導(dǎo)體激光釬焊QFP器件焊點(diǎn)宏觀、微觀組織分析，除了發(fā)現(xiàn)QFP器件焊點(diǎn)內(nèi)部組織細(xì)微、均勻外，特別是觀察到了釬料/焊盤和釬料/引線之間均出現(xiàn)了細(xì)小、平緩的金屬間化合物層，正是這一“金屬間化合物層”，確保了焊點(diǎn)具有良好冶金結(jié)合，從而使焊點(diǎn)的力學(xué)性能得到了改善與提升。這一“金屬間化合物層”屬于焊點(diǎn)中的強(qiáng)化區(qū)，從而使半導(dǎo)體激光軟釬焊焊點(diǎn)的拉伸斷裂方式表現(xiàn)為韌性斷裂。
　　 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，與Nd:YAG激光和CO2激光相比，波長(zhǎng)更短的半導(dǎo)

8、體激光更容易被釬料金屬吸收，釬料合金快速加熱、快速冷卻的效果更加明顯。由于釬料合金是Sn基有色金屬合金，快速的加熱、冷卻過(guò)程能夠更顯著地實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化的效果并細(xì)化合金的顯微組織，不僅大幅度提高了微電子元器件焊點(diǎn)的強(qiáng)度，而且顯著改善了焊點(diǎn)的塑性。半導(dǎo)體激光釬焊提高電子元器件無(wú)鉛焊點(diǎn)力學(xué)性能的機(jī)制主要是細(xì)晶強(qiáng)化和第二相彌散強(qiáng)化。由于快速加熱、快速冷卻使得在焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生了均勻細(xì)小的晶粒和細(xì)小彌散的第二相金屬間化合物，給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了很大的阻力，

9、這是半導(dǎo)體激光釬焊改善無(wú)鉛焊點(diǎn)力學(xué)性能的內(nèi)因。
　　 對(duì)無(wú)鉛焊點(diǎn)進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明激光釬焊無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性優(yōu)于紅外再流焊焊點(diǎn)。對(duì)焊點(diǎn)顯微組織的系統(tǒng)分析表明，由于半導(dǎo)體激光加熱快速加熱、快速冷卻的特點(diǎn)，從而在焊點(diǎn)內(nèi)部獲得均勻細(xì)小的釬料組織和薄而平緩的界面金屬間化合物組織，形成了良好的冶金結(jié)合。對(duì)焊點(diǎn)顯微組織的系統(tǒng)研究表明在相同的熱循環(huán)次數(shù)條件下，半導(dǎo)體激光軟釬焊無(wú)鉛焊點(diǎn)中釬料/Cu焊盤界面上的金屬間化合物厚度小于紅外再