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激光软钎焊

   

由于金属表面存在着氧化膜，阻碍钎料在其上的润湿与铺展，所以在钎焊时要采用一些措施去除。钎剂是使用最为广泛的方法。但是在电子产品的生产中采用钎剂去除氧化膜带来的问题是：钎剂的残渣具有腐蚀性，会造成导体的断路；钎剂中的氯离子会造成导体间的短路，特别是对于细间距引线的器件；清洗工序使制造成本上升、有可能划伤芯片表面等。无腐蚀性的免清洗钎剂是解决这一问题的有效途径之一，但仍然存在一定的问题，而在一些微电子元件(包括光电子、MEMS、电磁元件等)的封装中钎剂是不能使用的，因为可能造成污染，或者由于结构的限制无法清洗。此时，无钎剂钎焊方法就是唯一的选择。

1 几种无钎剂软钎焊技术

无钎剂钎焊的实现需要解决两个关键问题：在钎焊过程中去除氧化膜和防止再氧化。对于后一问题，可以采用真空保护、气体保护等方法。真空保护由于要有真空室和抽真空的过程，设备复杂而且成本高；而采用喷嘴惰性气体保护适合于连续的生产线应用。氧化膜的非钎剂去除方法文献公开的有以下几种：

在波峰焊槽内安装超声波发生器，超声振动通过液态钎料传播到元件焊接处，利用超声空化作用去除金属表面的氧化膜，实现无钎剂钎焊。熔融的钎料同时起到保护表面不再氧化的作用，图1(a)。这种方法的缺点是超声振动的功率大，超声不仅作用在待焊点上也同时作用在所有的元件和PCB 上，可能对元件或PCB 造成破坏作用。

 

图1 几种无钎剂软钎焊方法
(a) 热电极钎焊 (b) 氢气保护再流焊 (c) 氩原子照射去膜

图1 (a)采用氮气对焊点进行保护，防止在加热过程中的氧化。在焊盘和器件引线上预
镀钎料，利用加热板使钎料熔化，钎料镀层表面的氧化膜被钎料流动和加压力作用而破碎，熔融的钎料相互融合实现连接。由于镀层较薄，为了保证焊盘与引线接触良好，加压力是必须的。

图1(b)在氮气中加入5%的氢气，加热过程中氢气与引线、焊盘表面的氧化膜发生还原反应，置换出纯净的金属，使钎料得以在焊盘上润湿。氢气实际上相当于气体钎剂。氢气的加入带来了危险性，同时对于短时间的钎焊过程，去除氧化膜的作用有限。

图1(c)在钎焊前利用氩原子幅照去除BGA钎料凸点和焊盘表面的氧化膜和其他污染，然后立即进行钎焊。这种方法需要真空系统。

2 超声激光无钎剂软钎焊方法

图2是另一种新型无钎剂钎焊方法的示意图。基本原理：连续输出的激光被崭波(或调制)成高频断续的激光脉冲、幅值不变，直接照射到钎料表面使钎料被加热。钎料及焊点的温度由于热惯性和断续加热的共同作用，呈现连续上升叠加波动的曲线形态，如图3所示。

 

图2 超声/激光无钎剂钎焊方法的设备原理

 

图3 超声/激光无钎剂钎焊时焊点上的温度变化曲线

波动的温度会使钎料发生膨胀和收缩，激发出机械振动。如果激光调制的频率在超声频率以上，则在液态钎料内部激发出超声波。超声波传播到钎料与焊盘的界面，产生空化作用，破碎氧化膜，使钎料在焊盘上润湿铺展，即可实现无钎剂的钎焊。为了防止焊点的再氧化，采用惰性气体进行保护。这种方法称为超声/激光无钎剂软钎焊。

3 产生超声振动和空化作用的条件

测试结果证明，调制成脉冲形式的激光可以在钎料液滴表面激发出机械振动，振动的频率和激光调制的频率是一致的。如4所示。

 

图4 钎料液滴表面激光激励产生的机械振动测试结果

产生空化作用的基本条件是在液态钎料内部存在压力的正负变化。但是，如图5和图6所示，当激励频率较低时，激光的加热可以使整个钎料体积的温度都上升，钎料整体膨胀；停止激光加热，钎料又整体收缩。此时在液态钎料内部不能产生负的压力，也就产生不了空化作用，不能实现无钎剂钎焊。而当激光调制频率超过12kHz 时，只有激光斑点直接加热处的温度上升和下降过程可以跟随激光的变化，在微小的区域内发生急剧的膨胀和收缩，而周围的金属保持恒定的温度，并且对中心的膨胀和收缩产生拘束作用，使中心微小区域成为振动源。该振动的波长由于小于钎料液滴的尺寸，在液滴内部产生负的压力，空化作用也随之发生，实现了无钎剂钎焊。

 

图5 不同激光调制频率时钎料内部的温度变化过程

 

图6 钎料-焊盘界面上的压力变化

 

超声激光无钎剂软钎焊方法具备很多优点，例如在开敞环境下完成，不需要真空容器；超声和加热只作用在被焊点上，对元器件无加热作用也无超声作用。

4 超声/无钎剂钎焊方法的实验结果

由高频调制激光激励产生的超声去膜效果通过实际实验得到验证。图7是在铜焊盘上进行试验的结果。在连续激光或者激光调制频率小于12kHz 时，没有空化作用或者作用很小，表面氧化膜不能被破碎，钎料熔化后仍然保持球形，在铜焊盘上不润湿和铺展。当调制频率达到20kHz 或以上时，超声空化作用非常显著，氧化膜被破碎，钎料得以良好地润湿和铺展，与焊盘形成良好的连接。两个试验中激光能量相等。

 

 

图7 无钎剂钎焊的试验结果（调制频率等于20kHz）

图8的试验结果证实了当清洗后的铜焊盘自然氧化3 天、甚至5 天后，激光超声仍
然具有足够的去膜作用。

 


图8 焊盘长时间氧化后无钎剂钎焊的试验结果

 

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