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激光锡焊在电子互连领域中的应用

日期: 2022-06-08
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激光锡焊在电子互连领域中的应用

随着科技发展,电子、电气、数码类产品日益成熟并风靡全球,该领域所涵盖的产品其所包含的任何元器件都或许会涉及到锡焊工艺,大到PCB板主件,小到晶振元件,绝大多数的焊接需要在300℃以下完成。

现在电子工业的芯片级封装(IC封装)和板卡级的组装均大量采用锡基合金填充金属进行焊接,完成器件的封装与卡片的组装。例如,在倒片芯片工艺中,钎料直接把芯片连接到基板上;在电子组装制造中,利用钎料把器件焊接到电路基板上。

锡焊工艺包括波峰焊和回流焊等,波峰焊是利用熔融的钎料循环流动的波峰面,与插装有元器件的PCB焊接面相接触完成焊接过程;回流焊则是将钎料膏或焊片事先放置在PCB焊盘之间,加热后通过钎料膏或焊片的熔化将元件与PCB连接起来。

激光锡焊是以激光作为热源,熔融锡使焊件达到紧密贴合的一种钎焊方法。相比传统锡焊工艺,该方法具有加热速度快,热输入量及热影响小;焊接位置可精确控制;焊接过程自动化;可精确控制钎料的量,焊点一致性好;可大幅减少钎焊过程中的挥发物对操作人员的影响;非接触式加热;适合复杂结构零件焊接等优点。

激光锡焊以激光热源为主体,对锡料填充熔融固化达到连接、导通、加固的工艺效果。按锡材料状态来划分可以归纳为三种主要形式:锡丝填充、锡膏填充、锡球填充。深圳市华瀚激光科技有限公司针对这三种形式开发出了稳定成熟的设备,是激光锡焊领域的领军企业。

锡丝填充激光锡焊应用

送丝激光焊是激光锡焊的一种主要形式,送丝机构与自动化工作台配套使用,通过模块化控制方式实现自动送锡丝及出光焊接,具有结构紧凑、一次性作业的特点,相比于其他几种锡焊方式,其明显优势在于一次性装夹物料,自动完成焊接,具有广泛的适用性。

主要应用领域有PCB电路板、光学元器件、声学元器件、半导体制冷元器件及其他电子元器件锡焊。图1为激光送丝锡焊产品图,可以看到,焊点饱满,与焊盘润湿性好。

激光锡焊在电子互连领域中的应用

图1 :激光送丝锡焊焊点图

锡膏填充激光锡焊应用

锡膏激光焊一般应用于零配件加固或者预上锡方面,比如屏蔽罩边角通过锡膏在高温熔融加固,磁头触点的上锡熔融;

也适用于电路导通焊接,对于柔性电路板的焊接效果非常好,比如塑料天线座,因其不存在复杂电路,通过锡膏焊往往达到不错的效果。对于精密微小型的工件,锡膏填充焊能充分体现其优势。

由于锡膏的受热均匀性较好,当量直径相对较小,通过精密点胶设备可以精确的控制微小点锡量,锡膏不容易飞溅,达到良好的焊接效果。

基于激光能量高度集中,锡膏受热不均爆裂飞溅,溅落的锡珠易造成短路(如图2(a)),因此对锡膏的质量要求非常高,可采用防飞溅锡膏以避免飞溅(如图2(b))。

激光锡焊在电子互连领域中的应用

图2:激光锡膏焊焊点图

锡球填充激光锡焊应用

激光锡球焊是把锡球放置到锡球嘴里,通过激光加热熔化后坠落到焊盘之上并与焊盘润湿的一种焊接方法。

锡球为无分散的纯锡小颗粒,激光加热熔融后不会造成飞溅,凝固后饱满圆滑,对焊盘不存在后续清洗或表面处理等附加工序。

通过该焊接方法焊接细小焊盘及漆包线锡焊可以达到很好的焊接效果(图3)。

激光锡焊在电子互连领域中的应用

图3:激光锡球焊焊点图

激光锡焊技术应用难点

传统的锡焊,包括波峰焊、回流焊、手工烙铁锡焊能解决的焊锡工艺问题激光锡焊可以逐渐取代,但像贴片锡焊(主要为回流焊),目前激光焊工艺还不适用,由于激光自身的一些特点,也使得激光锡焊工艺更加复杂,具体归纳为:

1)对于精密细微锡焊,工件定位装夹困难,焊样及量产存在难度;

2)激光高能量密度易导致工件损伤,尤其对于PCB板锡焊,基板及金属嵌层结构不好极容易烧板,样品不良率高以致成本高昂使客户无法接受;

3)激光的能量高度集中易造成锡膏的飞溅,在PCB板锡焊中极易造成短路导致产品报废;

4)对于软线材类,装夹定位一致性不好,焊样饱满度及外观差异性大;

5)精密锡焊往往有送丝填充锡料的要求,0.4 mm线径以下的锡丝自动送丝困难。

激光锡焊市场需求概况

激光锡焊在国内国外都有不同程度的发展,尽管经过这些年的发展,始终没有大的跨越和应用拓展,不得不说这是焊接应用的一个软肋。

然而市场需求不断变化,不但存在纵向数量的增长,而且横向的应用领域也在不断的扩展,以电子数码类产品相关零部件锡焊工艺需求为主导。

涵盖其他各行业零部件锡焊工艺需求,包括汽车电子、光学元器件、声学元器件、半导体制冷器件、安防产品、LED照明、精密接插件、磁盘存储元件等;

就客户群来说,其中以苹果客户产品相关零部件衍生出相关锡焊工艺需求为主导,包括其上游产业链也相继寻找激光锡焊工艺解决方案,总体来看,激光锡焊在目前及未来很长的时间将会有惊人的爆发式增长和较为庞大的市场体量。

全球经济疲软的当下,苹果公司一枝独秀,其数码电子产品的庞大市场占有量及全球巨量大规模采购带动了一大批企业的业务增长,这些企业主要的产品就是电子元器件,锡焊是其生产工艺中必不可少的环节。

亟待工艺突破性需求

包括苹果公司供应商这样的企业,由于生产的产品是最新最高端的设计,在量产过程中会碰到棘手的工艺问题,亟需改进和完善。

一个很典型的领域就是存储元器件行业,磁头是一种极其精密和工艺要求非常高的存储零部件,磁头的数据排线一般为柔性PCB,贴敷在钢构体上,其一端阵列排布的微细点需预先上锡,微小上锡量只能显微镜观察下完成,并且对焊接的效果要求极其严格。

传统的焊接方式是手工焊,对操作人员的焊接水平要求非常高,劳动力资源的稀缺及流动性给生产造成极大不确定性,况且也无法量化工艺标准(没有工艺参数,完全依靠人为感官判断焊后效果),因此亟需新的焊接工艺来克服技术壁垒。

工艺升级及拓展性需求

激光锡焊能量化工艺参数、提升良品率、降低成本,保证生产作业标准化。随着中国市场劳动力成本的提升以及技能型人才的稀缺,对传统锡焊领域人工需求慢慢转化为机械化作业需求,激光锡焊将突破传统工艺,引领风骚。从目前客户焊样的情况看,激光锡焊普及也是大势所趋。

结论

由于激光锡焊具有传统锡焊无可比拟的优势,必将在电子互联领域得到更加广泛的应用,具有巨大的市场潜能。


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