科普:微电子行业必不可少的激光锡焊

科普:微电子行业必不可少的激光锡焊,第1张

随着电子元器件的精、薄、短、小、差异化发展,传统的工艺已经越来越无法满足超细小化电子基板、多层化的点状零件焊接需求。激光锡焊以「非接触焊接、无静电、可实时质量控制」等技术优势逐渐成为弥补传统焊接工艺不足的新技术,并得到了行业的广泛应用。随着市场的要求更多,激光锡焊技术也为电子产业带来更多的发展空间。

激光锡焊原理是利用激光作为加热光源,传输光纤与激光焊接头相互配合,将激光聚焦于焊接区域,激光辐射能转换成热能,熔化锡材,完成焊接。

激光焊接按照锡料状态分为锡膏、锡丝以及锡球激光焊。相比传统波峰焊、回流焊、手工烙铁锡焊等锡焊工艺, 激 光 锡 焊  的 激 光 光 源 主 要 为 半 导 体 光 源(808-980nm)。由于半导体光源属近红外波段,具有良好热效应,其特有的光束均匀性与激光能量的持续性,对焊盘的均匀加热、快速升温效果显著,具有焊接效率高、焊接位置可精确控制、焊点一致性好等优势, 非常适合小微型电子元器件、结构复杂电路板及 PCB 板等微小复杂结构零件的精密焊接。

电子行业是国家战略性发展产业,时下,消费电子行业存量市场空间依然非常大;一方面,个人电脑、平板电脑、智能手机都已经开始进入红海的竞争格局,随之而来的将是各自产品在技术创新上的突破,从而带来新的技术应用和工艺变革。另外,随着技术进一步的创新,在消费电子领域也涌现出一批新产品。如智能手表、智能手环为代表的可穿戴设备、AR/VR、消费无人机等,这些新兴的消费电子产品发展迅猛。

锡联万物。当下,市场正朝着纵向数量的增长和横向应用领域的扩展,随之而来的是市场对电子元器件需求的增长, 锡焊是其生产工艺中必不可少的环节, 因此,包括上游产业链也相继寻找激光锡焊工艺解决方案。相信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。

1.激光锡膏焊

激光锡膏焊是以激光为热源加热锡膏融化的激光焊接技术。通过将锡膏涂覆在焊盘上,采用激光加热将锡膏熔化然后凝固形成焊点, *** 作比较简单。但由于锡膏是由小颗粒锡珠组合成,在激光光斑作用的边缘由于热量较低导致部分锡珠没有完全熔化而形成残留,对电路板有造成短路的风险,因此,激光锡膏焊尽量采用防飞溅锡膏以避免飞溅的锡珠造成短路。

激光锡膏焊一般应用在微小型的精密零件、工件的加固以及预上锡方面,此外,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,通过锡膏焊往往能达到不错的效果。

2.激光锡丝焊接

激光预热焊件后,自动送丝机构将锡丝送到指定位置后,激光将低于焊件的焊料熔化完成焊接。

激光送丝焊接具有结构紧凑、一次性作业的特点,焊点饱满,与焊盘润湿性好,尤其适合PCB电路板、光学元器件、声学元器件、半导体制冷元器件等集成电路板及其单一电子元器件锡焊。

联赢激光自主研发的 PCB 锡焊倒挂焊接台 是专为 SMT 行业相关 PCB 板激光送丝锡焊工序定制,既支持上下游工序设备的无缝衔接自动生产,也支持手动人工上下料,实现焊接工位的精确快速定位和激光功率的稳定输出,送锡精准且与激光加热协调运作。该设备整机效率高、维护少、焊点质量牢固可靠、成形美观,能帮助客户有效提高焊接质量及效率。

另外,UW这里也要提醒大家, 材料预热、送丝熔化及抽丝离开三个步骤的精准实施是决定激光送丝焊焊接是否完美的关键点。 比方说,预热 PCB 焊盘时,温度一定要严格控制,温度高会对 PCB 焊盘及现有电子元件造成损伤,温度低无法起到预热效果。送丝和离丝速度要快,送丝速度慢,会产生激光烧灼 PCB 的现象,离丝速度慢则会出现多余焊丝堵住送丝嘴的现象。

3. 激光锡球焊

激光锡球焊分为喷球焊接和植球焊接,是一种全新的锡焊贴装工艺。这种工艺的主要优点是能实现极小尺寸的互连,熔滴大小可小至几十微米。能将容器中的锡球通过特制的单锡珠分球系统转移至喷射头,通过激光的高脉冲能量,瞬间熔化置于喷射头上的锡球,再利用惰性气体压力将熔化后的锡料,喷射到焊点表面,形成互联焊点。

由于锡球内不含助焊剂,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。且锡量恒定,分球焊接速度快、精度高, 尤其适合高清摄像头模组及精密声控器件、数据线焊点组装等细小焊盘及漆包线锡焊。

联赢激光自主研发的锡球喷射焊接台采用双工位工作模式,最大限度利用锡球出射头提高焊接效率, 出球速度最快达 3 球/s 。焊接部分搭载直线电机结合送料研磨模组实现短距离平稳启停、长间距快速响应。高标准的重复定位精度保证产品焊接一致性、稳定性。此外,该设备 *** 作简便,焊接过程中无需工具接触,避免了工具与器件表面接触而造成器件表面损伤, 满足精密电子元器件焊接要求的同时,能帮助客户极大程度提高产能。

时下,国内微电子企业PCB、FPCB板主件、晶振元件、倒装芯片等制造过程已经越来越多地使用激光锡焊。具体表现在微电子封装和组装中,激光锡焊已经用于高密度引线表面贴装器件的回流焊、热敏感和静电敏感器件的回流焊、选择性再流焊、BGA 外引线的凸点制作、Flip chip 的芯片上凸点制作、BGA 凸点的返修、TAB 器件封装引线的连接、摄像头模组、VCM音圈马达、CCM、FPC、连接器、天线、传感器、电感、硬盘磁头、扬声器、喇叭、光通讯元器件、热敏元件、光敏元件等传统方式难以焊接的产品上。

在锡焊领域,联赢激光将同轴温度反馈、异形光斑等核心技术应用到其中,拥有激光锡焊实验平台能力、激光锡焊焊后检测能力及DOE验证能力,拥有锡膏焊接头、锡球焊接头、锡丝焊接头、温控仪、送丝机、点胶阀、锡丝(0.3-1.2mm)、锡球(0.1-2.0mm)、锡膏(低、中、高温)等激光锡焊专用焊接部件,并积累大量应用案例。

目前,联赢激光锡焊设备及相关解决方案已广泛应用到汽车制造、消费电子、光通讯、五金家用、航天航空、传感器等行业。

作为智能激光焊接专家,联赢激光自创立以来,始终坚持从实际产业需求出发,紧紧围绕激光焊接开发系列设备及自动化产线,经过16年潜心研发与技术积淀,在动力电池、汽车制造、光通讯、锡焊、塑料焊等近三十个应用领域新工艺、新技术层出不穷,能针对客户不同需求,为客户提供量身定制的激光焊接及自动化解决方案。

1、镁合金的激光切割技术

切割是镁合金材料深加工的首要环节,良好的切割质量是材料深加工的保证。与传统切割方法相比,激光切割具有更高的切割精度、更低的粗糙度和更高的生产效率。目前,国内外对镁合金激光切割的研究尚属鲜见。

我 们利用500W固体脉冲Nd:YAG激光对4mm厚AZ31B镁合金板材进行了切割工艺研究。激光切缝窄细,上缝宽0.45mm、中缝宽0.22mm、下 缝宽0.35mm,切缝垂直度为0.05mm,切面波纹小且分布规露。热影响区不明显,切缝的整体宽度约为空气等离子弧切割的1/4。但是,切缝的下表面 有轻微的氧化现象,切面有80μm厚的组织形貌为等轴晶的重熔层。工艺研究得出的结论是:切缝宽度随着放电电压、脉冲宽度、脉冲频率的增大而增大,切割速 度与辅助气体对切缝宽度的影响不大。图1为AZ31B镁合金激光切割宏观形貌和微观组织照片。

2、 镁合金的激光焊接技术

镁 合金的焊接性能不好,是制约镁合金应用的技术瓶预之一。相比传统焊接方法,激光焊接具有焊接速度快、热输人低、焊接变形小的特点。镁合金激光焊接技术的研 究处于起步阶段,国内外对镁合金的激光焊接研究主要集中在镁合金的连续CO2激光焊接和固体脉冲YAG激光焊接两个领域。

德国的 R.S.Coe1h。等Coelho用2.2kW的Nd:YAG激光器焊接了2mm厚的AZ31B镁合金。得到了表面成形好、气孔少、HAZ区小且无品粒 明显长大的焊缝。加拿大的H.Al-Kazzaz等用4kW的Nd:YAG激光器成功焊接了2mm-6mm厚的ZE41A。焊接过程中激光功率过高或过低 都会导致加工表面功率密度降低,问时焊接形式从小孔聚焦转变为部分聚焦,最后为热传导模式。

激光复合热源焊接作为新型焊接技术日益受到 关注,宋刚等用400W固体脉冲YAG激光加旁轴式TIG作为焊接复合热源,首次成功焊接2.5mm厚AZ31B镁合金板材,复合焊接的熔深可达TIG单 独焊接的2倍、激光单独焊接的4倍,且焊缝与母材抗拉强度(240MPa)相当。为了提高镁合金材料在焊接过程中对激光的吸收率,孙昊等用500W固体脉 冲YAG激光器研究了活性剂对镁合金激光焊接过程的影响,氧化物和氯化物能够增加镁合金激光焊接的熔深和深宽比,原因是活性剂微细粉末在激光作用初期增加 了对激光能量的吸收。

我们已经进行了镁合金薄板的激光焊接和激光复合焊接,目前正在研究中厚板的激光焊接,为工程实践提供理论支持。

3、镁合金的激光表面改性技术

随着激光表面改性技术的不断完善,镁合金激光表面处理在镁合金表面耐蚀性、耐磨性等方面的应用越来越受到国内外研究者的重视。激光表面改性技术分为激光表而重熔、激光表面合金化及激光表面熔覆等。

1)、激光表面重熔

镁合金激光表面重熔使材料表面组织晶粒细化、显微偏析减少、生成非平衡相,进而引起表面强化,使合金表面耐磨性增加。

巴 基斯坦的Ghazanfar Abbas等利用1.5kW的半导体激光器对AZ31和AZ61镁合金进行表面熔凝处理,AZ31的硬度由基体的65HV提高到熔凝层的120HV, AZ61的硬度由基体的70HV提高到熔凝层的140HV,且磨损量都降低了一半,提高了其耐磨性。

高亚丽等用800W的CO2激光器 对AZ91HP镁合金进行了激光表面熔凝处理。与原始镁合金相比,熔凝层的硬度约提高90%左右,耐磨性提高78%,耐蚀性显著提高。这是枝晶细化和熔凝 层中相对较多的共同作用。我们用5kW横流CO2激光器研究了AZ31B的激光熔凝技术,微观组织见图2,可以看出,熔凝区晶粒比母材明显小很多。

2)、 激光表面合金化

国 内外在镁合金表面采用合金化处理的研究较少,主要的研究是利用注人硬质颗粒来提高合金化层的耐磨性。印度的Majurndar J D等利用l0kW连续CO2激光器对MEZ采用Al+Mn,SiC和Al+Al2O3合金粉末进行表面合金化处理,硬度由基体的35HV提高到合金化层的 270HV,由于硬质相SiC的存在,同时耐磨性得到了提高。

陈长军等使用5kW的CO2激光器对表面上预置了Al-Y粉末的ZM5进行了合金化处理,涂层硬度可达到250HV-325HV,而基材的硬度仅为80HV-l00HV。同基材相比,激光处理后的涂层耐蚀性得到显著提高。

3)、 激光表面熔覆

与激光熔凝、激光合金化相比,国内外对于镁合金激光熔覆研究相对较活跃,镁合金激光熔覆主要围绕提高镁合金的耐磨和耐蚀性进行。

德 国Maiwald T等用Al+Cu,Al+Si和AlSi30合金粉末对AZ91E和NEZ210进行激光熔覆,Al+Si熔覆层的耐蚀性好于Al+Cu熔覆 层,AlSi30熔覆层的耐蚀性最好。德国Bakkar A在碳纤维强化的AS41表面上激光熔覆Al-S,粉末,得到了与基休有良好交界区的熔覆层,且熔覆层的耐蚀性提高了。

黄开金等采用 3.5kW激光器在AZ9ID表面有效地熔覆了非晶复合粉末Zr-Cu-Ni-Al/TiC,在非晶和金属间化合物的作用下,熔覆层的硬度由基材的 100HV0.1提高到850HV0.1左右,硬度提高了7倍左右,加人TiC后,硬度更是提高了9倍左右,同时熔覆层的耐磨性较基材提高了16倍。

通过表面改性来改善镁合金结构服役性能是一个重要的手段,将会成为镁合金研究的重要方向之一,但这方面的工作,还远远做得不够,可供实际借鉴的研究更是屈指可数。

激光是可以焊接不漏气的主要从优势和传统焊接的对比有以下几点

激光焊接塑料部件的工艺优势:

1.光束具具有均匀的能量分布、稳定的激光输出高;

2.热量小,热影响面积小,工件残余应力小,变现小;

3.可达性好、自动化程度高的非接触焊接光纤传输;

4.半导体激光焊接可用于高精度塑料元件焊接,无振动,超声物理危害。

5.适用于车灯、电子产品屏蔽罩、USB接头、外壳、芯片、导电贴片、塑料等金属或非金属部件之间的精密焊接。

传统摩擦焊接(超声波焊接)已经无法达到精密零件的要求。热板焊是塑料焊接工艺中最简单的焊接工艺,随着工艺的发展,目前最常用的焊接方式是振动摩擦焊和超声波焊。此外,激光焊接工艺也越来越受到人们的重视。塑料激光焊接在各种焊接工艺的看出,塑料激光焊接已成为后大灯焊接工艺的潜在库存,具有焊接美观、焊接灵活、强度高的特点。


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