激光焊接技術(shù)在微電子行業(yè)的應(yīng)用

金周明，黃浩遠(yuǎn)，趙越

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201108）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息技術(shù)的推動(dòng)下，激光的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，尤其是在微電子與集成電路領(lǐng)域。通常激光加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)的焊接工藝，具有焊縫純凈等特性，可用于各類(lèi)金屬材料之間的焊接操作。

1 激光焊接原理與特點(diǎn)

激光焊接的原理是利用高能量的激光束，對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的材料進(jìn)行照射，導(dǎo)致材料發(fā)生迅速地熔化并在冷卻后形成焊縫。這一焊接方式是在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作的，而且對(duì)各類(lèi)金屬材料或者合金材料進(jìn)行多種方式的加工，實(shí)現(xiàn)焊接的無(wú)接觸化與自動(dòng)化，并實(shí)現(xiàn)焊接的高密封與高精確度的效果[1]。

圖1 激光焊接示意圖

2 激光焊接技術(shù)在微電子行業(yè)的應(yīng)用

由于激光焊接技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)業(yè)中出現(xiàn)了微型化的趨勢(shì)，各類(lèi)元器件的體積日益變小。對(duì)此，原有的焊接方式無(wú)法適用，比如在對(duì)光敏、熱敏器件或者柔性電板進(jìn)行加工，會(huì)產(chǎn)生元器件損壞，或者焊接效果不達(dá)標(biāo)的情況。對(duì)此，激光焊接應(yīng)運(yùn)而生，它能使微區(qū)域內(nèi)的焊接加工得以順利開(kāi)展，因而受到了市場(chǎng)與技術(shù)界的歡迎[2]。

2.1 激光錫焊在電子行業(yè)的應(yīng)用

激光錫焊是通過(guò)激光攜帶的高能量，將錫料加以融化，并緊密地與焊接相結(jié)合的一種焊接技術(shù)。由于這一技術(shù)可以在連接、加固各類(lèi)電子元件方面發(fā)揮良好效果，所以在微型電子元件、集中電路等的焊接中應(yīng)用較多[3]。

2.1.1 錫絲填充激光焊接應(yīng)用

錫絲填充焊接指的是，通過(guò)激光對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱之后，通過(guò)一個(gè)自動(dòng)裝置將錫絲傳送到需要焊接的位置，其低于焊件的部分將被激光熔化，從而實(shí)現(xiàn)焊接。這一技術(shù)通常用于集成電路板之中。

這一技術(shù)要發(fā)揮了良好的效果，離不開(kāi)三個(gè)環(huán)節(jié)的密切配合，即用激光預(yù)熱材料、自動(dòng)送絲、多余錫絲的抽離。比如在地PCB板進(jìn)行焊接時(shí)，要精確地控制溫度，如果溫度高于標(biāo)準(zhǔn)值，則會(huì)對(duì)整個(gè)PCB構(gòu)成損害；反之溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值則達(dá)不到預(yù)熱的目的。另外，將錫絲進(jìn)行推送要迅速，如果動(dòng)作慢了，就會(huì)使激光直接照射到PCB板上的問(wèn)題。抽回錫絲的動(dòng)作也要迅速，否則送絲口會(huì)被堵住[4]。

2.1.2 錫膏填充激光焊接應(yīng)用

錫膏填充技術(shù)是指，借助于一定的設(shè)備對(duì)錫膏的用量進(jìn)行控制，在預(yù)熱了焊點(diǎn)之后，激光對(duì)錫膏進(jìn)行加熱，并使焊盤(pán)完全潮濕，由此完成焊接。這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是微型的精密元件的加固方面，特別是在焊接柔性電路板時(shí)，這一技術(shù)的效果更為突出。在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)，要防止錫珠發(fā)生飛濺，以免形成電路短路。

2.1.3 激光噴錫焊接應(yīng)用

激光噴錫是一種最近興起的焊接技術(shù)，主要用于微電子的互連與封裝領(lǐng)域。它借助于激光對(duì)惰性氣體的照射，實(shí)現(xiàn)對(duì)錫料的熔融，并用精準(zhǔn)的控制技術(shù)將其噴射于焊盤(pán)上，從而完成鍵合。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于速度快，精確性強(qiáng)且無(wú)須接觸等，所以它在數(shù)據(jù)線、聲控元件、攝像頭模組等元器件的組裝與焊接中應(yīng)用效果較好[5]。

2.2 激光焊接技術(shù)在傳感器封裝上的應(yīng)用

傳感器是精密度較高的裝置，由于其應(yīng)用環(huán)境常常較為惡劣，所以在封閉時(shí)要采用金屬材料。對(duì)此，運(yùn)用激光焊接技術(shù)給傳感器加上堅(jiān)實(shí)的金屬外殼是常用處理方法。比如在井下作業(yè)環(huán)境中，傳感器要有較強(qiáng)的保護(hù)，而使用激焊接技術(shù)之后，其金屬保護(hù)層外表光滑且焊縫與基材在硬度上相差不多；另外激光焊接有精確性的特點(diǎn)，在焊接時(shí)不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部元件受損，從而保證傳感器功能正常。

2.3 激光焊接技術(shù)在集成電路板上的應(yīng)用

微電子領(lǐng)域?qū)τ诤附蛹夹g(shù)的要求日益提高，集成電路中的焊接通過(guò)要以激光進(jìn)行熱量傳送，把熔點(diǎn)較低的焊料進(jìn)行熔化，進(jìn)而電路板上各個(gè)器件的精確焊接。這一做法是電子產(chǎn)業(yè)中較為普遍的。

2.3.1 集成電路引線焊接

焊接集成電路的引線過(guò)程中，通常使用激光中心穿透的辦法進(jìn)行操作。把激光光斑設(shè)置在150tan的大小之內(nèi)，將一層薄鋁層鍍?cè)诨咨稀Ｔ诤附油庖€時(shí)，通常使用脈沖激光，中間環(huán)節(jié)無(wú)須使用焊劑，從而降低了對(duì)電路管芯的破壞，提升電路的安全性與性能。

2.3.2 集成電路封裝焊接

封裝質(zhì)量的高低直接決定了電路整體的安全性與穩(wěn)定性。封裝時(shí)使用YAG激光發(fā)生器完成激光焊接。焊接方式為單點(diǎn)重復(fù)，其結(jié)果是氣密性增強(qiáng)，另外可以提高產(chǎn)品整體的性能。

2.3.3 集成電路修補(bǔ)焊接

使用集成電路過(guò)程上，因?yàn)椴划?dāng)操作，以及長(zhǎng)期使用造成的損耗，或者環(huán)境中溫度及空氣微粒不達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致集成電路的損壞，具體表現(xiàn)為元件受損，或者光掩膜破壞。對(duì)此，都可以用激光焊接的方法加以維修。比如在電子元件受損的情況下，用激光與惰性氣體互相作用實(shí)現(xiàn)金屬物質(zhì)的沉積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件的修補(bǔ)，或者另行線路的設(shè)置。在光掩膜受損的情況下，可以用激光技術(shù)對(duì)光掩膜進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)激光技術(shù)，可以讓集成電路的使用壽命延長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了成本降低、可靠性提高的目的[6]。

2.4 激光焊接技術(shù)在電池上的應(yīng)用

充電電法具有循環(huán)使用的特點(diǎn)，在重視環(huán)境保護(hù)的今天備受人們的關(guān)注。在生產(chǎn)充電電池的多道環(huán)節(jié)中，激光焊接的應(yīng)用也是較為常見(jiàn)的。

2.4.1 紐扣電池的焊接

在生產(chǎn)紐扣電池時(shí)，激光焊裝技術(shù)不僅為為紐扣電池的生產(chǎn)工藝得以復(fù)雜化，而且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品性能的高度一致性，提高產(chǎn)品的合格率；另外由于激光技術(shù)的精確性，電池內(nèi)部材料不會(huì)受到損傷。在對(duì)不同電池組成材料進(jìn)行焊接時(shí)，激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更為突出，能夠很好的減少脆性物質(zhì)的形成。

2.4.2 電池的極耳焊接

現(xiàn)如今的電池極耳焊接基本采用的是超聲波焊接工藝，在極耳的焊接區(qū)域容易出現(xiàn)虛焊、漏焊、極耳破損以及焊縫強(qiáng)度低等缺陷。采用多點(diǎn)激光掃描焊接方式焊接極耳，有效提升電池性能和焊接效率。

2.4.3 電池殼體封裝焊接

方形電池是目前電子產(chǎn)品中常見(jiàn)的電源形式，對(duì)其封裝一般使用激光焊接的方法。具體的做法有兩種，一是側(cè)焊：焊接形成四個(gè)收口，會(huì)造成突起，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電池的損傷較少；二是立焊：只形成一個(gè)收口，表面平滑，密封性較佳，是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的通常做法。

2.5 激光焊接技術(shù)在手機(jī)上的應(yīng)用

由于5G時(shí)代的來(lái)臨，手機(jī)終端上出現(xiàn)了越來(lái)越復(fù)雜的應(yīng)用，手機(jī)內(nèi)部的構(gòu)成也日益繁雜。對(duì)手機(jī)的內(nèi)部零件進(jìn)行加工組合時(shí)，如果采用了激光焊接技術(shù)，則可以對(duì)各種零件進(jìn)行較好的保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的高效組裝。在用激光技術(shù)對(duì)芯片與線路板進(jìn)行焊接時(shí)，使用全自動(dòng)高速耦合控制技術(shù)，可以將各類(lèi)由合金材料制成的彈片通過(guò)激光焊接連到導(dǎo)電位置上，從而產(chǎn)生防止氧化，避免腐蝕的效果。另外，激光焊接技術(shù)無(wú)須對(duì)元器件進(jìn)行移動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)焊接，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提升了最后的合格率[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

激光焊接盡管在微電子領(lǐng)域中獲得了較廣泛的應(yīng)用，但不足之處也是存在的。比如，激光焊接系統(tǒng)的建立要花費(fèi)大量的資金，成本消耗過(guò)大；另外，材料表面的不同狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致激光焊接效果穩(wěn)定。對(duì)此，要深入研究，完善工藝，持續(xù)提升激光攜帶的能量值，實(shí)現(xiàn)智能化操作，以應(yīng)對(duì)電子產(chǎn)業(yè)中各類(lèi)新材料、新模式提出的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)激光焊接更為廣泛的應(yīng)用。