鍍鎳覆銅基板激光阻焊工藝特性

張軍， 葉曉飛， 呂曉云， 席亞莉， 黃棟， 李曄

(西安微電子技術(shù)研究所，西安 710129)

0 前言

DBC基板由于具有優(yōu)良的電絕緣性能、高導(dǎo)熱性能及大載流能力，成為大功率電力電子電路互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)材料[1]。目前大功率混合集成電路普遍使用DBC作為功率器件焊接和載流基板，但DBC上的焊盤無法像厚膜基片一樣進行細(xì)間距精確隔離，只能通過增大元器件間距避免元器件焊點互聯(lián)。一方面降低了元器件組裝密度；另一方面，增大了組裝難度，容易出現(xiàn)焊錫橋連，導(dǎo)致元器件偏移、旋轉(zhuǎn)，并增大焊點應(yīng)力，影響產(chǎn)品的可靠性。

傳統(tǒng)的阻焊方式是將阻焊油墨通過絲網(wǎng)印刷、凹板印刷及噴墨打印涂布至電路板或者DBC基板上，經(jīng)過一定的固化處理，形成一層阻焊膜，在后續(xù)焊接過程中起到阻焊作用[2]。但該方法流程復(fù)雜，且受限于線條寬度，不能滿足DBC基板上高密度組裝的需求。文中提出了采用激光刻蝕方法形成極細(xì)間距的阻焊區(qū)域，系統(tǒng)地分析了激光阻焊機理，采用正交試驗法對激光阻焊參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了鍍鎳覆銅基板上激光阻焊的最優(yōu)參數(shù)和方法。

1 激光阻焊機理

激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對材料(包括金屬和非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)[3]。目前激光加工技術(shù)包括：激光切割技術(shù)(汽化切割、熔化切割等)、激光熱處理技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光熔覆技術(shù)及激光快速成形技術(shù)等。其基本原理是利用脈沖激光束聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細(xì)微的、高能量的光斑，瞬間高溫熔化或氣化被加工材料，控制激光脈沖能量和激光頭連續(xù)運動打點，就可以實現(xiàn)多種激光加工[4]，如圖1所示。

圖1 激光掃描路徑示意圖

1.1 激光刻蝕阻焊形貌

選取鍍鎳覆銅基板作為待阻焊樣品，在初步激光參數(shù)(脈沖電流為13 A、頻率為2 000 Hz、步距為0.1)下進行刻蝕，在高倍顯微鏡及掃描電鏡下對刻蝕后界面進行觀察，刻蝕后形貌及截面如圖2所示，可以看出，鍍鎳覆銅基板表面鎳層經(jīng)過激光刻蝕作用后，出現(xiàn)一條U形刻痕，刻痕寬度和深度與激光參數(shù)相關(guān)[5-9]，在掃描電鏡下可以看出，鎳層在激光作用下出現(xiàn)熔化后向周邊溢出，在連續(xù)激光作用下，形成一道波浪式刻痕。

圖2 DBC鎳層表面經(jīng)激光作用后形貌

1.2 激光刻蝕阻焊效果

通過U形刻痕截面圖可以看出，刻痕兩側(cè)鎳層溢出，在豎直方向高于原始平面，形成物理阻擋面，理論上焊錫需要較大表面張力才可跨過；在鍍鎳覆銅基板表面設(shè)計網(wǎng)格狀刻蝕圖形，并在整個阻焊區(qū)域涂覆焊膏，回流焊后效果如圖3所示；可以看出，激光刻蝕網(wǎng)格經(jīng)過焊接后，焊錫在阻焊網(wǎng)格內(nèi)均勻堆積，網(wǎng)格輪廓清晰，阻焊效果明顯。

圖3 激光阻焊網(wǎng)格

在高倍顯微鏡下對樣品界面進行分析，如圖4所示，可以清晰地看出焊錫、鎳層、銅層以及陶瓷界面，通過測量阻焊區(qū)兩側(cè)焊錫間距，焊錫間距大于激光刻蝕的溝壑寬度，說明激光阻焊溝壑兩側(cè)存在一定熱影響區(qū)，該熱影響區(qū)鎳在激光高溫影響下迅速氧化，焊錫在氧化層不浸潤[10-14]，因此可以起到阻焊效果。

圖4 阻焊線條橫截面

2 阻焊參數(shù)優(yōu)化

2.1 激光阻焊工藝參數(shù)

影響激光刻蝕形貌參數(shù)包括脈沖電流、調(diào)制頻率、掃描速度及步距，其中脈沖電流決定了焦點光斑直徑，調(diào)制頻率決定了每秒光斑數(shù)量，步距影響每個光斑位置上重疊的激光次數(shù)[15-17]。

2.2 激光參數(shù)正交試驗

使用田口試驗設(shè)計以步距、調(diào)制頻率和脈沖電流為自變量設(shè)計3因素5水平試驗，試驗自變量因素編碼及水平見表1。

表1 田口試驗因素和水平

該次試驗共有42組試驗點，其中40個為析因點，2個零點用于誤差估計，每組參數(shù)下進行12次重復(fù)試驗，對刻蝕寬度及效果進行測量和評價，試驗設(shè)計與結(jié)果見表2，圖5為不同參數(shù)下激光刻蝕效果照片。

表2 激光阻焊田口試驗表

圖5 不同參數(shù)下刻蝕效果

通過評分方式對不同參數(shù)下阻焊效果進行量化，使用軟件分析各個參數(shù)對阻焊效果及阻焊寬度的影響，如圖6所示。從圖6中可以看出，在所選的參數(shù)范圍內(nèi)，步距對阻焊效果的影響呈拋物線狀，即靠近中間段阻焊效果較好；阻焊效果隨調(diào)制頻率的增加呈先上升后降低的走勢；脈沖電流越大，考慮到漏銅對外觀的影響，阻焊效果越差；步距和脈沖電流對阻焊寬度呈正比例影響，調(diào)制頻率對阻焊寬度影響并無明顯規(guī)律，結(jié)合阻焊效果可以給出推薦參數(shù)：步距0.4，調(diào)制頻率5.0 kHz，脈沖電流14 A。

圖6 激光參數(shù)對阻焊效果影響

2.3 阻焊圖形優(yōu)化

除對激光參數(shù)進行優(yōu)化外，由于激光刻蝕的溝壑是通過光斑運動形成的，在高倍顯微鏡下觀察光斑交界處，偶爾會出現(xiàn)細(xì)微互聯(lián)，為達到完全阻焊效果，在阻焊位置進行2道激光刻蝕，2道刻蝕位置中心距離大于激光刻蝕溝壑寬度，可以使得2道刻蝕溝壑之間存在一定本體區(qū)域，便于目檢阻焊效果，如圖7所示，刻蝕效果良好。

圖7 優(yōu)化后激光阻焊效果

2.4 阻焊樣品效果

選擇優(yōu)化的激光參數(shù)進行焊接樣品制備，在低倍顯微鏡下對元器件進行極近距離(電容與支架邊緣分別與阻焊線條兩側(cè)重合)的焊接，如圖8所示，阻焊效果明顯。

圖8 電路中阻焊效果

3 結(jié)論

(1)在鍍鎳覆銅基板上采用激光刻蝕形成阻焊溝壑后，由于鎳在激光高溫影響下迅速氧化，焊錫在氧化層不浸潤，可以起到阻焊效果。

(2)在激光阻焊參數(shù)中，步距和調(diào)制頻率對阻焊效果的影響呈拋物線狀；脈沖電流越大，考慮到漏銅對外觀的影響，阻焊效果越差；步距和脈沖電流對阻焊寬度呈正比例影響，調(diào)制頻率對阻焊寬度影響并無明顯規(guī)律。

(3)通過優(yōu)化阻焊圖形，設(shè)計2道激光刻蝕圖形，中心間距大于激光刻蝕溝壑寬度(約50 μm)，可以使得2道刻蝕溝壑之間存在一定本體區(qū)域，阻焊效果良好。