半導(dǎo)體激光器在電子焊接領(lǐng)域的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器在電子焊接領(lǐng)域的應(yīng)用

高密度互連隨著電子器件和集成電路的微型發(fā)展，使得傳統(tǒng)的軟熔焊接方法不斷受到挑戰(zhàn)。如何在高密度相互連接中成功地完成對(duì)每個(gè)細(xì)小的焊腳的焊接，而不造成相鄰焊腳間的粘連和電路板的熱損壞，采用激光進(jìn)行無(wú)接觸焊接成為解決方案之一。以前，能夠提供足夠功率的激光器大多體積龐大、日常維護(hù)成本高，因此很不實(shí)用。但是，隨著高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，采用激光進(jìn)行無(wú)接觸焊接已經(jīng)成為實(shí)用、高效的重要手段。

事實(shí)證明，采用近紅外波長(zhǎng)790-900nm、功率8到20W的半導(dǎo)體激光器焊接電子元件比傳統(tǒng)的軟熔技術(shù)有著更多的優(yōu)點(diǎn)：它可以大幅度地減少傳到部件上的熱量；精確定位點(diǎn)焊；在復(fù)雜的幾何位置上焊接；還可以一步完成剝線和焊線。由于焊點(diǎn)尺寸小，使得在電路板、連接器和柔性印刷電路板的部件焊接厲為可能；而且，焊點(diǎn)間潛在的架橋現(xiàn)象大為減少。不僅如此，激光器還具有輸出功率恒定的能力，這保證了每一個(gè)焊點(diǎn)的均勻一致，大大提高了焊接質(zhì)量及可靠性。下面介紹的就用實(shí)例均使用COHERENT公司生產(chǎn)的30W帶光纖半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)集成了一套完整的溫度控制器、驅(qū)動(dòng)電源和帶800μm芯徑耦合光纖的半導(dǎo)體激光器，輸出800nm波長(zhǎng)、30W功率的激光，光束通過(guò)一對(duì)焦距為31mm的平凸透鏡，1：1成像，聚焦點(diǎn)直徑為800μm。具有多種控制界面的FAP-System，使自動(dòng)材料處理和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的集成得以簡(jiǎn)化。

高密集度互連使用半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)焊接高密集度互連的焊接面，工藝要求是將柔性電路固定到100針以上的連接器上。在這項(xiàng)工作中先進(jìn)行焊接預(yù)處理，即將預(yù)制焊劑放在焊點(diǎn)上；再用10W的激光以0.5秒/針的速度焊接，使用少量含松香的焊劑來(lái)降低表面氧化。密集的幾何形狀、針的長(zhǎng)度以有為柔性電路的使用，都使傳統(tǒng)的軟熔技術(shù)以以施展，而激光卻能無(wú)須接觸部件，就使焊料在每根針和焊接位置上軟熔，從而減少了熱損壞。

柔性印刷電路柔性電路的應(yīng)用很廣，而體積也越來(lái)越小，加上電路板的材料容易燒焦，使用傳統(tǒng)的焊接方法有一定的困難。 對(duì)助聽(tīng)器中柔性電路的焊接，這種電路是為一種助聽(tīng)器設(shè)計(jì)的，因此要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。焊接點(diǎn)的寬度只有1mm，每個(gè)電路有7個(gè)焊接點(diǎn)，助聽(tīng)器由5塊電路組成。為把分立元件焊接到柔性印刷電路上，每個(gè)焊點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)松香焊料，整個(gè)過(guò)程使用10W激光以1秒1個(gè)焊點(diǎn)的速度完成，高的能量密度及小的聚焦尺寸避免了散逸熱量燒焦柔性電路板材料。

剝線和焊線使用激光處理某些導(dǎo)線絕緣層，如氨基甲酸乙酯和聚酰亞胺，能夠一步完成剝線和焊接。也就是說(shuō)，上述過(guò)程發(fā)生在激光輸出的同一工作周期中，只是要通過(guò)使用模擬控制調(diào)整FAP-System的輸出波形，使得脈沖的前期過(guò)程完成剝線，隨后過(guò)程完成焊接。氫基甲酸乙酯和聚酰來(lái)胺絕緣材料最適合于這種處理方式。在激光處理這睦材料的過(guò)程 中，絕緣層并沒(méi)有被完全清除，而只是對(duì)電線尾端露出裸線進(jìn)行焊接。焊接完成后，電線表面幾乎沒(méi)有氧化，焊料非常容易地覆蓋表面，而且焊點(diǎn)十分干凈。激光的工作周期一般在0.5到2秒，有時(shí)更長(zhǎng)一些，這取決于焊線的尺寸、焊接點(diǎn)的尺寸、絕緣材料及其厚度。

技術(shù)比較常用的焊接還有加熱槍、微火焰焊接機(jī)、石英燈焊接機(jī)、全自動(dòng)焊接機(jī)等。加熱槍和微火焰焊接機(jī)的輸出熱量難以控制，很容易燒壞集成電路的基體材料。石英燈焊接機(jī)系統(tǒng)的工作方式和半導(dǎo)體激光器焊接系統(tǒng)相類似，但是聚焦點(diǎn)大，而且石英燈容易損壞。雖然燈的價(jià)格并不貴，但是使用時(shí)的噪聲大。最常用的是自動(dòng)焊接機(jī)，但由于焊料很容易堵住焊接機(jī)。需要經(jīng)常清理和維護(hù)。半導(dǎo)體激光器焊接系統(tǒng)采用無(wú)接觸焊接方式，能夠把熱量聚焦到非常小的點(diǎn)并精確定位到指定部位進(jìn)行焊接。不僅如此，半導(dǎo)體激光器焊接系統(tǒng)還能夠產(chǎn)生非常短的光脈沖進(jìn)行無(wú)焊料焊接錫或鉛等材料，焊接速度快于氧化反應(yīng)的速度。在自動(dòng)焊接機(jī)無(wú)法靠近的場(chǎng)合，半導(dǎo)體激光器焊接系統(tǒng)更加顯示出蛇的靈活性，因?yàn)樗ぷ骶嚯x僅取決于價(jià)格便宜的光路部分。購(gòu)買半導(dǎo)體激光器焊接系統(tǒng)的初期投入經(jīng)費(fèi)略高于其它焊接系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)易于控制，穩(wěn)定性、可靠性更高。而且半導(dǎo)體激光器的壽命高達(dá)數(shù)千乃至上萬(wàn)小時(shí)，所以后期的維護(hù)費(fèi)用低，故障停工時(shí)間少，可大幅度降低操作耗費(fèi)。

總結(jié)這類半導(dǎo)體激光系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定、與元件處理系統(tǒng)集成方便，對(duì)最終用戶頗具價(jià)值。在各種應(yīng)用中，輸出激光的功率密度高對(duì)加工處理十分有利，可能提高生產(chǎn)速度?？傊?，靈活的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、精確細(xì)小的激光焊點(diǎn)、以及對(duì)加工部件極小的熱影響區(qū)域，都能有產(chǎn)地提高生產(chǎn)率，降低廢品率。半導(dǎo)體激光器焊接適用于表面元件安裝、柔性印刷電路、高密集度連接器、微型分立元件、以及低熱質(zhì)電子元件的生產(chǎn)廠家。