激光錫膏微焊接技術解決方案

激光錫膏微焊接由于能量密度高加熱快、熱影響區域小、非接觸加熱、精確的熱量控制等優勢已成為微裝配領域有效的焊接方式，其主要分為有釬料焊接和無釬料焊接，有釬料焊接中除了針對不同場合選用不同材料的釬料外，還需要根據實際情況選擇不同的釬料類型，其主要包括錫球、錫絲、錫膏等，在微電子封裝領域，激光微釬焊已成為熱門研究領域。

由于錫膏具有一定的粘度在回流焊中得到了大量應用，但是錫膏在激光微焊接領域的研究卻很少。無釬料焊接，常用于微小板件搭接焊、對焊和投射焊等。雖然，激光微焊接已經成為微裝配領域有效的連接方式，但是目前的應用主要集中在兩塊區域的連接，包括引腳、接觸面等，激光焊在引線焊接方面的應用較少，尤其是對于微小導電游絲的焊接，目前都是人工焊焊接，一致性差，操縱難度高。為了推進導電游絲焊接的自動化發展，對其激光焊接的實現方式和焊接流程及工藝進行探究具有重要意義。

為了實現某型號航空加速度計中導電游絲自動化焊接，設計了一套試驗平臺。試驗材料為30 μm銅絲、錫膏和鍍金焊盤，錫膏中含有助焊劑，能有效降低表面張力影響。通過試驗分析與過程優化，總結出了一套有效的焊接流程和工藝，可實現0.2 mm左右焊點的焊接，試驗結果表明其焊點強度可靠、導電性良好。

1 導電游絲激光微焊接系統設計

導電游絲激光微焊接系統設計如圖1所示，系統主要由點錫膏模塊、紅外測溫模塊、激光加熱和視頻監控模塊、信號和數據處理模塊四部分組成。

圖1 激光錫膏微焊接系統構成圖

點錫膏模塊用于對焊點進行定點定量的錫膏分液操作，其采用氣動點膠機作為錫膏分液設備，用直角坐標機器人作為運動定位機構，兩者構成點錫膏模塊。紅外測溫模塊采用超高速紅外測溫儀，采用旁軸測溫的方式對焊接域進行溫度測量。焊接和視頻監控模塊用于焊點定位、加熱、焊接過程監控和焊點的視覺測量。信號和數據處理模塊主要負責監控視頻的顯示、視覺定位、視覺測量、紅外溫度數據的保存和分析等。

焊接和視頻監控模塊是系統的主要模塊，實物如圖2所示 ，紅外測溫儀鏡頭通過萬向節固定在三維滑臺上，通過滑臺可實現測溫點旁軸定位，相機與激光器鏡頭同軸安裝在固定架上部，其具有可沿Z軸移動的運動機構上，能夠有效調節光斑的大小，相機和激光器的中間連接部分是相機的調焦機構，可實現相機焦平面的調節，在將激光器軸心的正下方是一個可二維移動的載物臺，工作時先調節好激光器的光斑大小，然后調節測溫儀使其測溫點與激光光斑重合，然后再通過視覺監控調節載物臺，使待焊點移動到激光的光斑中心。

由式(19)可知,ΔU5>0。因此,根據表2可知轉子位于0°～60°電角度區域,再根據定位力矩知轉子位于57°電角度,判斷完成。

2 發射率標定和同軸度補償

紅外測溫儀在校準時是根據黑體的對外輻射的紅外能來進行標定的，而實際中的物體受各種因素影響其輻射的紅外能低于同溫度下黑體輻射的紅外能，所以實際測量中需要對被測物體進行發射率標定。另外，激光器能量中心與同軸相機的視覺中心在安裝時存在誤差，導致相機的視野中心并不是激光器的能量中心，如果不補償將對系統的焊接定位產生影響。

2.1 錫膏的發射率標定

發射率計算公式為

ε=T0/T1

式中：T0為紅外測溫儀值；T1為被測物體的實際溫度值；發射率標定示意圖如圖3所示。

圖3 發射率標定示意圖

試驗將錫膏放在一個金屬容器中，然后用熱板對容器進行加熱，待錫膏完全熔融后將精度為±0.5 ℃的K型熱電偶垂直插入熔錫中，待熱電偶溫度穩定后記錄數據，同時用紅外測溫儀測量熔錫的表面溫度。圖4為熱電偶所測60組數據的散點圖，時間間隔1 s，平均溫度測量值為T1=226.0 ℃，圖5為紅外測溫儀測得熔錫溫度穩定區域的溫度曲線圖，其平均值為T0=202.9 ℃，則ε=0.897 8。

圖4 K型熱電偶所測溫度數據

為了驗證發射率的準確性，在該發射率下進行了幾組紅外測溫試驗，并與熱電偶所測數據進行比較得出了其相對誤差，40組數據的相對誤差散點圖如圖6所示。試驗以熱電偶所測數據為標準溫度值，紅外測溫儀所測值為測量值，來計算該發射率下測溫儀測量值的相對誤差，從圖中可以看出其相對誤差為±1%。

2.2 相機和激光鏡頭的同軸度補償

為了補償激光器能量中心與相機視野中心的偏差，進行了同軸度測量試驗。試驗通過激光調光相紙上的灼燒印記來記錄光斑的位置，然后通過圖像處理獲得灼燒印記中心，即可獲得激光器的能量中心，照片的中心位置即為視覺系統的中心點，試驗結果如圖7所示，十字交叉點為視野中心點。

視覺系統的圖像分辨率為1 920×1 080，經標定其像素尺寸為2.74 μm×2.74 μm。由表1數據可知，能量中心在視野中心右上部，偏移量為220.509 μm，275.643 μm。

表1 激光能量中心標定結果 pixel

坐標(X, Y)(1 044.65, 438.35)(1 045.54, 431.83)(1 048.21, 452.64)(1 041.57, 442.41)(1 044.05, 440.20) (1 041.90, 433.27)坐標(X,Y)(1 043.50, 440.86)(1 035.22, 438.25)(1 043.87, 440.16)(1 033.30, 427.57)(1 042.12, 432.81)(1 036.12, 436.01)

為了探究激光光斑大小改變時，激光的能量中心是否發生位移，按照以上方法在激光光斑大小發生改變后測量了10組激光能量中心的坐標值，發現中心點坐標發生了改變，且呈現線性關系。圖8為十組數據的散點圖及擬合直線圖，由此可知激光器能量中軸線與相機視野中軸線在空間中呈異面關系，所以當改變激光光斑時，需要重新測定同軸度偏移量。

該視覺系統的相機鏡頭放大倍率可變，以上試驗都是在2倍放大倍率下進行，當放大倍率改變時，像元尺寸發生改變，為了驗證激光器的能量中心是否會發生位移變化，在不同的相機倍率下進行了如上同軸度測量試驗。試驗發現當光斑大小不改變時，改變相機鏡頭的放大倍率，激光器能量中心坐標點不發生改變。

3 錫膏加熱試驗

為了探究激光加熱錫膏的規律，對試驗中出現的問題進行了總結，并對問題進行了分析和對焊接工藝進行了改進。

3.1 虛焊假焊

虛焊假焊表現為焊接完后焊點沒有固定或固定不牢，圖9a為一虛焊點，用鑷子輕碰后焊點如圖9b所示立刻脫落。試驗發現這種現象大多是由于錫膏殘留過多而引起的，在圖9中出現的大量油狀物質是錫膏焊接殘留的助焊劑，當助焊劑殘留過多時，會阻礙焊錫與焊盤金屬的接觸，形成虛焊假焊，在微焊接中由于焊料較少這種現象尤為突出[8]。可選用助焊劑比例較少的錫膏，或通過前期預熱促進助焊劑蒸發來改善這一問題。同時延長激光加熱高溫時間，使助焊劑中的高溫成分得到有效揮發。

圖9 焊點虛焊假焊

預熱時溫度不足會導致效果不明顯，預熱溫度過高會造成錫膏坍塌流動。如圖10所示，預熱前錫膏比較聚集，預熱時由于錫膏粘度降低流動性增強，在焊盤表面形成一層面積較大且薄薄的錫膏，此時加熱會導致邊緣錫膏能量不足無法熔化，以及由于助焊劑量減少熔錫流動性差，焊接過程中錫珠無法聚集，形成如圖11中難以規則聚集的焊點，其周邊有大量未熔化的錫粉，且焊點聚集度低。試驗表明，當平臺預熱溫度設為73 ℃，預熱時間2～3 min時效果較好。

圖10 錫膏點聚集度示意圖

3.2 產生多錫珠

如圖12所示，焊接中有時會出現多錫珠無法聚集成一個焊點的現象。試驗發現，形成多錫珠的原因主要為：①溫爆區助焊劑的沸騰，引起錫珠濺射阻礙錫料聚集成一體，如圖13中助焊劑沸騰將錫粉顆粒濺落到邊緣地帶;②能量不足，光斑尺寸和功率大小會影響錫膏獲得的能量值進而導致錫料無法聚集成一體;③助焊劑占比較高，加熱時助焊劑占比過高將會使錫料懸浮在表面不定向移動，有時候會使錫料熔合有時候也會使錫料分離形成錫珠。

針對以上問題，經試驗發現，加熱開始階段功率緩慢上升可抑制助焊劑沸騰，此外當激光光斑較大時，如圖14所示的激光能量密度分布服從高斯分布，此時中心區域能量密度較低，加熱時中心能量不足，焊料很難向中心區域聚集，從而形成多錫珠，所以在保證光斑有效覆蓋焊料的前提下盡量減小光斑尺寸并選擇合適的激光功率。

圖12 多錫珠現象

3.3 焊點接觸面積多變性

焊點與基底的接觸面積受各種因素的綜合影響具有多變性，其大致可分為如圖15所示的三種類型焊點：匍匐狀、半圓狀、球狀。圖15a為匍匐狀焊點，其接觸面積較大、強度大、焊點高度較低，整體上焊點尺寸較大，圖15b為半圓形焊點，其接觸面積適中比匍匐狀焊點小，但高度比匍匐狀焊點高，圖15c為球狀焊點實物，其接觸面積較小、強度較低、高度較高。三種焊點在接觸面積、高度、強度上各有不同，且接觸面積越大強度越高[10]，由于后期游絲焊接需要垂直焊接，綜合認為半圓形類焊點是較佳焊點類型。

試驗發現影響焊點接觸面積的因素主要為：①加熱功率。在其他條件合適的情況下，激光功率越高接觸面積越小;②助焊劑含量。助焊劑含量過高會阻礙錫膏與焊盤的接觸導致虛焊假焊，同時也可能會導致焊點接觸面積的減小;③熱板預熱后錫膏點半徑r與光斑半徑R之比k(0m時焊點趨向于匍匐狀，當k

3.4 助焊劑大量殘留

助焊劑能夠清除焊盤上的污漬和氧化物等，以及提高表面浸潤性降低表面張力，改善焊點質量[11](圖16)。但是也會產生助焊劑殘留問題，由于助焊劑具有粘性，焊接完成后會使錫粉或錫珠殘留在上面，圖16a中反光部分為助焊劑殘留，其周圍粘附有殘余錫珠。另外，助焊劑具有腐蝕性，可能會對后續部件產生破壞[12]，同時助焊劑發生化學變化形成了部分結晶物質，能夠將未焊接在基底上的錫珠固定，形成假焊，所以試驗選擇后期對殘留助焊劑進行清洗。試驗選用洗板水對焊接后的焊點進行清洗，具體操作為用洗板水沖刷或者浸泡3～5 s，如圖16b所示，殘留的助焊劑黏附的錫膏和錫珠都被清洗干凈，此時假焊產生的焊點也會脫落，所以用洗板水清洗也是檢查焊點質量的有效手段。

3.5 焊接結果

系統選用0.15 mm內徑針頭，輸出氣壓設置為400 MPa，氣門開閥時間為1 s，將熔點為183 ℃的Sn63Pb37五號粉錫膏噴涂在硅基底表面鍍金的焊盤上，所得錫膏點半徑為86 pixel，然后在73 ℃熱板上預熱2 min，將激光光斑半徑設為160 pixel再用圖 17所示的功率曲線加熱，較終得到折算后直徑為209 μm的良好焊點,如圖18所示。

圖17試驗加熱功率曲線

3.6 焊點導電性試驗設計和測量

為了驗證焊點的可靠性，進行了游絲焊點導電性測量。試驗如圖19所示，將游絲兩端分別焊接在兩塊獨立的銅片上(厚度2 mm)，焊點為A,B，選取靠近A,B的兩個測量點a,b進行電阻測量，所測電阻Rab=0.582 Ω，其主要由RAa和RBb,RA和RB,RAB三部分組成，其中RAa和RBb趨近于0可忽略，RA和RB象征焊點阻值，RAB為游絲自身阻值，則可得公式(1):

RA+RB=Rab- RAB

(1)再由width=47,height=24,dpi=110得，長度為20 mm直徑為30 μm的銅絲的阻值RAB=0.495 1 Ω，則兩焊點處阻值RA+RB為0.086 9 Ω。

圖19 焊點電阻值測量示意圖

由于兩焊點引入的電阻值明顯小于游絲自身引入的阻值，則可認為焊點的導電性良好。

4 結論

針對30 μm導電游絲人工焊接的現狀，設計了一套導電游絲激光錫膏微焊接平臺。試驗發現助焊劑含量對焊接質量影響較大，焊接前的預熱可有效改善焊點質量，預熱溫度和時間也會影響焊接效果，同時錫膏點尺寸與光板尺寸的關系也影響焊接效果。較終試驗對焊點的導電性進行測量，結果表明激光錫膏微焊接機器得到的焊點導電性良好。