基于SAC305焊料的红外...功率和时间对焊点形态的影响_李通.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202303010March2023Semiconductor Technology Vol48 No3247基于 SAC305 焊料的红外激光植球功率和时间对焊点形态的影响李通1，潘开林2，*，李鹏1，檀正东3，蔡云峰3(1 桂林电子科技大学 海洋工程学院，广西 北海536000;2 桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004;3 深圳市艾贝特电子科技有限公司，广东 深圳518103)摘要:为了探究工艺参数对激光植球焊点形态的影响，采用激光器波长为 1 064 nm 的激光植球设备对直径 0.6 mm 的 SAC305 焊球在覆铜板上进行植球。基于单因素实验法，通过红外测温系统对激光植球熔池温度进行测量，使用 3D 轮廓测量仪对焊点圆度、铺展直径、焊点高度、小孔直径和小孔深度等参数进行测量。研究了激光功率和加热时间对焊点参数的影响。结果表明，熔池温度在保温区出现先升高后降低的趋势;随着加热时间的增加，冷却区熔池的冷却速率逐渐降低;激光功率的增加使得熔池温度的升温速率增加且冷却区起始温度升高。随着加热时间和激光功率的增加焊点铺展直径和小孔直径相应增大，焊点高度逐渐降低;随着加热时间的增加小孔深度呈现先增大后减小的趋势;随着激光功率增加小孔深度逐渐增大。该研究结果可为植球工艺参数的选择提供参考。关键词:激光植球;熔池温度;圆度;铺展直径;焊点高度;小孔直径;小孔深度中图分类号:TN405.96文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)03024708Effects of Power and Time of Infrared Laser Jet Solder Ball BondingProcess on Solder Joint Shape Based on SAC305 SolderLi Tong1，Pan Kailin2，*，Li Peng1，Tan Zhengdong3，Cai Yunfeng3(1 School of Ocean Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Beihai 536000，China;2 School of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China;3 Shenzhen Anewbest Electronic Technology Co，Ltd，Shenzhen 518103，China)Abstract:In order to explore the influence of process parameters on the shape of laser jet solder ballbonding process spot，the laser jet solder ball bonding process equipment with a laser wavelength of1 064 nm was used to sold the SAC305 ball with diameter of 0.6 mm on the copper clad laminate Basedon the single factor experiment method，the temperature of the laser ball planting molten pool was measuredby the infrared temperature measurement system，and the parameters such as the roundness of the solderjoint，the spreading diameter，the height of the solder joint，the small hole diameter and the small holedepth were measured by the 3D profile measuring instrument The influences of laser power and laserheating time on solder joint parameters were studied The results show that the temperature of the soldermolten pool increases first and then decreases in the heat preservation zone With the increase of heatingtime，the cooling rate of the solder molten pool in the cooling zone decreases gradually With the increaseof laser power，the heating rate of the solder molten pool temperature and the initial temperature of thecooling zone increase With the increase of heating time and laser power，the spreading diameter and李通等:基于 SAC305 焊料的红外激光植球功率和时间对焊点形态的影响=248半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月small hole diameter of solder joints increase correspondingly，and the height of solder joints decreasesgradually With the increase of heating time，the small hole depth first increases and then decreases Thehole depth increases with the increase of laser power The research results can provide reference for theselection of solder ball bonding process parametersKeywords:laser jet solder ball bonding;moltenpool temperature;roundness;spreadingdiameter;stand-off height;small hole diameter;small hole depthEEACC:22400引言激光植球工艺一般采用激光熔滴焊1，通过设计与控制激光功率、时间、氮气压强等精准配合，加热熔融焊球并使其完整地以合适的温度、速度喷射到对应的焊盘上实现微连接，形成需要的几何形貌与尺寸的凸点，整个过程需要约 10 ms 完成。由于激光植球工艺具有高效、局部加热、快热快冷等特点2，使得激光植球既适用于大面积封装微型化焊料凸点的制作，也适用于封装内系统(SiP)等 3D 封装的凸点制作，而且由于是局部加热，适应了更多光通信等热敏感器件的工艺要求。同时，由于在极短的时间内完成加热焊接与冷却，使得凸点金属组织均匀，晶粒细小，因此力学性能得到提高。激光植球技术以其独特的优势和适应性而具有广泛的工程应用潜力，引起了国内外学者的重视与研究，主要涉及激光植球焊接熔池温度场和工艺实验与开发等领域。激光焊接过程中熔池温度对焊接质量有重要的影响，因此探究焊接过程中熔池温度和焊接质量之间的关系，对获得良好的焊接效果有重要的意义。常用的测温方法有两种，分别是接触式和非接触式，所用仪器有热电偶、红外热成像仪、红外测温仪等。N Yazdian 等人3 通过热电偶单点测量验证了仿真温度场模型的准确性。单热电偶仅测得小范围的温度变化，为了获得焊接区域多个点的温度，在焊接过程中热影响区域设置了多个检测点。P Efthymiadis 等人4 使用热电偶多点测量方式对焊接熔池温度场进行测量，发现焊接样品的几何形状为轴型时，冷却速率随着离熔池距离的增大而降低。热电偶测量方式只能对熔池周围进行接触式测量，并不能得到熔池内部的温度变化，因此，国内外的一些学者采用非接触测量的方法对熔池温度进行了测量。Y Zhang 等人5 利用红外热成像系统采集了激光-MAG 复合焊接42CrMo钢熔池表面温度，并测得不同工艺参数下熔池表面温度的变化。P Yu 等人6 采用红外测温仪与振镜相结合的方式，获得焊接过程中多点的温度数据，总结获得几种焊接缺陷对应的温度场，并通过红外测温信号对焊接缺陷进行判断。在工艺实验与开发方面，主要研究激光植球的激光功率、加热时间、喷嘴内部的氮气压强、喷嘴与衬底金属的距离等工艺参数与工艺输出之间的关系。U Quentin 等人7 通过工艺实验设计(DOE)及工艺实验与分析，对各工艺参数对焊接效果的影响进行了总结与评价。M S F Lima等人8 提出了阶梯式加热方式以避免焊球发生沸腾气化现象，实现良好的焊接。A Jeromen 等人9 从理论上研究了钎焊液滴与喷嘴的分离，为气体超压、液滴润湿角等主要工艺参数的选择提供指导。J Deeying 等人10 用响应面优化法建立参数与期望值的映射关系，对工艺参数进行了多目标优化。姚立华11 研究了激光工艺参数对钎料润湿性的影响规律。目前，激光植球大多采用热电偶、红外测温和红外热成像方法对焊接熔池温度进行测量，对工艺的研究大多集中在工艺参数对焊接效果的影响。关于激光植球工艺参数对焊接熔池温度和焊点形态作用的研究较少，本文基于单因素实验法，通过红外测温系统和 3D 轮廓测量仪分别对激光植球的熔池温度和焊点形态进行测量，以焊点圆度、铺展直径、焊点高度、小孔直径和小孔深度为指标，研究激光植球的加热时间和激光功率对焊点形态的影响规律。1激光植球工艺参数实验1.1实验材料与设备实验材料为 SAC305 焊料，焊球直径(0.6 0.015)mm;基板为覆铜板，长 5.5 mm，宽3.5 mm，李通等:基于 SAC305 焊料的红外激光植球功率和时间对焊点形态的影响=March2023Semiconductor Technology Vol48 No3249厚 1 mm，表面采用化学镀镍/浸金(ENIG)(Au/Ni/Cu)工艺，铜层厚 20 m，金层厚 1 m;使用无水乙醇对焊盘进行擦拭清理，去除表面污染物;焊接中采用 N2作为保护气体，焊盘温度为常温。本文采用的激光植球设备如图 1 所示，主要由计算机控制系统、半导体激光器、红外测温系统和移动平台组成。半导体激光器总功率 130 W，采用百分比的方法对激光功率进行标记，例如激光功率是 13 W 时标记激光功率为 10%。实验采用的激光器波长为 1 064 nm，焦距 60 mm，焦点光斑直径0.3 mm;镀金板放置在工作台上，激光聚焦于焊球表面。图 1激光植球设备Fig.1Laser jet solder ball bonding equipment焊点几何尺寸测量工具为 VR-5000 3D 轮廓测量仪，如图 2 所示。测量的焊点几何尺寸主要包括焊点圆度、铺展直径、焊点高度、小孔直径和小孔深度，如图 3 和图 4 所示。激光植球设备和 3D 轮廓测量仪由深圳市艾贝特电子科技有限公司提供。图 2VR-5000 3D 轮廓测量仪Fig.2VR-5000 3D profile measuring instrument焊点投影焊盘图 3焊点圆度测量Fig.3Roundness measurement of solder join