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每個細(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)動電源和帶800µm芯徑耦合光纖的半導(dǎo)體激光器,輸出800nm波長、30W功率的激光,光束通過一對焦距為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,使自動材料處理和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的集成得以簡化。
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降低表面氧化。密集的幾何形狀、針的長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。 對助聽器中柔性電路的焊接,這種電路是為一種助聽器設(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,每個電路有7個焊接點(diǎn),助聽器由5塊電路組成。為把分立元件焊接到柔性印刷電路上,每個焊點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)松香焊料,整個過程使用10W激光以1秒1個焊點(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,上述過程發(fā)生在激光輸出的同一工作周期中,只是要通過使用模擬控制調(diào)整FAP-System的輸出波形,使得脈沖的前期過程完成剝線,隨后過程完成焊接。氫基甲酸乙酯和聚酰來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程 中,絕緣層并沒有被完全清除,而只是對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,有時更長一些,這取決于焊線的尺寸、焊接點(diǎn)的尺寸、絕緣材料及其厚度。#p#分頁標(biāo)題#e#
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。雖然燈的價格并不貴,但是使用時的噪聲大。最常用的是自動焊接機(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。在自動焊接機(jī)無法靠近的場合,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僅取決于價格便宜的光路部分。購買半導(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)千乃至上萬小時,所以后期的維護(hù)費(fèi)用低,故障停工時間少,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,對最終用戶頗具價值。在各種應(yīng)用中,輸出激光的功率密度高對加工處理十分有利,可能提高生產(chǎn)速度??傊?,靈活的運(yùn)動控制系統(tǒng)、精確細(xì)小的激光焊點(diǎn)、以及對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。
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