激光自动化锡焊设备（激光锡焊打造电子芯片的）
激光自动化锡焊设备（激光锡焊打造电子芯片的）图2 紫宸激光的3种不同工艺的激光锡焊机图1 激光锡焊替代传统锡焊工艺示意图激光锡焊的关键在于合理的控制激光功率分配。如果激光束汇聚在锡料上，会使锡料温度过高导致熔化过快，而此时母材温度却不足，致使锡料不能很好地润湿母材，影响其填充效果，焊点成型变差。如果激光束汇聚在母材上，则锡料温度有可能过低，导致锡料流动性或活跃性降低，同时母材可能过热熔化，导致锡料直接进入熔池形成熔化焊，而形成的脆性相也会影响焊点性能。[1]激光锡焊的种类有哪些目前激光锡焊主要分为4种，分别为锡丝激光焊接、锡膏激光焊接、锡球激光焊接以及振镜激光焊接。图1是激光锡焊替代传统锡焊工艺示意图。图2是深圳市紫宸激光设备有限公司的3种激光锡焊机示例。
文 / 许必坚，深圳市紫宸激光设备有限公司总经理
什么是激光锡焊
激光锡焊是利用低熔点的金属焊料加热熔化后，渗入并充填金属件连接处间隙的焊接方法。与传统烙铁锡焊不同的是，激光取代烙铁作加热的媒介，利用激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热完成焊锡过程，使其由接触式焊接转变为非接触式焊接。激光锡焊与电烙铁焊接比较各自优缺点比较见表1。
表 1 激光锡焊与电烙铁焊接比较
激光锡焊的关键在于合理的控制激光功率分配。如果激光束汇聚在锡料上，会使锡料温度过高导致熔化过快，而此时母材温度却不足，致使锡料不能很好地润湿母材，影响其填充效果，焊点成型变差。如果激光束汇聚在母材上，则锡料温度有可能过低，导致锡料流动性或活跃性降低，同时母材可能过热熔化，导致锡料直接进入熔池形成熔化焊，而形成的脆性相也会影响焊点性能。[1]
激光锡焊的种类有哪些
目前激光锡焊主要分为4种，分别为锡丝激光焊接、锡膏激光焊接、锡球激光焊接以及振镜激光焊接。图1是激光锡焊替代传统锡焊工艺示意图。图2是深圳市紫宸激光设备有限公司的3种激光锡焊机示例。
图1 激光锡焊替代传统锡焊工艺示意图
图2 紫宸激光的3种不同工艺的激光锡焊机
- 锡丝激光焊接
锡丝激光焊接的原理是激光先加热产品焊盘，待焊盘达到一定温度后，将锡丝送在焊盘上，通过激光熔化锡丝，使熔化的锡丝附着在焊盘上，见图3。
图3 锡丝激光焊接工艺过程
送丝激光焊锡是激光锡焊的主要形式。送丝机构与自动工作台配合使用，通过模块化控制方式实现自动送丝和光输出。焊接具有结构紧凑，一次性操作的特点。与其他几种焊接方法相比，其明显的优势在于一次性夹紧材料和自动完成焊接，具有广泛的适用性。
相比传统焊接，该工艺无配件耗材，具有渗透率高，不假焊；对产品无应力；焊点饱满光泽，无拉尖；无锡渣残留等特点。
常见焊接产品有PCB电路板通孔插针件、线圈、5G天线等，见图4。
图4 常见的锡丝焊接产品
- 锡膏激光焊接
点锡膏激光焊接的原理是将锡膏事先点在或涂抹在焊盘上，再通过激光的辐射，加热锡膏和产品焊盘，使其达到焊接的温度，从而达到焊接的目的。其工艺流程图见图5。
图5 锡膏激光焊接的工艺流程图
锡膏激光焊锡通常用于加固零件或预镀锡，例如通过锡膏在高温下熔化和加固的屏蔽盖的四角，以及磁头触点的锡熔化。它也适用于电路传导焊接，对于柔性电路板（例如塑料天线安装座），焊接效果非常好，因为它没有复杂的电路，所以锡膏焊接通常会取得良好的效果。对于精密和微型工件，锡膏填充焊接可以充分体现其优势。
相比于传统焊接，热影响区域小，可灵活设定受热面大小；通孔焊盘渗透率高；焊接间距最小可达0.12 mm；在密集焊盘下效率优势明显。
由于激光能量的高度集中，焊膏加热不均匀，容易破裂和飞溅，而飞溅的焊球又易于引起短路。因此，对于焊膏的质量要求非常高，建议使用防溅焊膏以避免飞溅。常见焊接产品有光通讯模块FPC、PCB&FPC、插针件、贴片元器件、线材与线 &PCB、马达线圈等，见图6。
图6 常见的锡膏激光焊锡产品
- 锡球激光焊接
锡球激光焊接原理是将锡球颗粒通过送球机构送到喷嘴处，然后激光照射，熔化锡球，通过氮气将液态的锡喷射在产品表面。其工艺流程图见图7。
图7 锡球激光焊接工艺流程图
锡球是没有分散的纯锡的小颗粒，激光加热熔化后不会引起飞溅，固化后将变得饱满而光滑，没有其他过程，例如垫的后续清洁或表面处理。相比于传统焊接，锡球激光焊接效率更高，无助焊剂，外观一致性高，焊接稳定性极高等，热影响最小。
常见焊接产品有焊盘和焊盘连接，如摄像头模组；部分FPC与FPC&PCB焊接、晶圆、BGA等，见图8。
图8 常见的锡球激光焊接产品
- 振镜激光焊接
振镜扫描式焊接原理是将锡膏事先点在或涂抹在焊盘上，再通过激光来回扫描，加热锡膏和产品焊盘，使其达到焊接的温度，从而达到焊接的目的，是点锡膏焊接的补充。其工艺原理见图9。
图9 振镜激光焊接示意图
振镜扫描式焊接能够实现在不同形状规则的焊盘区域进行匹配焊接，可点焊也可面焊。常见焊接产品有FPC与PCB&FPC、插针件、贴片元器件、线材与线&PCB、马达线圈等。
微电子应用与激光锡焊
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。其发展的理论基础是19世纪末到20世纪30年代期间建立起来的现代物理学。从本质上来看，微电子技术的核心在于集成电路，它是在各类半导体器件不断发展过程中所形成的。在信息化时代下，微电子技术对人类生产、生活都带来了极大的影响。
1）生活应用
随着信息化时代的到来，在信息知识爆炸的年代，微电子技术下的产品影响着我们生活的方方面面（图10），如我们最为常用的通信工具—手机，上下班坐公交车使用的IC卡，洗衣服用的全自动洗衣机，做饭用的电饭煲，烧水用的电水壶，茶余饭后的欣赏电视节目。这些和我们生活息息相关的电子产品都采用了微电子技术处理而完成其功能性的发挥，给我们的生活带来了便捷，带来了高品质的享受。
图10 微电子产品的激光焊锡
2）工业制造应用
为了能够快速地适应新时代工业产业发展的趋势，目前许多的工业制造企业都积极地引进微电子技术支持下的设备来提高企业的生产效率和产品的精准度，以此提高市场竞争优势。比如，在汽车制造行业，通过微电子的融入研发了电子引擎监控系统，有效地解决了引擎不容易控制的问题；将微电子技术融入汽车的监控系统中，一旦汽车遭遇被盗情况，电子防盗系统会立即发出警报（各应用案例见图11）。
图11 微电子技术应用
3）军工产业应用
微电子技术不仅在生活、工业等产业中得以广泛应用，而且在军工产业中也扮演着重要的角色。众所周知，在信息化时代，现代军事力量的强大与否主要体现在军事装备信息化程度的高低。如果一个国家军事装备中融入的现代微电子信息技术较多，就会在战争中取得先机。例如，依靠微电子技术通过远程计算机控制的无人战斗机，就是很好应用微电子技术的例子。
此外，侦察机上的数字地图装置能够为野外训练的士兵提供准确的天气、情报、敌军位置以及周边地形等准确信息数据。通过无线计算机网路技术将搜集到的信息数据传输到指挥中心，为军事方案的制定提供了重要的支持[2]。
时下，电子行业是国家战略性发展产业，消费电子行业存量市场空间依然非常大。一方面，个人电脑、平板电脑、智能手机都已经开始进入红海的竞争格局，随之而来的将是各自产品在技术创新上的突破，从而带来新的技术应用和工艺变革。另外，随着技术进一步的创新，在消费电子领域也涌现出一批新产品，如智能手表、智能手环为代表的可穿戴设备、AR/VR、消费无人机等，这些新兴的消费电子产品发展迅猛。如图12 所示，预计 2021 年中国电子制造业收入超13 万亿元。
图12 2016-2021 年中国电子制造业收入统计及预测 / 亿元（数据来源：电子信息行业联合会）
随着电子产品越来越微型化及单件元器件引脚数目不断增加，集成电路QFP元件的引脚间距也不断缩小，并朝着更精密的方向发展。作为弥补传统焊接方式不足的新型焊接工艺，非接触式激光锡焊技术以其高精度、高效率和高可靠性等优点正逐步替代传统烙铁焊，已成为不可逆转的趋势。
可以预见，未来电子产品将面临如下变革：
1）客户产品越来越小型化、智能化、复杂化、个性化；
2）接触式的电烙铁焊接工艺焊点粗大、一致性差；
3）标准化设备难以适应多样性、柔性化的生产环境。
当下，市场正朝着纵向数量的增长和横向应用领域的扩展，随之而来的是市场对电子元器件需求的增长，锡焊是其生产工艺中必不可少的环节，因此，包括上游产业链也相继寻找激光锡焊工艺解决方案。
结束语
激光焊接技术，突破了传统焊接技术的限制，在现代科学技术的帮助下，激光焊接技术的工作效率、精确度明显提高。相信在不久的将来，随着我国科学技术不断发展，激光焊接技术将进一步完善，更多定制化、自动化、智能化、精密化的激光焊接设备将应用到微电子行业的制造中。
目前为止，激光焊接技术涵盖了各个行业其他零件的焊接工艺要求，包括汽车电子、光学组件、声学组件、半导体制冷设备、安全产品、LED 照明、精密连接器、磁盘存储组件等；在客户群方面，以 Apple 公司客户产品的相关组件（包括上游产业链）衍生的相关焊接工艺要求为主导，Apple 公司也一直在寻找激光焊锡工艺解决方案。
随着激光焊接技术不断发展，其聚焦点将进一步缩小，黏连性进一步提高，能够彻底避免损伤材料或导致材料变形，焊接技术的后续处理可直接跳过，焊接技术的效率明显提升。
当前，激光焊接技术仍存在成本较高、焊接配件要求较高等缺陷，相信未来我国的激光焊接技术将更加完善，应用成本也能得到控制，不需要对焊接配件提出较高要求，即可快速完成激光焊接。
参考文献
1. 李亚江，李嘉宁．激光焊接 / 切割 / 熔覆技术．超越激光：化学工业出版社，2012：79-80
2. 邓哲 . 微电子技术的发展和应用 [J]. 科学与信息化 2017 (33):3 6.
作者简介✦
许必坚，深圳市紫宸激光设备有限公司的总经理兼法人代表。
