激光焊接折射率對于焊料有什么影響？

隨著表面組裝技術(shù)向高密度，小尺寸方向發(fā)展，傳統(tǒng)的回流焊工藝可能會(huì)對熱敏感的器件產(chǎn)生損害，因此需要一種能對特定區(qū)域器件加熱焊接的工藝。激光焊接是一種新型的焊接工藝，該技術(shù)可以局部非接觸加熱且加熱時(shí)間非常短，能夠快速的形成可靠的焊點(diǎn)。然而，在激光焊接過程中仍然存在一個(gè)令人不安的現(xiàn)象，即焊點(diǎn)周圍熱敏元件的隨機(jī)燒壞。這種情況主要是在激光噴射焊球結(jié)合過程中，焊盤和焊球的激光反射(LR)所造成。因此需要了解激光反射率與焊料之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

Zhao等人(2022)使用了尺寸為60×60的FR4鍍銅板和綠油板。實(shí)驗(yàn)前用無水酒精對板材表面進(jìn)行清洗。所使用的焊料為WTO-LF2000免洗SAC305錫膏。Zhao等人采用了低激光功率進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在使用激光照射焊料時(shí)，激光照射與SAC305錫膏熔融擴(kuò)散相互作用時(shí)會(huì)形成反射，并產(chǎn)生耀眼的白光。大量形成的熱輻射會(huì)加熱周圍的元器件并燒壞元器件。

圖1. (a)激光反射和(b)元器件燒壞。

為了能讓低功率激光將SAC305錫膏融化，陶瓷加熱板被用于輔助焊料融化。陶瓷加熱板首先將錫膏加熱到200°C，然后激光照射并逐漸將錫膏熔化。激光焊接期間的激光反射基本可以分為五個(gè)階段。初始階段（0-0.3s）的特點(diǎn)是低激光反射和焊料快速升溫。 在這個(gè)階段中，激光反射從23%緩慢增加到28%，焊料吸收大量熱量，溫度迅速從200℃升至249℃。第二階段（0.3-0.4s）是激光反射的快速上升時(shí)刻且溫度保持在247-249℃。第三階段（0.4-0.7s）的特點(diǎn)是激光反射下降。激光反射在第四階段（0.7-2.3s）再次增加。 由于慣性效應(yīng)，溫度先上升到257°C，并由于激光反射的不斷增加而下降到220℃。激光反射在最后階段（2.3-5.0s）基本保持穩(wěn)定，溫度在225℃左右。

圖2. 激光焊接過程中激光反射和溫度變化。

圖3. 焊料潤濕和激光反射變化。

初始階段時(shí)激光照射在錫膏上并被SAC305粉末多次反射吸收。 激光反射是由焊膏本身決定。隨著照射的繼續(xù)，一些區(qū)域熔融，導(dǎo)致激光被液體反射，激光反射緩慢增加。隨著焊料熔融程度增加，激光反射大幅度增加。但是由于持續(xù)時(shí)間短，并不會(huì)造成元器件損傷。在第三階段，由于上部高溫液體與下部未熔化粉末之間的溫差，熱量向下傳導(dǎo)。同時(shí)，上層熔化的焊料需要吸收更多的激光能量來提高或維持溫度，導(dǎo)致激光反射迅速下降。在第四階段，越來越多的粉末熔化成液體，溫差和熱傳導(dǎo)的效果減小，激光反射增加。但激光被球體徑向反射，不會(huì)直接損害元件。最后，由于焊料完全熔化，焊料與外部環(huán)境之間的熱交換達(dá)到平衡，因此激光反射穩(wěn)定保持在較高水平，大部分激光被集中反射到周圍的部件并造成損害。

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參考文獻(xiàn)

Zhao, S.N., Tan, Z.D., Wang, H.Y. & Gao, M. (2022). Effects of spreading behaviors on dynamic reflectivity in laser soldering.Optics & Laser Technology, vol.155.