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        鍍鎳覆銅基板激光阻焊工藝特性

        2021-11-15 01:40:44張軍葉曉飛呂曉云席亞莉黃棟李曄
        焊接 2021年8期
        關(guān)鍵詞:阻焊焊錫脈沖電流

        張軍, 葉曉飛, 呂曉云, 席亞莉, 黃棟, 李曄

        (西安微電子技術(shù)研究所,西安 710129)

        0 前言

        DBC基板由于具有優(yōu)良的電絕緣性能、高導熱性能及大載流能力,成為大功率電力電子電路互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)材料[1]。目前大功率混合集成電路普遍使用DBC作為功率器件焊接和載流基板,但DBC上的焊盤無法像厚膜基片一樣進行細間距精確隔離,只能通過增大元器件間距避免元器件焊點互聯(lián)。一方面降低了元器件組裝密度;另一方面,增大了組裝難度,容易出現(xiàn)焊錫橋連,導致元器件偏移、旋轉(zhuǎn),并增大焊點應(yīng)力,影響產(chǎn)品的可靠性。

        傳統(tǒng)的阻焊方式是將阻焊油墨通過絲網(wǎng)印刷、凹板印刷及噴墨打印涂布至電路板或者DBC基板上,經(jīng)過一定的固化處理,形成一層阻焊膜,在后續(xù)焊接過程中起到阻焊作用[2]。但該方法流程復雜,且受限于線條寬度,不能滿足DBC基板上高密度組裝的需求。文中提出了采用激光刻蝕方法形成極細間距的阻焊區(qū)域,系統(tǒng)地分析了激光阻焊機理,采用正交試驗法對激光阻焊參數(shù)進行了優(yōu)化,得到了鍍鎳覆銅基板上激光阻焊的最優(yōu)參數(shù)和方法。

        1 激光阻焊機理

        激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性,對材料(包括金屬和非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)[3]。目前激光加工技術(shù)包括:激光切割技術(shù)(汽化切割、熔化切割等)、激光熱處理技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光熔覆技術(shù)及激光快速成形技術(shù)等。其基本原理是利用脈沖激光束聚焦在加工物體的表面上,形成一個個細微的、高能量的光斑,瞬間高溫熔化或氣化被加工材料,控制激光脈沖能量和激光頭連續(xù)運動打點,就可以實現(xiàn)多種激光加工[4],如圖1所示。

        圖1 激光掃描路徑示意圖

        1.1 激光刻蝕阻焊形貌

        選取鍍鎳覆銅基板作為待阻焊樣品,在初步激光參數(shù)(脈沖電流為13 A、頻率為2 000 Hz、步距為0.1)下進行刻蝕,在高倍顯微鏡及掃描電鏡下對刻蝕后界面進行觀察,刻蝕后形貌及截面如圖2所示,可以看出,鍍鎳覆銅基板表面鎳層經(jīng)過激光刻蝕作用后,出現(xiàn)一條U形刻痕,刻痕寬度和深度與激光參數(shù)相關(guān)[5-9],在掃描電鏡下可以看出,鎳層在激光作用下出現(xiàn)熔化后向周邊溢出,在連續(xù)激光作用下,形成一道波浪式刻痕。

        圖2 DBC鎳層表面經(jīng)激光作用后形貌

        1.2 激光刻蝕阻焊效果

        通過U形刻痕截面圖可以看出,刻痕兩側(cè)鎳層溢出,在豎直方向高于原始平面,形成物理阻擋面,理論上焊錫需要較大表面張力才可跨過;在鍍鎳覆銅基板表面設(shè)計網(wǎng)格狀刻蝕圖形,并在整個阻焊區(qū)域涂覆焊膏,回流焊后效果如圖3所示;可以看出,激光刻蝕網(wǎng)格經(jīng)過焊接后,焊錫在阻焊網(wǎng)格內(nèi)均勻堆積,網(wǎng)格輪廓清晰,阻焊效果明顯。

        圖3 激光阻焊網(wǎng)格

        在高倍顯微鏡下對樣品界面進行分析,如圖4所示,可以清晰地看出焊錫、鎳層、銅層以及陶瓷界面,通過測量阻焊區(qū)兩側(cè)焊錫間距,焊錫間距大于激光刻蝕的溝壑寬度,說明激光阻焊溝壑兩側(cè)存在一定熱影響區(qū),該熱影響區(qū)鎳在激光高溫影響下迅速氧化,焊錫在氧化層不浸潤[10-14],因此可以起到阻焊效果。

        圖4 阻焊線條橫截面

        2 阻焊參數(shù)優(yōu)化

        2.1 激光阻焊工藝參數(shù)

        影響激光刻蝕形貌參數(shù)包括脈沖電流、調(diào)制頻率、掃描速度及步距,其中脈沖電流決定了焦點光斑直徑,調(diào)制頻率決定了每秒光斑數(shù)量,步距影響每個光斑位置上重疊的激光次數(shù)[15-17]。

        2.2 激光參數(shù)正交試驗

        使用田口試驗設(shè)計以步距、調(diào)制頻率和脈沖電流為自變量設(shè)計3因素5水平試驗,試驗自變量因素編碼及水平見表1。

        表1 田口試驗因素和水平

        該次試驗共有42組試驗點,其中40個為析因點,2個零點用于誤差估計,每組參數(shù)下進行12次重復試驗,對刻蝕寬度及效果進行測量和評價,試驗設(shè)計與結(jié)果見表2,圖5為不同參數(shù)下激光刻蝕效果照片。

        表2 激光阻焊田口試驗表

        圖5 不同參數(shù)下刻蝕效果

        通過評分方式對不同參數(shù)下阻焊效果進行量化,使用軟件分析各個參數(shù)對阻焊效果及阻焊寬度的影響,如圖6所示。從圖6中可以看出,在所選的參數(shù)范圍內(nèi),步距對阻焊效果的影響呈拋物線狀,即靠近中間段阻焊效果較好;阻焊效果隨調(diào)制頻率的增加呈先上升后降低的走勢;脈沖電流越大,考慮到漏銅對外觀的影響,阻焊效果越差;步距和脈沖電流對阻焊寬度呈正比例影響,調(diào)制頻率對阻焊寬度影響并無明顯規(guī)律,結(jié)合阻焊效果可以給出推薦參數(shù):步距0.4,調(diào)制頻率5.0 kHz,脈沖電流14 A。

        圖6 激光參數(shù)對阻焊效果影響

        2.3 阻焊圖形優(yōu)化

        除對激光參數(shù)進行優(yōu)化外,由于激光刻蝕的溝壑是通過光斑運動形成的,在高倍顯微鏡下觀察光斑交界處,偶爾會出現(xiàn)細微互聯(lián),為達到完全阻焊效果,在阻焊位置進行2道激光刻蝕,2道刻蝕位置中心距離大于激光刻蝕溝壑寬度,可以使得2道刻蝕溝壑之間存在一定本體區(qū)域,便于目檢阻焊效果,如圖7所示,刻蝕效果良好。

        圖7 優(yōu)化后激光阻焊效果

        2.4 阻焊樣品效果

        選擇優(yōu)化的激光參數(shù)進行焊接樣品制備,在低倍顯微鏡下對元器件進行極近距離(電容與支架邊緣分別與阻焊線條兩側(cè)重合)的焊接,如圖8所示,阻焊效果明顯。

        圖8 電路中阻焊效果

        3 結(jié)論

        (1)在鍍鎳覆銅基板上采用激光刻蝕形成阻焊溝壑后,由于鎳在激光高溫影響下迅速氧化,焊錫在氧化層不浸潤,可以起到阻焊效果。

        (2)在激光阻焊參數(shù)中,步距和調(diào)制頻率對阻焊效果的影響呈拋物線狀;脈沖電流越大,考慮到漏銅對外觀的影響,阻焊效果越差;步距和脈沖電流對阻焊寬度呈正比例影響,調(diào)制頻率對阻焊寬度影響并無明顯規(guī)律。

        (3)通過優(yōu)化阻焊圖形,設(shè)計2道激光刻蝕圖形,中心間距大于激光刻蝕溝壑寬度(約50 μm),可以使得2道刻蝕溝壑之間存在一定本體區(qū)域,阻焊效果良好。

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