CN101428372A - 一种半导体激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光焊接方法，所述焊接方法包括以下4个阶段：升温阶段，激光功率从零逐渐上升，焊料的温度从室温升至熔点或接近熔点；维持阶段，激光功率按升温阶段末的激光功率W1维持不变或略有上升；熔化阶段，激光功率在维持阶段末的基础上继续上升，至焊料全部熔化或接近全部熔化；后续阶段，激光功率按熔化阶段末的激光功率W3维持不变，至焊接完成。本发明通过工艺参数优化可使工件，样品达到焊点附着力大为提高，其中对于锡焊，一次焊接成功率达到100％，无出现虚焊，漏焊，脱焊等情况并且能够有效避免被焊工件的氧化现象。对于塑料焊接能够达到连续焊接无首末点重点现象发生，并且焊点的强度能够超过本身材料的强度。

Description

一种半导体激光焊接方法

[技术领域]

本发明涉及激光焊接技术，尤其涉及一种半导体激光焊接方法。

[背景技术]

半导体激光焊接是目前应用较为前沿的一种激光焊接技术，其主要特点是光束质量好，光电转换效率高，而且具有设备体积小，维护简单等特点，其在低熔点材料焊接(如锡焊，塑料焊接)中，具有广泛的应用基础及发展前景。

目前，半导体激光焊接方式多是采用带“渐进渐出”的连续激光焊接方式，其特点在于消除半导体瞬间加压时，由于电流骤变而产生“耀斑”；同时有利于提高半导体激光器的寿命。

但这种控制方式较为单一，在实际应用中，由于材料的差异以及工件的个性化和特殊化，造成焊接效果远无法达到理想需求。例如，在锡焊过程中由于激光功率调制不当，经常造成锡丝弯曲，或者是锡丝熔化成珠状而无法焊接，在其他单晶体材料焊接中也会出现类似现象。

因此，需要一种方便、易于实现的激光焊接工艺方法，以解决上述问题。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种减少焊接缺陷，提高焊点附着力和焊接成功率的半导体激光焊接方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种半导体激光焊接方法，所述焊接方法包括以下4个阶段：

101)升温阶段，激光功率从零逐渐上升，焊料的温度从室温升至熔点或接近熔点，升温阶段所需的时间为t1；

102)维持阶段，激光功率按升温阶段末的激光功率W1维持不变或略有上升，维持阶段所需的时间为t2；

103)熔化阶段，激光功率在维持阶段末的基础上继续上升，至焊料全部熔化或接近全部熔化，熔化阶段所需的时间为t3；

104)后续阶段，激光功率按熔化阶段末的激光功率W3维持不变，至焊接完成，后续阶段所需的时间t4。

以上所述的半导体激光焊接方法，升温阶段所需的时间t1为0.1至0.3秒，维持阶段所需的时间t2为0.1至0.4秒，熔化阶段所需的时间t3为0.1至0.3秒，后续阶段所需的时间t4为0.1至0.4秒。

以上所述的半导体激光焊接方法，维持阶段末的功率W2不超出升温阶段末的激光功率W1的10％；维持阶段结束时，液相与固相的比例大于20％，小于50％。

以上所述的半导体激光焊接方法，升温阶段所需的时间t1等于熔化阶段所需的时间t3。

以上所述的半导体激光焊接方法，升温阶段末的激光功率W1符合以下规律：

W1＝2×Q1×t1，允许上差，下差各5％，

其中，Q1为每个焊盘的焊料由室温加热至临界熔点所需热量。

以上所述的半导体激光焊接方法，熔化阶段末的激光功率W3符合以下规律：

W3＝2×Q2×t3+W1，允许下差15％，

其中，Q2为每个焊盘焊料的由临界熔点至熔化成液态所需热量。

根据权利要求1至6中任一权利要求所述的半导体激光焊接方法，总焊接时间均不超过0.8秒。

本发明半导体激光焊接方法通过采用4个阶段的工艺步骤，减少了焊接缺陷，提高焊点附着力和焊接成功率，全面提升了焊接质量。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明半导体激光焊接方法实施例的工艺曲线图。

图2是本发明实施例使用的焊接设备原理框图。

[具体实施方式]

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的针对半导体激光机焊接工艺改进效果的方法的核心思想在于：基于样品本身材料特性，建立被焊材料的熔点曲线与焊点曲线，最大焊点附着力为目标，对半导体激光机焊接工艺进行了改进。

如图1所示，本发明实施例的焊接工艺按照以下步骤制定：

步骤A、建立熔点特性曲线

步骤B、基于所建立的熔点特性曲线与焊接工艺要求建立焊点特性曲线

步骤C、以焊接效果最佳为目标对上述特性曲线进行修正。

其中，对于步骤A：根据上升段时间t1(0.30s≥t1≥0.10s，)，和焊料由室温单次焊接至临界熔点所需热量Q1，建立熔点特性曲线公式

W1＝2×Q1×t1

式中W1为上升段时间末时刻的激光功率，Q1为每个焊盘的焊料由室温加热至临界熔点所需热量。W1值允许上差，下差各5％。

在实际操作中，发现采用此熔点特性进行焊接，在出激光末时刻可使被焊工件被激发为临界液态(具备固态与液态特性的状态)。但由于空气导热，为了使该工件长处于该状态，因此需要维持一定激光功率。在实践中，发现维持功率采用上升段时间末时刻的激光功率W1可以实现。至于维持时间，则取决于生产具体需要。由此，熔点特性曲线建立。

因此，在步骤A中包括了2个阶段，其中，升温阶段，激光功率从零逐渐上升，焊料的温度从室温升至熔点或接近熔点，升温阶段所需的时间为t1，t1为0.1至0.3秒；维持阶段的激光功率按升温阶段末的激光功率W1维持不变或略有上升，维持阶段所需的时间为t2，t2为0.1至0.4秒。维持阶段末的功率W2不超出升温阶段末的激光功率W1的10％，一般可以采用W2＝W1；维持阶段结束时，液相与固相的比例大于20％，小于50％。

其中对于步骤B：建立基于熔点特性曲线之上焊点特性曲线的方法以t3作为特性曲线上升时间(0.30s≥t3≥0.10s，可以取t3＝t1)，根据焊料的熔化热Q2建立焊点特性曲线公式

W3＝2×Q2×t3+W1，

式中W3为基于熔点特性曲线之上的焊点特性曲线上升段时间末时刻的激光功率。W3的值的允许下差为15％，

其中，Q2为每个焊盘焊料的由临界熔点至熔化成液态所需热量。

在实际操作中，发现采用此基于熔点特性的焊点特性进行焊接，在出激光末时刻可使被焊工件被彻底熔化为液态。但由于液体表面具有一定的张力，造成被焊工件可能会形成一水珠状态。为了克服该过程，因此需要添加一定激光功率。

因此，在步骤B中也包括了2个阶段，其中，熔化阶段，激光功率在维持阶段末的基础上继续上升，至焊料全部熔化或接近全部熔化，熔化阶段所需的时间为t3，t3为0.1至0.3秒；后续阶段，后续阶段所需的时间t4，在实践中，发现后续阶段添加功率必须不小于末时刻激光功率W3，添加时间t4不低于0.1s，并不大于0.4s(过大会造成焊料汽化)，所以后续阶段的激光功率可以按熔化阶段末的激光功率W3维持不变，至焊接完成。

由此，焊点特性曲线建立。

焊点特性曲线与焊点特性曲线组合成本发明激光焊接方法的工艺曲线。

对于步骤C：以焊接效果最佳为目标对上述特性曲线进行修正。即以所需焊接效果为导向，对变量W1，W3进行修改，使之Q1，Q2对于变化，从而对焊接效果产生影响。

为理解方便，本发明以锡焊(无铅)一个焊盘为实施例进行描述。

请参阅图B

A)锡焊一个焊盘熔点特性建立

纯锡的熔点为231.9℃

锡的平均比热为226J/(kg*K)

由此可推算每克锡由室温加热至临界熔点所需热量为

(231.9-25)×226÷1000≈47(J)

在φ60mil上每个焊盘需焊锡重量为0.02g左右

由此可推算每个焊盘焊锡至临界熔点所需热量Q1为

47J×0.02＝0.94(J)

在本实施例中，t1＝0.14s

由公式W1＝2×Q1×t1

可计算出W1≈13W。

维持功率也采用W1，维持阶段的时间为t2为0.2s，

至此锡焊一个焊盘熔点特性曲线建立。

锡焊一个焊盘焊点特性建立

锡的熔化热为7.08kJ/mol(合59.7J/g)，即每克锡由临界熔化到完全熔化成液态所需热量为59.7J

在本发明实际例中可推算每个焊盘焊锡由临界熔点至熔化成液态所需热量Q2约为

59.7×0.02g＝1.194J在本实施例中，t3为0.14s

由公式W3＝2×Q2×t3+W1

可计算出熔化阶段末时刻之激光功率为W3＝17+13＝30W

后续阶段的添加功率为W3，添加时间t4为0.2s，

至此锡焊一个焊盘焊点特性曲线建立。

锡焊一个焊盘特性曲线修正

通过对锡焊的该焊盘进行导电性测试，以导电性能最佳为目标进行特性曲线的修正。修正方法亦为上述特性曲线之建立方法，至此，锡焊一个焊盘实施例焊接工艺曲线建立。

本发明实施例的有益效果在于：通过工艺参数优化可使工件，样品达到焊点附着力最优焊接，消除了诸如锡丝弯曲，或锡丝熔化成珠状而无法焊接的缺陷，对于锡焊，一次焊接成功率可达到100％，无出现虚焊，漏焊，脱焊等情况并且能够有效避免焊料氧化现象。对于塑料焊接能够达到连续焊接无首末点重点现象发生，并且焊点的强度能够实现超过本身材料的强度。

图2为本发明实施例使用的硬件实施方案框图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半导体激光焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下4个阶段：

101)升温阶段，激光功率从零逐渐上升，焊料的温度从室温升至熔点或接近熔点，升温阶段所需的时间为t1；

102)维持阶段，激光功率按升温阶段末的激光功率W1维持不变或略有上升，维持阶段所需的时间为t2；

103)熔化阶段，激光功率在维持阶段末的基础上继续上升，至焊料全部熔化或接近全部熔化，熔化阶段所需的时间为t3；

104)后续阶段，激光功率按熔化阶段末的激光功率W3维持不变，至焊接完成，后续阶段所需的时间t4。

2.根据权利要求1所述的半导体激光焊接方法，其特征在于，升温阶段所需的时间t1为0.1至0.3秒，维持阶段所需的时间t2为0.1至0.4秒，熔化阶段所需的时间t3为0.1至0.3秒，后续阶段所需的时间t4为0.1至0.4秒。

3.根据权利要求2所述的半导体激光焊接方法，其特征在于，维持阶段末的功率W2不超出升温阶段末的激光功率W1的10％；维持阶段结束时，液相与固相的比例大于20％，小于50％。

4.根据权利要求2所述的半导体激光焊接方法，其特征在于，升温阶段所需的时间t1等于熔化阶段所需的时间t3。

5.根据权利要求2所述的半导体激光焊接方法，其特征在于，升温阶段末的激光功率W1符合以下规律：

W1＝2×Q1×t1，允许上差，下差各5％，

其中，Q1为每个焊盘的焊料由室温加热至临界熔点所需热量。

6.根据权利要求5所述的半导体激光焊接方法，其特征在于，熔化阶段末的激光功率W3符合以下规律：

W3＝2×Q2×t3+W1，允许的下差为15％，

其中，Q2为每个焊盘焊料的由临界熔点至熔化成液态所需热量。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的半导体激光焊接方法，其特征在于，总焊接时间均不超过0.8秒。

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