CN112008178B - 一种三维焊缝的激光熔钎焊封装方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维焊缝的激光熔钎焊封装方法及其装置，该方法包括：步骤S1，在待连接器件的接头处进行表面处理，选择合适尺寸的低温钎料；步骤S2，将低温钎料采用激光熔钎进行原位熔化，并借助高压气流将熔化的钎料喷射至接头处，并借助辅助润湿和填充方法，完成初步连接；步骤S3，在钎料喷射后，施加第二道激光再次加热钎料进行二次重熔，在间隔一段时间后对焊缝进行保温后处理，完成冶金连接。本发明的技术方案采用三道加热工序依次完成钎料的熔化、填充、润湿和界面反应，实现快速低温焊接；相对于传统的一次激光焊接，具有润湿铺展更充分、焊缝完整性好、焊接性能及表面质量高、残余应力低的特点。

Description

一种三维焊缝的激光熔钎焊封装方法及其装置

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，尤其涉及一种三维焊缝的低温激光熔钎焊封装方法及其装置。

背景技术

随着电子产业的快速发展，电子系统的尺寸越来越小，同时集成度越来越高，需要将不同材料及类型的器件和模块相互集成，进而制作高性能、多功能的一体化电子设备。由于异种合金在化学成分、组织结构以及物理与化学性能等方面存在很大的差异，导致现有工艺技术难以广泛适应众多电子设备的封装。一方面，随着连接接头尺寸的不断减小，三维复杂结构表面钎料互连结构的沉积难度日益提高。另一方面，耐受温度低的光电子模块在较高的工艺温度下易失效、影响可靠性，传统的再流焊、热压焊等封装工艺一般需要预涂覆钎料层，并对焊接结构进行整体加热，无法满足异类材料封装以及热敏感元器件互连需求。因此，必须开发兼顾钎料选择性涂覆且热输入集中的局部封装工艺，以完成新一代电子器件的连接和制造要求。

激光焊接工艺是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接具有功率密度高、热影响区小的特点，适用于热敏感元器件封装，有望实现异种合金材料之间的局部连接。然而，随着待连接材料和钎焊工艺的改变，钎料在接头表面的润湿性会发生显著变化，因此直接使用激光焊接工艺进行钎焊往往无法保证焊接接头的互连质量。特别在铝、镍、可伐合金等高导热合金材料上，由于液态钎料快速冷却，无法进行充分的润湿铺展和界面冶金反应过程，易形成气孔、虚焊、界面裂纹等缺陷。因此，亟需优化现有的激光焊工艺以提高焊接质量。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种三维焊缝的激光熔钎焊封装方法及其装置，解决了微纳复杂结构器件之间的封装难题。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种三维焊缝的激光熔钎焊封装方法，其特征在于：其包括：

步骤S1，在待连接器件的接头处进行表面处理，选择合适尺寸的低温钎料；

步骤S2，将低温钎料采用激光熔钎进行原位熔化，并借助高压气流将熔化的钎料喷射至接头处，并借助辅助润湿和填充方法，完成初步连接；

步骤S3，在钎料喷射后，施加第二道激光再次加热钎料进行二次重熔，在间隔一段时间后对焊缝进行保温后处理，完成冶金连接。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，在待连接器件接头处加工坡口结构，然后进行表面处理；所述待连接器件的材料为紫铜、黄铜、铝合金、不锈钢、可伐合金、陶瓷、硅片或玻璃，进一步的，所述接头处坡口结构与法向的夹角为30-75°，坡口深度为0.1-0.5 mm。采用上述技术方案，合适的接口坡度和深度能够有效的进行钎料的递送，保证封装过程中钎料的充分填充和冶金连接。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述表面处理包括：先去除表面污染物或氧化层；然后采用等离子体活化、化学镀、电镀、表面喷涂或气相沉积在表面制备形成Cr/Ni/Au、Ti/Ni、Ni/Sn、Ag、Cu的单层或多元过渡金属化层。进一步的，采用机械研磨、超声酸洗等进行表面处理去除表面污染物或氧化层。

采用此技术方案，机械研磨、超声酸洗等表面处理可以去除合金表面污染物及氧化膜，加强封装过程中合金原子间的扩散；而单层或多元过渡金属化层的表面镀层不改变现有钎料成分的基础上，能够提高钎料与其他材料之间的润湿和冶金效果。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述低温钎料为微纳米复合焊粉或焊球，其中焊粉的粒径为0.1-100 μm，焊球的直径为100 μm-1 mm。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述低温钎料的材料包括Sn-Bi、Sn-Ag-Cu或Sn-In低温复合钎料合金和助焊剂。

采用此技术方案，低温钎料在焊接过程中可以避免电子元器件结构及功能的热损伤、降低结构热应力，助焊剂能够在润湿铺展过程中有效的去除合金表面污染物及氧化膜，降低材料表面张力，加强焊料的润湿铺展。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述钎料通过喷粉、送球等方法送入喷头中，并由所述内置激光器原位熔化为微纳液滴。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，采用激光器进行原位熔化的温度为400-1000 ℃，喷射速度为1-10球/s或1-30 mg/s，飞行速度为1-10 m/s，连接速度为0.1-5 mm/s。

采用此技术方案，高压气流将融化钎料喷射至焊缝位置能够保证较高的钎料传送效率，相对于机械（柱塞、夹持结构等）钎料传送装置能够简化设备，从而在喷嘴内置激光器提高设备集成度，同时液态钎料可以自适应匹配焊接区域。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述辅助润湿和填充方法为对待焊部件进行预热、超声振动、加载电流或施加还原性气氛；实施辅助润湿和填充方法时，待焊部件的局部温度不超过150 ℃。采用此技术方案，辅助润湿措施能够提高液态钎料能量状态，促进液态钎料的铺展和流动。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述第二道激光为脉冲激光，施加第二道激光的时间为喷射完成后5 ms-1s；所述第二道激光的光斑尺寸为10 μm-100 μm，入射角度为45-90°，平均功率0.05-2 kW，加热温度为100-250℃。采用此技术方案，再次重熔钎料可以促进钎料进一步润湿铺展，加强界面冶金反应并改善焊缝表面形貌。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述后处理为使用离焦激光束或聚焦红外线进行低温加热及保温，所述使用离焦激光束或聚焦红外线的间隔时间为0.01-5 s，使用离焦激光束或聚焦红外线的光斑尺寸为0.01-10 mm，加热温度为50-200 ℃。采用此技术方案，后处理能够延长熔化时间，加强焊料的润湿铺展，降低钎料及接头温度变化梯度，从而释放激光加热后突然冷却产生的应力，提高焊接接头可靠性，提高焊接质量。

本发明公开了一种三维焊缝的激光熔钎焊封装装置，其采用如上任意一项所述的三维焊缝的低温激光熔钎焊封装方法，该低温激光熔钎焊封装装置包括旋转夹持机构、钎料送料模块、激光熔钎焊模块、辅助润湿模块、后道激光器和后处理模块，所述旋转夹持机构包括旋转移动驱动组件和夹持构件；所述激光熔钎焊模块包括气流喷射模块和气氛控制模块，气流喷射模块的喷嘴内置激光器；所述辅助润湿模块为加热模块、超声振动模块、通电模块或还原性气氛施加模块；所述后道激光器为可编程脉冲激光器；所述后处理模块为连续激光器或聚焦红外线加热器；

所述旋转夹持结构中旋转移动驱动组件和夹持构件连接，所述夹持构件与激光熔钎焊模块连接；所述旋转移动驱动组件与可编程控制器电连接，通过可编程控制器进行控制，从而控制激光熔钎焊模块的位置；

所述钎料送料模块朝着气流喷射模块的喷嘴处递送钎料；

所述气流喷射模块的喷嘴、后道激光器和后处理模块朝着待连接器件的接头处；所述辅助润湿模块位于焊接平台上或位于焊接平台的一侧；所述钎料送料模块朝着激光熔钎焊模块的喷头处；

待连接器件放在焊接平台上，所述可编程控制器控制旋转夹持机构，带动激光熔钎焊模块在焊接过程中进行x、y、z三个方向的移动、定位和旋转；所述钎料送料模块将低温钎料送到激光熔钎焊模块的喷头处；所述激光熔钎焊模块利用气氛控制模块通入惰性气体，然后喷嘴内置激光器进行低温钎料原位熔化，并通过并借助气流喷射模块的高压气流将熔化的钎料喷射到待连接器件的接头处，所述辅助润湿模块对待连接器件的接头进行加热，促进润湿；

在钎料喷射后，所述后道激光器施加第二道激光再次加热钎料；

所述后处理模块对焊缝进行保温后处理，完成冶金连接。

其中，所述气氛控制模块可以施加氮气、氢气等特殊气氛，使低温钎料在氮气、氢气气氛下将待连接器件进行预热和连接。所述钎料送料模块为喷粉装置或送球装置。

采用此技术方案，装置功能可以实现高度集成化，在保证焊接质量的同时可提高激光焊接效率。

作为本发明的进一步改进，所述三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置包括控制模块和三维视觉测量辅助模块，所述控制模块与三维视觉测量辅助模块、可编程控制器、钎料送料模块、气流喷射模块、喷嘴内置的激光器、气氛控制模块、辅助润湿模块、后道激光器和后处理模块电连接；所述辅助润湿模块集成在用于放置待连接器件的焊接平台上。

所述视觉测量辅助系统对待连接器件的位置进行测量，并反馈给控制模块，所述控制模块根据视觉测量辅助系统反馈的待连接器件的位置，控制可编程控制器、钎料送料模块、气流喷射模块、喷嘴内置的激光器、气氛控制模块、辅助润湿模块、后道激光器和后处理模块的工作。

其中，所述高精度三维视觉辅助系统包括高分辨率、高帧率的摄影组件，其与可编程控制器控制的旋转夹持机构、钎料送料模块的配合，可实现钎料在精度10 μm以下的递送，可以保证较高的焊接效率和钎料利用率。所述辅助润湿模块包括加热模块、超声模块、电流模块中的至少一种。所述旋转夹持机构包括多轴联动机械手和装夹平台，焊接平台集成有加热模块和超声、电流等辅助润湿模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，本发明的技术方案采用三道加热工序完成钎料的熔化、填充、润湿和界面反应，实现快速低温焊接；相对于传统的一次激光焊接，具有润湿铺展更充分、焊缝完整性好、焊接性能及表面质量高、残余应力低的特点。

第二，本发明的技术方案借助激光喷球/粉工艺，无需沉积钎料层，操作步骤更为简单，可“一步式”实现复杂结构连接界面的快速钎料沉积和原位连接；同时，其封装过程中热影响区域小，避免了过高温度引起的结构变形、电子器件热损伤，且降低了能量损耗，尤其适用于热敏器件或者低温电子器件的焊接封装。

第三，本发明技术方案的装置的自动化程度高，通过使用可编程控制器调节钎料及工艺参数，能够满足各类材料、结构及器件的封装需求，具有优秀的材料和工艺兼容性。

附图说明

图1是本发明的三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的激光熔钎焊模块的原理示意图。

图3是本发明实施例的低温钎料从焊球经过三次加热的铺展焊接示意图。

图4是本发明实施例的特殊焊缝钎料铺展焊接示意图。

附图标记包括：1-三维视觉测量辅助模块，2-旋转夹持机构，3-激光熔钎焊模块，4-辅助润湿模块，5-气氛控制模块，6-后道激光器，7-后处理模块，8-可编程脉冲控制器，9-钎料送料模块，10-焊球，11-喷嘴，12-激光，13-融化的焊球，14-后道激光器，15-第二道激光，16-离焦激光束，17-激光器；18-气流喷射模块。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

如图1~图3所示，一种三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置，其包括用于夹持待连接器件的旋转夹持机构2、钎料送料模块9、激光熔钎焊模块3、辅助润湿模块4、后道激光器6和后处理模块7，所述激光熔钎焊模块3包括气流喷射模块18和气氛控制模块5，所述气流喷射模块18的喷嘴11内置激光器 17；所述后处理模块7为小功率连续激光器或聚焦红外线加热器；所述辅助润湿模块4为加热模块、超声振动模块、通电模块或还原性气氛施加模块，其集成在用于放置待连接器件的焊接平台上； 所述旋转夹持机构2包括旋转移动驱动组件和夹持构件，所述旋转移动驱动组件和夹持构件连接，所述夹持构件与激光熔钎焊模块3连接，所述旋转移动驱动组件与可编程控制器电连接，通过可编程控制器进行控制激光熔钎模块；所述钎料送料模块9朝着激光熔钎焊模块3的喷头处；所述激光熔钎焊模块3的喷嘴11、后道激光器6和后处理模块7朝着待连接器件的接头处。

所述三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置，包括控制模块和三维视觉测量辅助模块1，所述控制模块与三维视觉测量辅助模块1、可编程控制器、钎料送料模块9、气流喷射模块18、喷嘴11内置的激光器17、气氛控制模块5、辅助润湿模块4、后道激光器6和后处理模块7电连接；所述后道激光器6与可编程脉冲控制器8连接，为可编程脉冲激光器。

本实施例中，所述旋转夹持机构2包括多轴联动机械手和用于夹取激光熔钎焊模块3的装夹平台或夹具。钎料送料模块9为送球装置；所述辅助润湿模块4为加热机构，所述后处理模块7采用小功率连续激光器。所述激光熔钎焊模块3带有气流喷射模块18和气氛控制模块5，所述气氛控制模块5包括气瓶、气管和气流控制阀，所述气管的出口分别朝着气流喷射模块18和待连接器件的接头处。所述后道激光器6为可编程脉冲激光器，所述后处理模块7为小功率连续激光器或聚焦红外线加热器等。所述高精度三维视觉测量辅助模块1包括高分辨率、高帧率的摄影组件，与可编程控制器控制的旋转夹持机构2、钎料送料模块9的配合，可实现钎料在精度10 μm以下的递送，可以保证较高的焊接效率和钎料利用率。采用本实施例的技术方案，所述低温激光熔钎焊设备可在氮气、氢气等特殊气氛下进行预热和连接，并可由可编程控制器控制旋转夹持机构2完成待焊结构在x、y、z三个方向的移动、定位和旋转，此设备功能高度集成化，在保证焊接质量的同时可大大提高焊接效率。

上述三维视觉测量辅助模块1、可编程控制器、钎料送料模块9、激光熔钎焊模块3、气氛控制模块5、辅助润湿模块4（加热机构）、后道激光器6和后处理模块7（小功率连续激光器）均可以采用现有技术的装置。

工作时，所述视觉测量辅助系统对待连接器件的位置进行测量，并反馈给控制模块，所述控制模块根据视觉测量辅助系统反馈的待连接器件的位置，控制可编程控制器、钎料送料模块9、气流喷射模块18、喷嘴11内置的激光器17、气氛控制模块5、辅助润湿模块4、后道激光器6和后处理模块7按照时序工作。

需要焊接时，待连接器件放在焊接平台上，所述视觉测量辅助系统对待连接器件的位置进行测量，并反馈给控制模块，控制可编程控制器、钎料送料模块9、气流喷射模块18、喷嘴11内置的激光器17、气氛控制模块5、辅助润湿模块4、后道激光器6和后处理模块7按照时序工作。具体而言，所述可编程控制器控制旋转夹持机构2，带动激光熔钎焊模块3在焊接过程中进行x、y、z三个方向的移动、定位和旋转，对准接头处；所述钎料送料模块9将低温钎料送到激光熔钎焊模块3的喷头处；所述激光熔钎焊模块3将送至喷头的低温钎料，利用喷嘴11内置的激光器11进行原位熔化，气流喷射模块通过并借助气流喷射模块的高压气流将熔化的钎料喷射到待连接器件的接头处，气氛控制模块5控制气流喷射模块和待连接器件的接头处的气氛；所述辅助润湿模块4对待连接器件的接头进行加热润湿。在整个钎料喷射过程中，所述钎料送料模块9持续送球，所述可编程控制器控制旋转夹持机构2，带动激光熔钎焊模块3在焊接过程中进行x、y、z三个方向的移动、定位和旋转。在钎料喷射完后，所述后道激光器6施加第二道激光再次加热钎料；所述后处理模块7对焊缝进行保温后处理，完成冶金连接。整个过程中，所述气氛控制模块5可以施加氮气、氢气等特殊气氛给待连接器件的接头处和激光熔钎焊模块3，使低温钎料在氮气或氢气气氛下将待连接器件进行预热和连接。

一种三维焊缝的低温激光熔钎焊封装方法，采用上述三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置进行焊接包括以下步骤：

步骤S1，在待连接器件接头处加工坡口结构，进行表面处理，选择合适尺寸的低温钎料；

步骤S2，将低温钎料送至喷头，利用喷嘴内置的激光器进行原位熔化，并借助高压气流将熔化的钎料喷射至接头坡口处，借助辅助润湿和填充技术，完成初步连接；

步骤S3，在钎料喷射后，施加第二道激光再次加热钎料，并在间隔一段时间后对焊缝进行快速后处理，完成冶金连接。采用此激光熔钎焊设备进行异类合金的封装时，旋转夹持结构与高精度三维视觉测量辅助模块配合可实现焊料的准确递送，相对于传统再流焊的整体加热而言，热输入集中更适合热敏感元器件；相对于一次激光焊接钎料铺展及冶金连接过程更充分，焊接接头连接强度更高。

步骤S1中，所述待连接器件的材料为紫铜、黄铜、铝合金、不锈钢、可伐合金、陶瓷、硅片或玻璃等电子结构材料，所述接头处坡口结构与法向的夹角为30-75°，坡口深度为0.1-0.5 mm；所述表面处理是指采用机械研磨、超声酸洗等去除表面污染物、氧化层及使用等离子体活化、化学镀、电镀、表面喷涂或气相沉积等制备Cr/Ni/Au、Ti/Ni、Ni/Sn、Ag、Cu等单层或多元过渡金属化层。

步骤S2中，所述低温钎料为微纳米复合焊粉或焊球10，材料为Sn-Bi、Sn-Ag-Cu、Sn-In等低温复合钎料合金，焊粉粒径为0.1-100 μm，焊球10直径尺寸为100 μm-1 mm，其中包含助焊剂材料。

步骤S2中，所述钎料由钎料送料模块9通过送球等方法送入喷头中，并由激光熔钎焊模块3的喷嘴11内置的激光器17直接熔化为微纳液滴；钎料的加热温度为400-1000 ℃，喷射速度为1-10球/s或1-30 mg/s，飞行速度为1-10 m/s，连接速度为0.1-5 mm/s，所述辅助润湿及填充技术为对待焊部件进行预热、超声振动、加载适当电流或还原性气氛，局部温度不超过150 ℃。

步骤S3中，所述第二道激光为脉冲激光，加热时间为喷射完成后5 ms-1s，光斑尺寸10-100 μm，为入射角度45-90°，平均功率0.05-2 kW，加热温度为100-250 ℃。

步骤S3中，所述快速后处理为使用离焦激光束或聚焦红外线进行低温加热及保温，间隔时间为0.01-5 s，光斑尺寸为0.01-10 mm，加热温度为50-200 ℃。

以下为采用上述三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置进行焊接的实施例。

实施例2

如图3和图4所示，一种光电信号处理器中铝合金壳体和可伐合金密封盖的焊接，包括以下步骤：

（1）将待焊铝合金和可伐合金待焊接表面酸洗去除污染物，抛光机打磨去除氧化物，机械打磨接头位置至坡口结构与法向的夹角为55°，坡口深度为0.3 mm，在铝合金表面镀40 nm厚的Ti层，在可伐合金表面镀100 nm厚的Ni层，然后再镀200 nm厚的Cr层；

（2）制备直径为500 μm 的Sn52In共晶钎料焊球10，通过钎料送料模块9（送球装置）将焊球10运送到喷嘴11处；

（3）通过喷嘴内置的激光器17，发射激光12加热、熔化焊球，并借助高压气流将融化的焊球13喷射至铝合金和可伐合金焊缝处；

（4）立即使用后道激光器14（100 W）产生第二道激光15（光斑直径30μm）加热所喷焊球，加热温度150 ℃，促使其融化、填充焊缝，形成钎料接头；

（5）使用离焦激光束16对焊接接头进行低温加热或保温，激光束工作间隔时间为0.1 s，光斑尺寸为10μm，加热温度100 ℃，完成冶金反应及封装。

本实例中采用双重激光束对钎料进行加热焊接，相对于传统一次激光焊接润湿铺展以及焊料与母材之间的冶金反应更加充分，焊接接头质量更高，除此之外，激光焊接相对于传统整体加热的再流焊工艺热输入更加集中，避免了对光电元器件的热损伤。

实施例3

一种LED器件中，通过底部预热的方式焊接Cu焊盘和SiC陶瓷板：

（1）将待焊Cu焊盘以及SiC陶瓷板表面酸洗去除污染物，抛光机打磨去除焊盘表面氧化物，在Cu焊盘上镀Au/Ni，Au厚度为100 nm，Ni厚度200 nm，在SiC陶瓷板表面镀30 nm厚的Ti层，机械打磨接头位置至坡口结构与法向的夹角为45°，坡口深度为0.1 mm；

（2）将Cu焊盘以及SiC陶瓷板待焊接部位预热至150 ℃，制备直径为760 μm的Sn3.0Ag0.5Cu共晶钎料焊球，通过送球装置将焊球运送到喷嘴处；

（3）通过喷嘴内置激光器，发射激光加热至焊球表面融化，并借助高压气流将融化的焊球喷射至Cu焊盘和SiC陶瓷焊缝处；

（4）立即使用激光器（70 W）产生第二道激光（光斑直径40 μm）加热所喷焊球至230℃，在表面张力的作用下促使其融化、填充焊缝，形成钎料接头；

（5）使用离焦激光束对焊接接头进行低温加热或保温，激光束工作间隔时间为0.2s，光斑尺寸为15 μm，加热温度180 μm。

本实施例除具有实施例2的优点之外，在Cu焊盘以及SiC陶瓷板表面镀层有助于加强钎料与母材的润湿和冶金效果，将Cu焊盘以及SiC陶瓷板局部预热有助于钎料的润湿以及加快钎料与母材之间的原子间扩散，提高接头性能。

实施例4

一种高功率电源模块中，铝散热器和Cu焊盘的焊接：

（1）将待焊Cu焊盘以及铝散热器表面酸洗去除污染物，抛光机打磨去除表面氧化物，机械打磨接头位置至坡口结构与法向的夹角为35°，坡口深度为0.2 mm；

（2）将激光器钎焊设备中通入N₂ 并保持气体氛围，制备直径为640 μm左右的Sn58Bi钎料焊球，通过送球装置将焊球运送到喷嘴处；

（3）通过喷嘴内置激光器，发射激光加热至焊球表面融化，并借助高压气流将融化的焊球喷射至Cu焊盘和铝散热器焊缝处；

（4）立即使用激光器（80 W）产生第二道激光（光斑直径50

）加热所喷焊球至150 ℃以上，在表面张力的作用下促使其融化、填充焊缝，形成钎料接头；

（5）使用聚焦红外线对焊接接头进行低温加热或保温，聚焦红外线工作间隔时间为0.2 s，光斑尺寸为40 μm，加热温度为120 ℃。

本实施例除具有实施例2的优点之外，该激光焊接工艺广泛适合各种焊接场合，在N₂ 的保护氛围下可以避免Cu焊盘的氧化，同时提高液态钎料能量状态，促进液态钎料的铺展和流动。

对比例1

采用Sb9Zn共晶钎料制成粉末后混合各种溶剂、活性剂、助焊剂等制成焊膏，首先将焊膏涂在SMT电路板的焊盘上，然后将表面组装元器件准确安装到SMT电路板的固定位置上，采用回流焊将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固焊接在一起，最后清洗去除焊接残留物。

该实施例工艺条件下，需要在PCB上涂敷大量焊膏，工艺过程较为复杂，焊膏的流动、溢出也会影响产品质量，除此之外，在对PCB板及所有元器件进行整体加热时，PCB板易产生变形，冷却后可能在焊点位置存在应力集中，同时对于热敏感元器件会产生热损伤。综上所述，本发明相对该实施例具有明显的性能优势以及可靠性且符合当今光电器件发展对于互连技术的需求。

对比例2

将芯片上植由直径为560 μm的Sn3.0Ag0.5Cu共晶钎料焊球倒扣在Cu焊盘上，采用激光器（功率100 W）发射激光束（光斑直径为25 μm）作用于焊球位置至焊球融化，润湿铺展焊缝，钎料全部熔融后冷却后形成焊接接头，实现芯片与PCB的互连。

该实施例工艺条件下，当激光束大部分汇聚在钎料上时，钎料融化过快而母材温度较低使钎料不能很好润湿母材，影响填充效果，形成的钎缝表面凹凸不平，可能形成虚焊点；同时钎料快速的冷却会使润湿铺展不足、引起应力集中等可靠性问题。综上所述，本发明相对该实施例具有明显的性能优势。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三维焊缝的激光熔钎焊封装方法，其特征在于，其包括：

步骤S1，在待连接器件的接头处进行表面处理，选择合适尺寸的低温钎料；

步骤S2，将低温钎料采用激光熔钎进行原位熔化，并借助高压气流将熔化的钎料喷射至接头处，并借助辅助润湿和填充方法，完成初步连接；所述低温钎料为微纳米复合焊粉或焊球，采用激光器进行原位熔化的温度为400-1000 ℃，喷射速度为1-10球/s或1-30 mg/s，飞行速度为1-10 m/s，连接速度为0.1-5 mm/s；实施辅助润湿和填充方法时，待焊部件的局部温度不超过150℃；

步骤S3，在钎料喷射后，施加第二道激光再次加热钎料进行二次重熔，在间隔一段时间后对焊缝进行保温后处理，完成冶金连接；所述第二道激光为脉冲激光，施加第二道激光的时间为喷射完成后5 ms-1s,所述第二道激光的光斑尺寸为10 μm-100 μm，入射角度为45-90°，加热温度为100-250℃；

所述后处理为使用离焦激光束或聚焦红外线进行低温加热及保温，所述使用离焦激光束或聚焦红外线的间隔时间为0.01-5 s，光斑尺寸为0.01-10 mm，加热温度为50-200℃；

步骤S1中，在待连接器件接头处加工坡口结构，然后进行表面处理；所述待连接器件的材料为紫铜、黄铜、铝合金、不锈钢、可伐合金、陶瓷、硅片或玻璃，所述接头处坡口结构与法向的夹角为30-75°，坡口深度为0.1-0.5 mm。

2.根据权利要求1所述的三维焊缝的激光熔钎焊封装方法，其特征在于：步骤S1中，所述表面处理包括：先去除表面污染物或氧化层；然后采用等离子体活化、化学镀、电镀、表面喷涂或气相沉积在表面制备形成Cr/Ni/Au、Ti/Ni、Ni/Sn、Ag、Cu的单层或多元过渡金属化层。

3. 根据权利要求1所述的三维焊缝的激光熔钎焊封装方法，其特征在于：步骤S2中，所述微纳米复合焊粉的粒径为0.1-100 μm，微纳米复合焊球的直径为100 μm-1 mm；所述低温钎料的材料包括Sn-Bi、Sn-Ag-Cu或Sn-In低温复合钎料合金和助焊剂。

4.根据权利要求1所述的三维焊缝的激光熔钎焊封装方法，其特征在于：步骤S2中，所述辅助润湿和填充方法为对待焊部件进行预热、超声振动、加载电流或施加还原性气氛。

5.采用如权利要求1~4任意一项所述的三维焊缝的激光熔钎焊封装方法的三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置，其特征在于：其包括旋转夹持机构、钎料送料模块、激光熔钎焊模块、辅助润湿模块、后道激光器和后处理模块，所述旋转夹持机构包括旋转移动驱动组件和夹持构件；所述激光熔钎焊模块包括气流喷射模块和气氛控制模块，所述气流喷射模块的喷嘴内置激光器；所述辅助润湿模块为加热模块、超声振动模块、通电模块或还原性气氛施加模块；所述后道激光器为可编程脉冲激光器；所述后处理模块为连续激光器或聚焦红外线加热器；

所述旋转夹持结构中旋转移动驱动组件和夹持构件连接，所述夹持构件与激光熔钎焊模块连接；所述旋转移动驱动组件与可编程控制器电连接，通过可编程控制器进行控制，从而控制激光熔钎焊模块的位置；

所述钎料送料模块朝着气流喷射模块的喷嘴处递送钎料；

所述气流喷射模块的喷嘴、后道激光器和后处理模块朝着待连接器件的接头处；所述辅助润湿模块位于焊接平台上或位于焊接平台的一侧；

待连接器件放在焊接平台上，所述可编程控制器控制旋转夹持机构，带动激光熔钎焊模块在焊接过程中进行x、y、z三个方向的移动、定位和旋转；所述钎料送料模块将低温钎料送到激光熔钎焊模块的喷头处；

所述激光熔钎焊模块利用气氛控制模块通入惰性气体，然后内置激光器进行低温钎料原位熔化，并借助气流喷射模块的高压气流将熔化的钎料喷射到待连接器件的接头处，所述辅助润湿模块对待连接器件的接头进行加热，促进润湿；

在钎料喷射后，所述后道激光器施加第二道激光再次加热钎料；

所述后处理模块对焊缝进行保温后处理，完成冶金连接。

6.根据权利要求5所述的三维焊缝的低温激光熔钎焊封装装置，其特征在于：其包括控制模块和三维视觉测量辅助模块，所述控制模块与三维视觉测量辅助模块、可编程控制器、钎料送料模块、气流喷射模块、喷嘴内置的激光器、气氛控制模块、辅助润湿模块、后道激光器和后处理模块电连接；所述辅助润湿模块集成在用于放置待连接器件的焊接平台上；

所述视觉测量辅助系统对待连接器件的位置进行测量，并反馈给控制模块，所述控制模块根据视觉测量辅助系统反馈的待连接器件的位置，控制可编程控制器、钎料送料模块、气流喷射模块、喷嘴内置的激光器、气氛控制模块、辅助润湿模块、后道激光器和后处理模块的工作。

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