CN116908973A - 一种光组件的低温smt封装方法及光电模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光组件的低温SMT封装方法及光电模块，其中，低温SMT封装方法包括：将锡膏印刷到PCBA板的焊盘上，得到第一PCBA板。将光组件安装到第一PCBA板的焊盘上，得到第二PCBA板。将第二PCBA板进行回流焊处理，得到第三PCBA板，其中，回流焊处理过程中光组件的温度变化速率小于2℃/min。将胶水涂布在第三PCBA板上，涂布位置位于光组件远离光纤连接口的一端，得到第四PCBA板。将胶水进行固化处理，得到第五PCBA板。在本发明中，可以避免光组件的形变，提高光组件的封装良率。

Description

一种光组件的低温SMT封装方法及光电模块

技术领域

本发明一般涉及微电子封装技术领域。更具体地，本发明涉及一种光组件的低温SMT封装方法。

背景技术

微电子封装包括印刷电路板的封装和装配，是将元器件组装到印刷电路板(PCB)上，包括板上封装单元和器件的互连以及阻抗的控制、连线的精细程度和低介电常数材料的应用。如计算机的显卡，PCI数据采集卡等都属于此类封装。此类封装的常用技术为表面安装技术(SMT)，是一种将电子元件直接应用于印刷电路板(PCB)表面的组装和生产方法。SMT不需要通过孔插入元件，而是通过回流焊将元件直接焊接到板上。SMT过程主要包括三个阶段，即：锡膏印刷：将锡膏漏印到PCB的焊盘上，为元器件的焊接做准备；元件放置：将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上；回流焊：将锡膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。

光组件是用于光纤固定的常用元器件，其用于将光信号发射装置与光纤之间或者光纤与光信号接收装置之间进行连接，实现光信号的耦合。光组件组装到PCBA板上的状态如图3所示，光组件具有固定的光路以及连接光纤的接口，由于连接光纤的接口孔径为微米级，如果采用现有SMT进行安装，受热后有可能导致光组件的光路或接口的变形或外壳开裂等现象。而且，待封装的光组件和已封装元器件之间容易发生位置干涉，新增加的焊接材料有可能溢出至已封装元器件，导致对已封装元器件的干扰。例如，通过SMT工艺将阻容、芯片等器件贴在PCB板上形成PCBA板，如果需要将光组件封装到该PCBA板上时，需要保证光组件与阻容、芯片等不发生干涉，且焊接过程中使用的焊接材料不能溢出到其他元器件上。

有鉴于此，亟需提供一种将光组件与PCBA板进行低温SMT封装的方法，以便提高光组件封装的良率。

发明内容

为了至少解决如上所提到的一个或多个技术问题，本发明提供了一种光组件的低温SMT封装方法，包括：将锡膏印刷到PCBA板的焊盘上，得到第一PCBA板；将光组件安装到第一PCBA板的焊盘上，得到第二PCBA板；将第二PCBA板进行回流焊处理，得到第三PCBA板，其中，回流焊处理过程中光组件的温度变化速率小于2℃/min；将胶水涂布在第三PCBA板上，涂布位置位于光组件远离光纤连接口的一端，得到第四PCBA板；将胶水进行固化处理，得到第五PCBA板。

根据本发明的一个实施方式，回流焊处理包括依次设置的预热区、反应区、焊接区和冷却区的处理，预热区的用于预热PCBA板上的锡膏；反应区用于挥发锡膏中的助焊剂，锡膏在所述反应区的温度变化速率为1.0-2.0℃/s；焊接区用于融化锡膏，焊接作业，锡膏在所述焊接区的温度变化速率为2.0-3.0℃/s；冷却区用于冷却锡膏。

根据本发明的一个实施方式，回流焊的温度分布区域包括十个温区，预热区包括第一温区，反应区包括第二温区至第五温区，焊接区包括第六温区至第九温区，冷却区包括第十温区，第一温区的温度为：锡膏的预热温度；第二温区至第五温区的温度为：在第一温区的基础上依次增加6-12℃，所述第五温区的温度为所述锡膏的融化温度；第六温区至第九温区的温度为：在第五温区的基础上依次增加10-15℃；第十温区的温度为：低于锡膏的融化温度。

根据本发明的一个实施方式，第六温区至第九温区的峰值温度为：160-180℃。

根据本发明的一个实施方式，通过控制第二PCBA板通过第一温区至第十温区的速度，控制第二PCBA板的温度变化速率。

根据本发明的一个实施方式，锡膏具备以下参数：预热温度：70-110℃；融化温度：110-130℃；焊接温度：160-180℃。

根据本发明的一个实施方式，在第四步骤中，胶水具备以下参数：胶水粘度：45-65Pa.s，胶水触变指数：0.01-0.05。

根据本发明的一个实施方式，光组件安装到焊盘后，检测光组件表面以及贴装精度。

根据本发明的一个实施方式，采用回流焊治具承载第二PCBA板，回流焊接治具上方设置有带孔的金属罩，金属罩覆盖第二PCBA板。

根据本发明的一个实施方式，回流焊接治具包括载条和盖板，载条开设有凹槽；盖板可拆卸的内嵌于凹槽内；凹槽的底部设置有多个第一通孔；盖板上设置有多个与第一通孔相对应的第二通孔；第一通孔和第二通孔的尺寸均小于第二PCBA板的尺寸，以使第二PCBA板架设在凹槽上且盖板覆盖在第二PCBA板上时，第一通孔避让PCBA板的下表面的元器件，第二通孔避让PCBA板的上表面的元器件。

根据本发明的另一个方面，提供了一种光电模块，包括PCBA及光组件，光组件由前述方法固定于PCBA上。

在本发明中，通过设置回流焊处理过程中光组件的温度变化速率小于2℃/min，可以避免光组件的形变，提高光组件的封装良率。通过多温区设置，使得温度变化速率可控。通过选用特定的锡膏，实现低温SMT。通过设置金属罩，不仅可以保护光组件不受热风作用导致变形，还可以避免回流焊过程中光组件被吹偏。通过胶水粘度的设定，可以避免胶水溢出至光组件顶端和其他元器件。通过回流焊接治具中设置避让孔，可以保护PCBA板上以封装元器件，避免受封装作业的干扰。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1示出了光组件的低温SMT封装方法的步骤示意图；

图2示出了绑定头吸取光组件的示意图；

图3示出了将光组件贴装到PCBA板的示意图；

图4示出了回流焊接治具承载PCBA板的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本发明的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。

图1示出了光组件的低温SMT封装方法的步骤示意图。

如图1所示，光组件的低温SMT封装方法100包括：步骤S101，将锡膏印刷到PCBA板的焊盘上，得到第一PCBA板。本发明中，PCBA板上设置有已安装的其他元器件，待安装光组件的焊盘等。

具体的，将PCBA板放置在上料台上，通过传送带搬运至锡膏印刷工位，通过机器视觉识别PCBA板的定位点，然后通过下方的顶杆将PCBA板顶起，使PCBA板与钢网对准，然后将锡膏用钢网漏印到PCBA板需要焊接光组件的焊盘上，为光组件的焊接做准备。在步骤S101的锡膏印刷过程中，本发明提供了定制化的低温锡膏，该锡膏的工作特性如下：预热开始温度：70-110℃，预热结束温度：110-130℃，预热时间：70-110sec，焊接峰值温度：160-180℃。即，锡膏的融化温度为110-130℃，焊接温度为160-180℃。

在焊盘上印刷锡膏后，进入步骤S102，将光组件安装到第一PCBA板的焊盘上，得到第二PCBA板。本发明中，光组件包括光耦合器件、中间层及引脚，其中光耦合器件用于与光纤连接，其受热后有可能出现变形或外壳开裂等现象，中间层用于连接引脚及光耦合器件，其导热性差，引脚用于与PCBA连接，实现光组件的固定。

具体的，图2示出了绑定头吸取光组件的示意图，如图2所示，将光组件准确安装到PCBA的固定位置上的过程主要包含：绑定头202吸取光组件201、机器视觉识别PCBA上的定位点、将光组件贴装到指定位置，实现光组件上引脚与PCBA的对准。

图3示出了将光组件贴装到PCBA板的示意图，如图3所示，第二PCBA板300，上贴装有光组件201。图3中的光组件的左侧为光纤连接口的部分，右侧为远离光纤连接口的位置。贴装完成后还需要判断贴装精度是否满足要求，判断光组件表面是否有损伤等，当贴装精度和光组件表面的检查均符合要求后，进入下一步骤S103。

在步骤S103中，将第二PCBA板进行回流焊处理，得到第三PCBA板，其中，回流焊处理过程中光组件的温度变化速率小于2℃/min。其中，光组件的温度变化率的测量有两种方式。其一为通过测量除引脚外的其他部分的温度获得，例如测量光耦合器、中间层等。其二为通过测量光组件各部分的温度后，计算均温获得。

本领域技术人员可知，PCBA板与锡膏具有不同的导热系数，因此，可以控制回流焊炉的温度，既满足光组件的温度变化速率又满足锡膏温度变化速率。

回流焊炉主要包括预热区、反应区、焊接区和冷却区。设置预热区的目的是为了加热PCBA板上的锡膏，使得锡膏中的活性物质激活。设置反应区的目的是使锡膏中的助焊剂得到充分的挥发，锡膏在反应区的温度变化速率为1.0-2.0℃/s。设置焊接区的目的是使锡膏中的锡颗粒融化，进行焊接作业，锡膏在焊接区的温度变化速率为2.0-3.0℃/s。设置冷却区的目的是冷却焊点。

在本发明中，无论是升温焊接还是降温冷却的过程，都控制光组件的温度变化速率小于2℃/min，可以避免由于温度变化速率过大导致对光组件的损坏。例如，当温度变化过快时，导致光耦合器件变形，会影响光组件内已经建立的光路，进而影响后续光纤耦合工艺，从而造成光纤耦合失败，在本发明中设定的光组件温度变化速率小于2℃/min可以有效减少这些问题。

根据本发明的一个实施例，将回流焊细分为多个温区，每个温区之间的温差设置为6-12℃或10-15℃。

根据本发明的一个实施例，将回流焊处理的过程中的温度分布区域细分为第一温区至第十温区共计十个温区，其中，第一温区的温度为：锡膏的预热温度，在第一温区对锡膏和PCBA板同时进行预热，对应预热区；第二温区至第五温区的温度为：在第一温区的基础上依次增加6-12℃，对应反应区，温度范围的设置依据主要为锡膏助焊剂的反应温度，第五温区的温度为：锡膏的融化温度，具体为锡膏熔点±15℃；第六温区至第九温区的温度为：在第五温区的基础上依次增加10-15℃，对应焊接区；第十温区的温度为：低于锡膏的焊接温度，优选温度为锡膏的熔点±10℃，对应冷却区。

通过将各细分温区之间的温差设置为6-12℃或10-15℃，可以控制温度变化速率在较低的水平，便于控制光组件的温度变化速率。通过控制第二PCBA板通过各温区的速度，例如：从第一温区移动至第十温区的速度，可以控制位于第二PCBA板上的光组件的温度变化速率。同时，十个温区的设置可以更好的激活锡膏内的活性成分，使焊接质量更稳定。

根据本发明的一个实施例，控制第二PCBA板的峰值温度为160-180℃，例如，控制第六温区至第九温区的峰值温度为：160-180℃。由于光组件体积小，避免峰值的温度过高，辐射出的热量造成光组件的损坏以及光耦合器件变形。

根据本发明的一个实施例，经过回流焊处理的第三PCBA板，还进行抽样检测。在检测平台上进行光组件的外观检查，查看光组件是否有明显变形、移位、脏污等不良，如有则需剔除。光组件经过外观检查后，将其放置在功能测试平台上，将两个钨钢探针分别和光组件的正极和负极焊盘引脚连接，然后打开直流电源进行供电，检查光组件的激光器是否正常发光，如果正常发光则证明光组件焊接正常，反之则表面光组件焊接不良。

将焊接好的光组件放置在推拉力测试平台上，将第三PCBA板调平后，用推针推光组件，直至把光组件从焊盘上推下，然后读取设备反馈的推力值。如果推力值符合剪切力计算公式F＝Y×A，F表示力，Y表示材料的剪切强度，A表示材料的焊接面积，则证明光组件焊接质量合格，如果低于则说明焊接接触面积偏小，光组件和第三PCBA板焊盘有错位。可以据此进行不合格第三PCBA板的筛除。

表1示出了采用本发明的回流焊处理和现有回流焊技术处理的效果对比。

采用相同种类、相同批次的光组件和PCBA板，作为样本。将样本共分九组，每组10个样本。第一组至第三组采用本发明的十个温区的回流焊，第四组至第六组采用普通回流焊，第七组至第九组采用高温回流焊，然后采用上述方法进行推拉力测试。各组样本的回流焊参数范围和推拉力均值如表1所示。

表1.

可见，采用本发明的十温区回流焊和温度控制方案，光组件的焊接质量相对普通回流焊有明显提高。

图4示出了回流焊接治具承载PCBA板的示意图。

在第三步骤S103中，采用回流焊接治具400承载第二PCBA板，回流焊接治具采用耐高温高密度合成石进行加工得到，从而保证回流焊接治具导热性能良好，不会造成PCBA或光组件位置偏移，可抑制高温物体和低温物体的热辐射和传导热，可有效保证光组件在焊接时各组成部分之间温度的一致性，减少温度骤变对焊接质量的影响。如图4所示，将光组件和PCBA板放入特制的回流焊接治具内，该治具底座部分材质选用耐高温高密度合成石进行加工，可以辅助控制光组件的升温和降温速率小于2℃/min，防止光组件在加热和冷却过程中开裂和变形。

如图4所示，在对第二PCBA板进行回流焊过程中，回流焊接治具上方设置有带孔的金属罩410，优选不锈钢金属罩，不锈钢金属罩覆盖第二PCBA板。在放入回流炉进行回流焊处理之前，将金属罩410盖在第二PCBA板300上，金属罩的边缘与回流焊接治具400卡接，金属罩开设有通孔，通孔位置与光组件所在位置完全不重叠，通孔保证流焊接治具内部的热量均匀。该金属罩的主要目的是避免光组件在回流焊接过程中，回流炉内的高温热风直接作用于光组件上，导致光耦合器件变形，另外也可避免回流炉内的热风将光组件吹偏，导致光组件焊盘和PCBA板焊盘错位，设置金属罩后，热风被金属罩阻挡，使光组件避免被吹偏。进一步的，开设的通孔使金属罩内外空气连通，可以使热量均分扩散。

如图4所示，根据本发明的一个实施例，回流焊接治具400包括载条401和盖板402，载条401开设有凹槽，凹槽的底部设置有多个第一通孔，每个第一通孔即为一个PCBA板的容纳位。第一通孔可以线性排列，也可以按照不同需求调节排列形状。盖板402与凹槽的形状相匹配，可拆卸的内嵌于凹槽内；盖板402上设置有多个与第一通孔相对应的第二通孔；第一通孔和第二通孔的尺寸均小于第二PCBA板的尺寸，以使第二PCBA板300架设在凹槽上且盖板402覆盖在第二PCBA板300上时，第一通孔避让第二PCBA板300的下表面的元器件，第二通孔避让第二PCBA板300的上表面的元器件。

盖板402与凹槽的形状相匹配是指盖板402的厚度与凹槽的深度相同或略小于凹槽的深度，盖板402的形状与凹槽的形状相同。当盖板402盖在凹槽内时，盖板402的周边与凹槽的内壁抵接，从而限制盖板402的滑动。当盖板402和载条401之间装载有第二PCBA板300时，盖板402的上表面与凹槽的边缘齐平。

第二PCBA板300被固定在盖板402和载条401之间，载条401承载第二PCBA板300，盖板402覆盖在第二PCBA板300上进行压紧固定。第一通孔是设置在凹槽底部用于避让第二PCBA板300下表面的元器件的避让孔，第二通孔是设置装载盖板402上用于避让第二PCBA板300上表面的元器件的避让孔。因此盖板、载条均与PCBA板本体接触，通过对PCBA板本体的夹持形成固定。

在回流焊处理过程中，不锈钢金属罩的边缘与载条的边缘接触，覆盖整个盖板。

当完成回流焊作业后，进入第四步骤S104的点胶步骤和第五步骤S105的固化步骤，进一步将光组件固定在第三PCBA板上。

在第四步骤S104中，将胶水涂布在第三PCBA板上，涂布位置位于光组件远离光纤连接口的一端，得到第四PCBA板。具体的，将第三PCBA板放置在堆胶治具上：在光组件远离光纤连接口的一侧位置涂胶，确保光组件被较好的固定在PCBA上，然后在第五步骤S105，将第四PCBA板与光组件之间的胶水进行固化处理，具体的，当胶水采用热固胶时，将堆好胶的第四PCBA板放入到烤箱中进行热固。固化后将光电模组从烤箱中取出，得到第五PCBA板。当胶水采用UV胶时，将将堆好胶的第四PCBA板由UV光纤照射，进行固化，得到第五PCBA板。

在第四步骤S104中，胶水的流动性满足固定光组件的包裹性需求且溢出性能被限制。根据本发明的一个实施例，胶水粘度：45-65Pa.s，胶水触变指数：0.01-0.05，优选为胶水粘度：48Pa.s，胶水触变指数：0.02。点胶的位置设置为远离光组件的光纤连接口，避免胶水溢出至光纤连接口，控制点胶量可以避免胶水溢出到光组件的上表面以及其他元器件。

在第五步骤S105中，当采用热固处理将热固胶加热固化过程中，热固胶受热变形会导致光组件的偏差，本发明采用特定的触变指数，可以减少胶水固化导致的光组件变形。进一步的，固化温度低于光组件的变形温度，进一步保护的光组件。

根据本发明的另一个方面，提供了一种光电模块，包括PCBA及光组件，光组件采用前述的方法固定于PCBA上。

在本发明中，通过设置回流焊处理过程中光组件的温度变化速率小于2℃/min，可以避免光组件的形变，提高光组件的封装良率。通过多温区设置，使得温度变化速率可控。通过选用特定的锡膏，实现低温SMT。通过设置金属罩，不仅可以保护光组件不受热风作用变形，还可以避免回流焊过程中光组件被吹偏。通过胶水粘度的设定，可以避免胶水溢出至光组件顶端和其他元器件。通过回流焊接治具中设置避让孔，可以保护PCBA板上以封装元器件，避免受封装作业的干扰。

虽然本文已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式来提供。本领域技术人员可以在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的等同或替代方案。

Claims (11)

1.一种光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，包括：

将锡膏印刷到PCBA板的焊盘上，得到第一PCBA板；

将光组件安装到所述第一PCBA板的所述焊盘上，得到第二PCBA板；

将所述第二PCBA板进行回流焊处理，得到第三PCBA板，其中，回流焊处理过程中所述光组件的温度变化速率小于2℃/min；

将胶水涂布在所述第三PCBA板上，涂布位置位于所述光组件远离光纤连接口的一端，得到第四PCBA板；

将所述胶水进行固化处理，得到第五PCBA板。

2.根据权利要求1所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

将所述第二PCBA板进行回流焊处理时，所述回流焊处理包括依次设置的预热区、反应区、焊接区和冷却区的处理，

所述预热区的用于预热PCBA板上的锡膏；

所述反应区用于挥发锡膏中的助焊剂，锡膏在所述反应区的温度变化速率为1.0-2.0℃/s；

所述焊接区用于融化锡膏，焊接作业，锡膏在所述焊接区的温度变化速率为2.0-3.0℃/s；

所述冷却区用于冷却锡膏。

3.根据权利要求2所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

将所述第二PCBA板进行回流焊处理时，所述回流焊的温度分布区域包括十个温区，

所述预热区包括第一温区，所述反应区包括第二温区至第五温区，所述焊接区包括第六温区至第九温区，所述冷却区包括第十温区，

所述第一温区的温度为：所述锡膏的预热温度；

所述第二温区至第四温区的温度为：在第一温区的基础上依次增加6-12℃；

所述第五温区的温度为所述锡膏的融化温度；

所述第六温区至第九温区的温度为：在第五温区的基础上依次增加10-15℃；

所述第十温区的温度为：低于所述锡膏的融化温度。

4.根据权利要求3所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

所述第六温区至第九温区的峰值温度为：160-180℃。

5.根据权利要求3所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

将所述第二PCBA板进行回流焊处理时，通过控制第二PCBA板通过所述第一温区至第十温区的速度，控制第二PCBA板的温度变化速率。

6.根据权利要求1-5任一所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

所述锡膏具备以下参数：

预热温度：70-110℃；

融化温度：110-130℃；

焊接温度：160-180℃。

7.根据权利要求1-5任一项所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

所述胶水具备以下参数：

胶水粘度：45-65Pa.s，胶水触变指数：0.01-0.05。

8.根据权利要求1-5任一项所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

将光组件安装到所述第一PCBA板的所述焊盘上时，光组件安装到所述焊盘后，检测光组件表面以及贴装精度。

9.根据权利要求1-5任一项所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

将所述第二PCBA板进行回流焊处理时，采用回流焊治具承载所述第二PCBA板，所述回流焊接治具上方设置有带孔的金属罩，所述金属罩覆盖所述第二PCBA板。

10.根据权利要求9所述的光组件的低温SMT封装方法，其特征在于，

所述回流焊接治具包括载条和盖板，

所述载条开设有凹槽；

所述盖板可拆卸的内嵌于所述凹槽内；

所述凹槽的底部设置有多个第一通孔；

所述盖板上设置有多个与第一通孔相对应的第二通孔；

所述第一通孔和第二通孔的尺寸均小于所述第二PCBA板的尺寸，以使所述第二PCBA板架设在所述凹槽上且所述盖板覆盖在所述第二PCBA板上时，所述第一通孔避让所述PCBA板的下表面的元器件，所述第二通孔避让所述PCBA板的上表面的元器件。

11.一种光电模块，其特征在于，包括PCBA及光组件，所述光组件采用权利要求1-10中任意一项所述的低温SMT封装方法固定于所述PCBA上。