CN117840533A - 激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统，包括：时空啁啾产生模块，提供一束具有空间啁啾特性的激光束；时空聚焦激光焊锡模块，使具有空间啁啾特性的激光束在聚焦物镜焦平面松散聚焦，且具有空间啁啾特性的激光束中不同频率的光在聚焦物镜焦平面重合并达到最短脉宽；监测模块，对时空聚焦激光焊锡模块的激光焊锡过程进行实时监测。本发明将飞秒激光引入激光焊锡，热效应极小，显著提高BGA焊锡的密度和精度；对入射激光脉冲进行时空特性整形，改变了物镜焦区的光强分布，实现高精度无扫描激光焊锡，从而大大提高焊锡效率且不影响电路性能；具有高通量和高精度的特点，在柔性电子器件封装领域具有重要应用价值。

Description

激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统

技术领域

本发明涉及封装技术领域，特别是涉及一种激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统。

背景技术

随着电子终端设备的多功能、高密度、小型化的发展趋势，致使部件与部件、部件与焊盘之间的空间越来越小，随之有越来越多的柔性线路板(FPC，Flexible PrintedCircuit)应用到电子终端设备上，而且目前的部件引脚间距越来越小(间距仅为0.3mm)，部件之间的空间也越来越小。

联接电子元件常见的方法之一是焊锡到印刷电路板上。用传统的烙铁头，必须留有一定空间让烙铁头能伸入至被焊部位进行焊锡，焊锡过程烙铁头也存在损耗，不但不易操作，高效率慢，并且非常容易造成空焊、漏焊等状况。伴随着激光技术的快速发展，激光焊锡技术也获得了非常大的发展，其应用领域也越来越普遍。特别是在在当代集成电路的制造中，激光焊锡也是反映出了别的焊锡方式所不能比拟的优点，它是一种非接触、高精度的焊锡方式。

激光焊锡是利用高能量的激光脉冲对焊锡微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导将焊锡材料熔化后形成有效电路连接。由于激光焊锡功率密度高、释放能量快，热影响区和焊锡变形都很小，所以在加工效率方面要比传统焊锡方式高的多。激光焊锡技术具备焊锡速度快，变形小，可持续生产、密性高等优点，非常适合小微型电子元器件、结构复杂电路板及PCB板(Printed Circuit Board，印刷电路板)等微小复杂结构零件的精密焊锡，目前已广泛应用于柔性电子器件封装。该方法无需整体加热，不会给基底造成负担，可以进入烙铁头无法进入的狭窄位置和密集组装的焊锡，无需定期更换烙铁头，可以削减维护成本。传统激光焊锡使用连续波长或长脉冲半导体激光器或光纤激光器，通过对焊盘的均匀加热、从而达到快速升温的效果，是一种基于热效应的焊锡方式，其无法满足微小器件的精密焊锡，特别是百微米量级以下的以高密度方式排列的触点焊锡。

目前飞秒激光焊锡已成为一种极具吸引力的焊锡手段，飞秒激光脉冲具有超短的脉冲持续时间和超高的峰值强度，使得飞秒激光焊锡可以实现高精度和低热扩散的焊锡结构。在工业应用中，通过飞秒激光逐点直写的方式必然导致低的生产效率，该问题虽然可以通过增加焦点的数目或重复率的激光脉冲来部分解决，但是都有其局限性；在实际激光加工中，人们往往通过松散聚焦扩展焦斑尺寸来提高表面加工的效率。但是，在某些直接与芯片连接的电子产品中，激光焊锡仍无法满足焊锡要求，因为，激光焊锡产生的热量会破坏半导体性能，导致芯片受损。

因此，如何将激光焊锡应用到微小半导体器件的精密焊锡上，提高效率且不影响半导体器件性能，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统，用于解决现有技术中激光焊锡无法满足微小器件的精密焊锡、效率低、产生的热量破坏半导体器件性能等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光焊锡装置，所述激光焊锡装置至少包括：

时空啁啾产生模块，时空聚焦激光焊锡模块及监测模块；

所述时空啁啾产生模块用于提供一束具有空间啁啾特性的激光束；

所述时空聚焦激光焊锡模块设置于所述时空啁啾产生模块的激光出射端，使所述具有空间啁啾特性的激光束在聚焦物镜焦平面松散聚焦，且所述具有空间啁啾特性的激光束中不同频率的光在所述聚焦物镜焦平面重合并达到最短脉宽；

所述监测模块对所述时空聚焦激光焊锡模块的激光焊锡过程进行实时监测。

可选地，所述时空啁啾产生模块包括飞秒激光器、小孔光阑、色散元件及准直透镜；

所述飞秒激光器提供激光束光源，所述小孔光阑、所述色散元件及所述准直透镜依次设置在所述激光束的光路上；所述小孔光阑用于调节所述激光束的尺寸并滤除高阶模；所述色散元件将所述激光束中不同频率的成分以角色散展开；所述准直透镜将从所述色散元件出射的角色散光束变成一束平行的具有空间啁啾特性的激光束。

更可选地，所述时空啁啾产生模块还包括反射镜，所述反射镜设置于所述小孔光阑与所述色散元件之间的光路中，用于调节所述激光束入射所述色散元件的角度。

可选地，所述小孔光阑的孔径设置为1mm-5mm。

可选地，所述色散元件为光栅、棱镜、数字微镜器件、空间光调制器或F-P标准具。

可选地，所述透明衬底柔性电极的基底材料可以为玻璃、晶体、透明聚合物(包括PMMA，SU-8，PDMS，聚酰亚胺，派瑞林)。

可选地，所述时空聚焦激光焊锡模块包括第一双色镜、聚焦物镜、焊锡平台及控制单元；所述第一双色镜及所述聚焦物镜依次设置在所述具有空间啁啾特性的激光束光路上；

所述第一双色镜调整所述具有空间啁啾特性的激光束的光路，使所述具有空间啁啾特性的激光束入射所述聚焦物镜；所述聚焦物镜对所述具有空间啁啾特性的激光束进行聚焦；所述焊锡平台设置在所述聚焦物镜的出射光一侧，用于放置待焊锡物；所述控制单元连接所述焊锡平台，用于控制所述焊锡平台移动以调整所述待焊锡物的位置。

更可选地，所述第一双色镜的入射角以及反射角均为45°。

更可选地，所述监测模块包括第二双色镜、透镜、图像传感器及显示单元；

所述第二双色镜将照明光束引入所述时空聚焦激光焊锡模块，为所述时空聚焦激光焊锡模块提供同轴照明；

所述透镜及所述图像传感器依次设置于所述第二双色镜远离所述时空聚焦激光焊锡模块的一侧，所述图像传感器采集激光焊锡过程的图像；

所述显示单元连接所述图像传感器，用于显示所述图像传感器采集到的图像。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种柔性电子器件的焊锡系统，所述柔性电子器件的焊锡系统至少包括：

电路板、焊球、透明衬底柔性电极及上述激光焊锡装置；

所述电路板设置于所述激光焊锡装置的焊锡平台上，所述焊球设置于所述电路板的焊盘上，所述透明衬底柔性电极设置于所述焊球上；其中，所述透明衬底柔性电极后端触点与所述焊球的接触面为焊锡点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光焊锡方法，基于上述激光焊锡装置实现，所述激光焊锡方法至少包括：

1)将待焊锡物固定于所述激光焊锡装置的焊锡平台上；

2)调整光路及所述待焊锡物的位置，产生具有空间啁啾特性的激光束，并使聚焦物镜焦平面位于所述待焊锡物的焊锡点处；调节监测模块以对激光焊锡过程进行实时监测；

3)调节激光功率及曝光时间，对焊锡点进行焊锡和实时监测；完成当前焊锡点焊锡后将下一焊锡点移动至所述聚焦物镜焦平面，依次完成各焊锡点的焊锡。

可选地，步骤2)中产生所述具有空间啁啾特性的激光束的方法包括：

提供一激光束，调整所述激光束入射色散元件的角度得到角色散光束，并通过准直透镜将所述角色散光束变成一束平行的具有空间啁啾特性的激光束；其中，所述角色散光束中中心频率的光谱分量的一级衍射光束与所述准直透镜的光轴平行，且所述角色散光束的光谱范围内的所有频率分量均入射到所述准直透镜和所述时空聚焦激光焊锡模块中聚焦物镜的孔径内。

如上所述，本发明的激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统，具有以下有益效果：

1、本发明的激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统将飞秒激光引入激光焊锡，热效应极小，可以有效避免相邻位点焊锡因热扩散造成的短路，从而显著提高BGA(Ball Grid Array，焊球阵列封装)焊锡的密度和精度。

2、本发明的激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统对入射激光脉冲进行时空特性整形，改变了物镜焦区的光强分布，即在横向上光斑尺寸(半高全宽)较大、纵向上尺寸较小，激光束热作用区也具有类似的分布，可以对界面实现高精度无扫描激光焊锡，从而大大提高焊锡效率且不影响电路性能。

3、本发明的激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统具有高通量和高精度的特点，能够实现高通量精密结构加工，在柔性电子器件封装领域具有重要应用价值。

附图说明

图1显示为本发明的激光焊锡装置及柔性电子器件的焊锡系统的结构示意图。

图2显示为本发明的角色散原理示意图。

图3显示为本发明的准直透镜(或聚焦物镜)的后孔径示意图。

图4显示为本发明与紧聚焦、松散聚焦激光锡焊方式的光强分布和扫描方式对比示意图。

元件标号说明

1 激光焊锡装置

11 时空啁啾产生模块

111 飞秒激光器

112 小孔光阑

113 色散元件

114 准直透镜

115 反射镜

12 时空聚焦激光焊锡模块

121 第一双色镜

122 聚焦物镜

123 焊锡平台

13 监测模块

131 第二双色镜

132 透镜

133 图像传感器

134 光源

14 计算机

2 电路板

3 焊球

4 透明衬底柔性电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种激光焊锡装置1，激光焊锡装置1包括：

时空啁啾产生模块11，时空聚焦激光焊锡模块12及监测模块13。

如图1所示，时空啁啾产生模块11用于提供具有空间啁啾特性的激光束。

具体地，时空啁啾产生模块11对激光束进行调整，使激光束的光脉冲的瞬时频率随时间的变化而变化。在本实施例中，时空啁啾产生模块11包括飞秒激光器111、小孔光阑112、色散元件113及准直透镜114。小孔光阑112、色散元件113及准直透镜114依次设置在飞秒激光器111输出的激光束的光路上。

更具体地，飞秒激光器111提供(飞秒)激光束光源，飞秒激光器111对时间的分辨率可以达到飞秒的程度，输出的激光脉冲具有超短的脉冲持续时间和超高的峰值强度，中心波长为400nm～2.4μm，脉冲宽度为30fs～600fs，脉冲重复频率为1kHz～80MHz，且光谱较宽由脉冲宽度和中心波长确定(一般为5nm～100nm)。

更具体地，小孔光阑112为圆孔结构(在本示例中，忽略圆孔的衍射效应，并近似认为圆孔直径为光束束腰)，用于调节穿过小孔光阑112的激光束的截面形状、光束尺寸，并将激光束外围的高阶模滤除，以提高激光束的质量；作为示例，小孔光阑112的孔径设置为1mm-5mm，包括但不限于1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm，在实际使用中可根据需要设定小孔光阑112的孔径，能实现本发明的焊锡即可，不以本实施例为限。

更具体地，色散元件113将激光束中不同频率的成分以角色散展开。在本实施例中，色散元件113为光栅，在实际使用中，任意能实现角色散的光学元件均适用于本发明的色散元件113，包括但不限于棱镜、数字微镜器件(DMD，Digital Micro-mirror Device)，空间光调制器(SLM，Spatial Light Modulator)或F-P标准具，在此不一一赘述。

更具体地，准直透镜114将从色散元件113出射的角色散光束(发散光束)变成一束平行的激光束，且准直透镜114输出的激光束具有空间啁啾特性。

具体地，作为本发明的另一种实现方式，时空啁啾产生模块11还包括反射镜115，反射镜115设置于小孔光阑112与色散元件113之间的光路中，用于调节激光束入射色散元件113的角度(即光束入射角)，以得到相应的角色散光束。需要说明的是，色散元件113的入射光角度可直接由飞秒激光器111、小孔光阑112及色散元件113的相对位置关系确定，此时无需反射镜115，通过调整飞秒激光器111及小孔光阑112的位置实现色散元件113的入射光角度的调节；在实际使用中，为了便于操作(调整飞秒激光器111及小孔光阑112的位置比较复杂)，通过反射镜115实现色散元件113的入射光角度的调节，此时，飞秒激光器111、小孔光阑112及色散元件113的位置固定不变，调整反射镜115的位置和/或角度即可。

需要说明的是，任意能提供具有空间啁啾特性的激光束的光学结构均适用于本发明的时空啁啾产生模块11，在此不一一赘述。

如图1所示，时空聚焦激光焊锡模块12设置于时空啁啾产生模块11的激光出射端，使具有空间啁啾特性的激光束在聚焦物镜焦平面(即激光焦平面)松散聚焦，且具有空间啁啾特性的激光束中不同频率的光在聚焦物镜焦平面重合并达到最短脉宽。

具体地，时空聚焦激光焊锡模块12将具有空间啁啾特性的激光束聚焦(至待焊锡区域)，不同频率光在聚焦物镜焦平面处重叠，而在聚焦物镜焦平面的前后保持分离，因此激光束的光脉冲在焦点处达到最短脉宽，激光强度最大，而在焦平面前后都将被展宽，激光强度急剧下降。此外，具有空间啁啾特性的激光束松散聚焦，其在聚焦物镜焦平面上的光斑尺寸大于传统紧聚焦的光斑，无需进行扫描即可完成单个焊锡点的焊锡且不影响相邻焊锡点；作为示例，聚焦物镜焦平面上的光斑尺寸为200μm-500μm，包括但不限于250μm、300μm、400μm、470μm，在实际使用中可根据引用需要设置聚焦物镜焦平面上的光斑尺寸，使光斑尺寸与BGA直径匹配，不以本实施例为限。在本实施例中，时空聚焦激光焊锡模块12包括第一双色镜121、聚焦物镜122、焊锡平台123及控制单元；第一双色镜121及聚焦物镜122依次设置在具有空间啁啾特性的激光束光路上。

更具体地，第一双色镜121通过反射改变具有空间啁啾特性的激光束的传播方向，使得具有空间啁啾特性的激光束入射聚焦物镜122；在本实施例中，第一双色镜121与具有空间啁啾特性的激光束的夹角为45°(入射角以及反射角均为45°)，此时，具有空间啁啾特性的激光束水平入射、垂直出射，在实际使用中根据需要设置第一双色镜121与具有空间啁啾特性的激光束的夹角，不以本实施例为限。

更具体地，聚焦物镜122对具有空间啁啾特性的激光束进行聚焦；在本示例中，聚焦物镜122为凸透镜。

更具体地，焊锡平台123设置在聚焦物镜122的出射光一侧，用于放置待焊锡物；在本实施例中，焊锡平台123为多维移动平台，可根据需要任意调整位置；在实际使用中焊锡平台123为三维或二维移动平台，不以本实施例为限。

更具体地，控制单元连接焊锡平台123，用于控制焊锡平台123移动以调整待焊锡物的位置。

需要说明的是，任意能将具有空间啁啾特性的激光束松散聚焦(激光焦平面处光斑尺寸较大，无需扫描即可实现一个焊锡点的焊锡)用于激光焊锡，并将激光强度集中在聚焦物镜焦平面的光学结构均适用于本发明的时空聚焦激光焊锡模块12，不以本实施例为限。

如图1所示，监测模块13对时空聚焦激光焊锡模块12的激光焊锡过程进行实时监测。

具体地，监测模块13获取时空聚焦激光焊锡模块12焊锡过程的实时图像，以便于管理和控制，任意能实现对激光焊锡过程进行实时监测的结构均适用于本发明的监测模块13，包括但不限于设置一图像传感器，激光焊锡区域落入图像传感器的监控范围。在本实施例中，监测模块13包括第二双色镜131、透镜132及图像传感器133。

更具体地，第二双色镜131将照明光束(由光源134提供)引入时空聚焦激光焊锡模块12，为时空聚焦激光焊锡模块12提供同轴照明；在本实施例中，第二双色镜131与光源的夹角为45°，在实际使用中能提供同轴照明即可，不以本实施例为限。

更具体地，透镜132及图像传感器133依次设置于第二双色镜131远离时空聚焦激光焊锡模块12的一侧。照射到焊锡区域的光反射并穿过第一双色镜121及第二双色镜131后由透镜132会聚到图像传感器133，作为示例，透镜132为凸透镜，在实际使用中根据需要设置透镜132的形状，能将光会聚到图像传感器133中即可。图像传感器133用于采集激光焊锡过程的图像，图像传感器133包括但不限于CCD(Charge-coupled Device)图像传感器及CMOS图像传感器，在此不一一赘述。

更具体地，显示单元连接图像传感器133，用于显示图像传感器133采集到的图像。

需要说明的是，在本实施例中，控制单元及显示单元采用计算机14实现，计算机14对焊锡平台123进行控制，以使得焊锡平台123实现多维移动，进而调整焊锡位置；计算机14还连接图像传感器133的输出端，对图像传感器133采集到的图像进行显示，以便于对焊锡过程进行直观观察和监测。在实际使用中，控制单元及显示单元可为独立模块。

稳定耐用的柔性神经电极是可植入生物电子器件核心组成部分，当前高密度柔性电极的集成与异质封装存在不可调和的矛盾，如何连接仍然面临重大挑战。基于以上原因，本发明还提供一种柔性电子器件的焊锡系统，将激光焊锡装置1应用于柔性电子器件的焊锡，以通过简便高效的方法实现柔性电极后端触点与电路的电连接。如图1所示，柔性电子器件的焊锡系统包括：

激光焊锡装置1、电路板2、焊球3及透明衬底柔性电极4。

如图1所示，电路板2设置于激光焊锡装置1的焊锡平台123上。

具体地，电路板2通过包括但不限于夹具的方式固定在焊锡平台123上。作为一示例，电路板2为转接电路板(包括但不限于PCB板)，转接电路板上设置有用于处理放大信号的电路或芯片，通过透明衬底柔性电极4与转接电路板的焊盘焊锡，实现透明衬底柔性电极4与用于处理放大信号的电路或芯片的电连接。作为另一示例，电路板2为芯片，芯片内设置有用于处理放大信号的电路，透明衬底柔性电极4可与芯片的焊盘直接焊锡进而实现电连接。

如图1所示，焊球3设置于电路板2的焊盘上。

具体地，在本实施例中，焊球3为焊锡球；在实际使用中，可根据需要设置焊球3的材质，不以本实施例为限。

如图1所示，透明衬底柔性电极4设置于焊球3上；其中，透明衬底柔性电极4后端触点与焊球3的接触面为焊锡点。

具体地，透明衬底柔性电极4的后端触点与焊球3接触，以通过焊锡的方式将透明衬底柔性电极4与焊球3电连接。透明衬底柔性电极4的材料包括但不限于玻璃、晶体及透明聚合物材料，作为示例，透明聚合物材料为PMMA(亚克力)、SU-8、聚酰亚胺、PDMS(聚二甲基硅氧烷)或派瑞林。在实际使用中，任意透明衬底的柔性神经电极材料均适用于本发明，在此不一一赘述。

本发明能够实现透明衬底柔性电极背向高通量焊锡，在柔性电子器件封装领域具有重要应用价值。

本发明还提供一种激光焊锡方法，基于激光焊锡装置1实现，激光焊锡方法包括：

1)将待焊锡物固定于激光焊锡装置的焊锡平台上。

具体地，在本实施例中，待焊锡物为电路板2上的焊球3与透明衬底柔性电极4，通过控制焊锡平台123调整电路板2的位置，使透明衬底柔性电极4的后端触点与电路板2上的(BGA)焊球3对准，并通过夹具将透明衬底柔性电极4与电路板2压紧。

2)调整光路及待焊锡物的位置，产生具有空间啁啾特性的激光束，并使得聚焦物镜焦平面位于待焊锡物的焊锡点处；并调节监测模块对激光焊锡过程进行实时监测。

具体包括以下步骤：

21)调整光路，包括但不限于各光学器件的角度、各光学器件之间的距离，保证准直透镜114和聚焦物镜122组成4f系统，并得到具有空间啁啾特性的激光束。产生具有空间啁啾特性的激光束的方法包括：提供一激光束，调整激光束入射色散元件113的角度，进而调节激光束的时空啁啾得到角色散光束，并通过准直透镜114将角色散光束变成一束平行的具有空间啁啾特性的激光束。其中，色散元件113的一级衍射角满足：sinγ＝sini-λσ；其中，γ为一级衍射角，i为入射角，λ为波长，σ为色散元件的线密度；每个光谱分量的角色散满足：其中，Δγ为每个光谱分量的角色散，λ₀为中心波长，ω₀为中心频率，γ₀为中心频率对应的光谱分量的一级衍射角，Δω为频谱宽度。如图2及图3所示，调整色散元件113的激光入射角i，保证角色散光束中中心频率ω₀的光谱分量的一级衍射光束与准直透镜114的光轴平行，且角色散光束的光谱范围内的所有频率分量均入射到准直透镜和聚焦物镜的孔径内，即角色散光束完全被准直透镜114及聚焦物镜122收集和约束。

22)通过控制焊锡平台123调整透明衬底柔性电极4的后端触点与焊球3的接触面的位置，使得透明衬底柔性电极4的后端触点与焊球3的接触界面位于聚焦物镜122的焦平面。

23)调节监测模块13，包括但不限于各光学器件的角度、各光学器件之间的距离，使激光焊锡过程的图像被图像传感器133清晰采集到。

3)调节激光功率及曝光时间，对焊锡点进行焊锡；完成当前焊锡点焊锡后将下一焊锡点移动至聚焦物镜焦平面，依次完成各焊锡点的焊锡。

具体地，调节飞秒激光器111发出的激光功率及曝光时间，对当前焊锡点进行焊锡。然后通过焊锡平台123的移动将下一焊锡点设置于聚焦物镜焦平面，并再次发出激光完成下一焊锡点的焊锡。依次类推，将各焊锡点依次设置聚焦物镜焦平面并通过激光提供的热量完成焊锡。

如图4所示，传统紧聚焦的激光锡焊方式，在焦点处XY平面及XZ(或YZ)平面内的光强分布均比较小且呈圆形，因此在对某一焊锡点进行焊锡时需要通过逐行扫描的方式才能完成一个焊锡点的焊锡。松散聚焦的激光锡焊方式，将焦点处XY平面内的光斑尺寸增大，此时，对某一焊锡点进行焊锡时无需扫描即可完成一个焊锡点的焊锡，但是在焦点处XZ(或YZ)平面内的光强分布呈椭圆形结构，焦平面前后附近的激光能量非常强，对于具有电路结构(半导体器件和/或金属互连线)的电路板，较大的激光能量会影响电路板中电路结构的性能(包括但不限于半导体器件受热损坏失效、金属互连受热发生电迁移)。本发明的激光焊锡方式，在松散聚焦的基础上，引入具有空间啁啾特性的激光束，使得不同频率的光束在物镜焦面重合，达到最短脉冲，而在偏离焦面的地方，脉冲宽度迅速增加，激光强度急剧下降，如图4，在焦点处XZ(或YZ)平面内光强分布呈扁平分布，因此，本发明对某一焊锡点进行焊锡时无需扫描即可完成一个焊锡点的焊锡，且由于激光能量集中在焦平面(即透明衬底柔性电极4后端触点与焊球3的接触面)，对电路板内的电路也不会存在影响，具有高通量、高精度和高效率的特点。

综上，本发明提供一种激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统，包括：时空啁啾产生模块，时空聚焦激光焊锡模块及监测模块；时空啁啾产生模块用于提供一束具有空间啁啾特性的激光束；时空聚焦激光焊锡模块设置于时空啁啾产生模块的激光出射端，使具有空间啁啾特性的激光束在聚焦物镜焦平面松散聚焦，且具有空间啁啾特性的激光束中不同频率的光在聚焦物镜焦平面重合并达到最短脉宽；监测模块对时空聚焦激光焊锡模块的激光焊锡过程进行实时监测。

本发明的激光焊锡装置、方法及柔性电子器件的焊锡系统将飞秒激光引入激光焊锡，热效应极小，可以有效避免相邻位点焊锡因热扩散造成的短路，从而显著提高BGA(BallGrid Array，焊球阵列封装)焊锡的密度和精度；对入射激光脉冲进行时空特性整形，改变了物镜焦区的光强分布，即在横向上光斑尺寸(半高全宽)较大、纵向上尺寸较小，激光束热作用区也具有类似的分布，可以对界面实现高精度无扫描激光焊锡，从而大大提高焊锡效率且不影响电路性能；具有高通量和高精度的特点，能够实现高通量精密结构加工，在柔性电子器件封装领域具有重要应用价值。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种激光焊锡装置，其特征在于，所述激光焊锡装置至少包括：

时空啁啾产生模块，时空聚焦激光焊锡模块及监测模块；

所述时空啁啾产生模块用于提供具有空间啁啾特性的激光束；

所述时空聚焦激光焊锡模块设置于所述时空啁啾产生模块的激光出射端，使所述具有空间啁啾特性的激光束在聚焦物镜焦平面松散聚焦，且所述具有空间啁啾特性的激光束中不同频率的光在所述聚焦物镜焦平面重合并达到最短脉宽；

所述监测模块对所述时空聚焦激光焊锡模块的激光焊锡过程进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的激光焊锡装置，其特征在于：所述时空啁啾产生模块包括飞秒激光器、小孔光阑、色散元件及准直透镜；

所述飞秒激光器提供激光束光源，所述小孔光阑、所述色散元件及所述准直透镜依次设置在所述激光束的光路上；所述小孔光阑用于调节所述激光束的尺寸并滤除高阶模；所述色散元件将所述激光束中不同频率的成分以角色散展开；所述准直透镜将从所述色散元件出射的角色散光束变成一束平行的具有空间啁啾特性的激光束。

3.根据权利要求2所述的激光焊锡装置，其特征在于：所述时空啁啾产生模块还包括反射镜，所述反射镜设置于所述小孔光阑与所述色散元件之间的光路中，用于调节所述激光束入射至所述色散元件的角度。

4.根据权利要求2所述的激光焊锡装置，其特征在于：所述小孔光阑的孔径设置为1mm-5mm。

5.根据权利要求2所述的激光焊锡装置，其特征在于：所述色散元件为光栅、棱镜、数字微镜器件、空间光调制器或F-P标准具。

6.根据权利要求1所述的激光焊锡装置，其特征在于：所述时空聚焦激光焊锡模块包括第一双色镜、聚焦物镜、焊锡平台及控制单元；所述第一双色镜及所述聚焦物镜依次设置在所述具有空间啁啾特性的激光束光路上；

所述第一双色镜调整所述具有空间啁啾特性的激光束的光路，使所述具有空间啁啾特性的激光束入射所述聚焦物镜；所述聚焦物镜对所述具有空间啁啾特性的激光束进行聚焦；所述焊锡平台设置在所述聚焦物镜的出射光一侧，用于放置待焊锡物；所述控制单元连接所述焊锡平台，用于控制所述焊锡平台移动以调整所述待焊锡物的位置。

7.根据权利要求1或6所述的激光焊锡装置，其特征在于：所述监测模块包括第二双色镜、透镜、图像传感器及显示单元；

所述第二双色镜将照明光束引入所述时空聚焦激光焊锡模块，为所述时空聚焦激光焊锡模块提供同轴照明；

所述透镜及所述图像传感器依次设置于所述第二双色镜远离所述时空聚焦激光焊锡模块的一侧，所述图像传感器采集激光焊锡过程的图像；

所述显示单元连接所述图像传感器，用于显示所述图像传感器采集到的图像。

8.一种柔性电子器件的焊锡系统，其特征在于，所述柔性电子器件的焊锡系统至少包括：

电路板、焊球、透明衬底柔性电极及如权利要求1-7任一项所述的激光焊锡装置；

所述电路板设置于所述激光焊锡装置的焊锡平台上，所述焊球设置于所述电路板的焊盘上，所述透明衬底柔性电极设置于所述焊球上；其中，所述透明衬底柔性电极后端触点与所述焊球的接触面为焊锡点。

9.根据权利要求8所述的柔性电子器件的焊锡系统，其特征在于：所述透明衬底柔性电极的基底材料为玻璃、晶体或透明聚合物。

10.一种激光焊锡方法，基于如权利要求1-9任一项所述的激光焊锡装置实现，其特征在于，所述激光焊锡方法至少包括：

2)调整光路及所述待焊锡物的位置，产生具有空间啁啾特性的激光束，并使聚焦物镜焦平面位于所述待焊锡物的焊锡点处；调节监测模块以对激光焊锡过程进行实时监测；

3)调节激光功率及曝光时间，对焊锡点进行焊锡；完成当前焊锡点焊锡后将下一焊锡点移动至所述聚焦物镜焦平面，依次完成各焊锡点的焊锡。

11.根据权利要求10所述的激光焊锡方法，其特征在于：步骤2)中产生所述具有空间啁啾特性的激光束的方法包括：

提供一激光束，调整所述激光束入射色散元件的角度得到角色散光束，并通过准直透镜将所述角色散光束变成一束平行的具有空间啁啾特性的激光束；其中，所述角色散光束中中心频率的光谱分量的一级衍射光束与所述准直透镜的光轴平行，且所述角色散光束的光谱范围内的所有频率分量均入射到所述准直透镜和所述时空聚焦激光焊锡模块中聚焦物镜的孔径内。