你了解激光焊接金屬間化合物的演變嗎-深圳福英達(dá)
你了解激光焊接金屬間化合物的演變嗎-深圳福英達(dá)
隨著后摩爾時(shí)代的到來，電子元器件逐漸向小型化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，功能集成化方向發(fā)展。激光焊接以其非接觸，選擇性局部加熱和高精度的獨(dú)特優(yōu)勢而成為改進(jìn)焊接工藝的寵兒?？梢灾赖氖羌す夂附涌梢越鉀Q傳統(tǒng)回流焊中精度難以提高，小批量生產(chǎn)成本高的問題。由于金屬間化合物對焊點(diǎn)可靠性起到至關(guān)重要影響，因此研究者們急于發(fā)現(xiàn)激光焊接對焊點(diǎn)金屬間化合物演變的影響。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了了解激光焊接對IMC形態(tài)的影響，Zhao等人（2023）使用0.64 mm直徑的SAC305焊線進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)。測試所用的Cu焊盤直徑為3mm，厚度為35μm。測試的焊接系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器（λ=915nm），紅外溫度計(jì)，CCD同軸定位系統(tǒng)，送絲裝置（送絲角度45°）和X-Y-Z定位平臺(tái)組成。激光焊接利用激光能量（15.3-24.3W）將SAC305焊線熔化并使其在焊盤上擴(kuò)散。
圖1. 實(shí)驗(yàn)儀器和測試方法。(a)激光焊接系統(tǒng)；(b)焊接過程；(c)焊點(diǎn)外觀；(d)焊點(diǎn)潤濕角；（d）IMC輪廓。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為15.3W時(shí)無法形成焊點(diǎn)。當(dāng)激光功率增加到17.1W時(shí)才形成小焊點(diǎn)。當(dāng)激光功率較低時(shí)，熱輸入較低，焊料吸收的能量未能超過克服表面張力的能量閾值。因此，焊料球需要很長時(shí)間才能克服表面張力并擴(kuò)散到周圍。隨著激光功率的增加，焊點(diǎn)的潤濕面積增加。然而，當(dāng)激光功率過高時(shí)（24.3W）時(shí)，焊點(diǎn)開始燃燒變色且潤濕面積迅速減小。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為22.5W時(shí)，焊點(diǎn)的潤濕性最佳，潤濕面積百分比和潤濕角分別約為96.5%和34.4°。
圖2. 焊點(diǎn)潤濕角。
采用不同激光功率（P）會(huì)對IMC產(chǎn)生不同影響。例如，當(dāng)激光功率為17.1W時(shí)，IMC屬于穩(wěn)定階段，厚度非常薄。在功率進(jìn)一步提高后IMC開始呈現(xiàn)針狀晶體。此外，隨著激光功率增加到24.3W，針狀I(lǐng)MC大量生長到焊料中，其寬度和長度分別為5.06μm和32.30μm。
圖3. 焊點(diǎn)IMC微觀結(jié)構(gòu)。(a)P=17.1W；(2)P=20.8W；(c)P=22.5W；(d)P=24.3W。
通過觀察激光功率所對應(yīng)的IMC厚度可以發(fā)現(xiàn)，IMC厚度隨著功率增加而呈階梯狀增長，且和焊料內(nèi)部最高溫度密切相關(guān)。在穩(wěn)定階段時(shí)，由于IMCs反應(yīng)生長的活化能低于擴(kuò)散生長的活化能，因此能量主要用于IMCs水平方向的生長。 與此同時(shí)，已經(jīng)形成IMC的區(qū)域增長緩慢，導(dǎo)致IMC厚度變化慢。同時(shí)，由于輸入能量主要用于焊料的擴(kuò)散和金屬間化合物的形成，因此熔池溫度隨著激光功率的增加而緩慢升高。
圖4. 激光功率與IMC厚度和焊料溫度的階梯關(guān)系。
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參考文獻(xiàn)
Zhao, S.N., Gong, M.C, Jiang, L.H.G, Cen, L. & Gao, M. (2023). Step phenomenon of intermetallic compounds thickness during laser soldering dependence on laser power. Journal of Manufacturing Processes, vol.107.
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