光子焊接:提高挠性混合电子产品可制造性的新工艺

来源:收集 点击数:387 更新时间:2022/3/4 15:09:42

光子焊接:提高挠性混合电子产品可制造性的新工艺
 打印电子(Printed electronics,简称PE)技术正在不断发展,其缺点是像纸这样的低成本基板不能承受焊膏回流温度;此外,油墨需要固化。目前阻焊膜或图例油墨固化方法是紫外线辐射固化。


一项创新是使用闪光管对打印油墨进行固化或退火。闪光管可产生高强度、宽光谱白光,如图1所示。大家熟知的摄影技术使用的就是电子闪光灯,但是,它们的体积和功率要大得多。在摄影中这些电子闪光会产生热量,但热量仅限于表面,因此油墨可以固化或退火,但基板仍保持低温。


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图1:从光子固化、退火到光子焊接烧结,闪光管可以快速传递大量能量(来源:NovaCentrix)


使用红外烘箱固化油墨,使其达到导电所需温度,要求基板(如聚酰亚胺、陶瓷和环氧玻纤)能够承受高温。可用高能量密度的电磁辐射进行干燥,电磁辐射射线深入到待干燥的层中,激发那里的分子。


能量的吸收发生在十分之几秒之内。分子活化使溶剂或水蒸发。由于辐射能可深入层中,与颜料耦合并从内向外干燥颜料,因此表面不会产生气泡,导致不良影响。此外,电磁辐射光以针对性方式施加剂量并涂布到对应点。


通过这项创新技术,几百毫秒之内就可在纸张、织物或塑料等基板上固化高导电性图形、元件(电阻器/电容器)和绝缘体。《挠性电路技术(第4版)》第11章详细介绍了打印技术和油墨类型,可点击链接,免费下载该电子书。


光子焊接与烧结


表1给出了根据热负荷的传递方式排列的不同选择性焊接技术概况。在这些常规情况下,暴露仅限于加热区域,以确保器件温度敏感部分的热负荷较低。由于加热介质受到限制,需要从一个区域移动到另一个区域,因此采用这些技术的处理速度通常较慢。


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表1:按热源加热曲线排列的不同选择性焊接技术(来源:NovaCentrix)

光产生(ER)加热,如激光焊接,也可以通过闪光管进行,但具有焊接元件不在视线内的优点。NovaCentrix公司开发的PulseForge是第一台这类新焊接系统。


将容量为30~40千瓦的500伏电源连接到高压储能电容器组上,并由高压电路控制,专门设计的闪光管目前可以在几秒钟内完成标准无铅回流焊,并且功耗仅为标准回流焊炉的10%。


图2显示光吸收材料在光脉冲期间将被加热,当光被移除时会立即冷却。虽然可以只使用一个脉冲进行焊接,但更好的工艺是使用脉冲序列(具有不同的脉冲持续时间和功率),以避免过度加热基板。


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图2:具有广谱白光的正常回流焊接与PulseForge焊接的区别(来源:NovaCentrix)


加热温度曲线利用高强度的广谱光闪光,光子焊接工艺建立在非平衡过程中加热多层叠层的工艺基础上。


该工艺是通过将基于金属颗粒的油墨烧结到导电走线中来提高挠性混合电子产品(flexible hybrid electronics,简称FHE)可制造性的组成部分。


光子焊接工具依赖于氙气填充闪光灯的极高平均功率输出。因此,闪光灯必须是水冷的,以防止在高负荷使用下加热失控和对系统造成损坏。此外,闪光灯系统需要数字控制器,以便在各种热条件下调整不同尺寸元件的焊接。


SAC-305(铟8.9HF,4类)焊膏是手动模板印刷在铜接触焊盘上。所涂布焊膏的厚度约为75µm。使用Rohm Semiconductors公司0603封装的耐硫片式电阻(部件号SFR03)作为主要元件(图3)。


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图3:工艺开发:功率密度与时间(来源:NovaCentrix)

吸收部分光谱的区域比其他区域能更有效地将光能转换为热能,导致局部温度升高。通过改变脉冲的时间(脉冲长度和后续脉冲之间的延迟),可以控制正在处理材料的温度曲线。达到的温度可以高于器件堆叠组成部分的额定温度而不会导致损坏,部分原因是加热时间较短,并且在光照停止后很快恢复到环境条件。


焊接过程(图3)显示了光功率密度和闪光持续时间之间的理想平衡。在1~4秒内完成焊接,具体取决于功率密度。从P1到P9的功率设置将导致回流时间为4.5~8秒,在P9的时间最短,为0.5秒。


空间选择性光子焊接是独特的工艺,为指定的材料系统(基板、传导轨道、焊料和元件)提供了一种在正常回流炉中无法复制的焊接工艺。平均功率是单个光脉冲能量(取决于电容器组充电的电压和放电的时间长度)和光脉冲入射到材料系统的频率的函数。平均功率是对器件堆叠可实现的温度斜率的关键控制因素。虽然可以以极高的升温率焊接某些器件结构,但其他器件结构需要较慢的升温率以保证其不受损伤并防止不可控的放气。可通过空间选择性控制温度范围:


⏩ 热敏基板,如PET上的LED阵列

⏩ 使用带有激光切割开口的铝面罩热敏元件,如电池或显示器

⏩ 热敏感区域,如BGA下具有传导加热的回流区

⏩ 热敏焊点,如SAC305,在0.375秒内回流

⏩ 可靠性敏感无铅焊点,短加热时间可最大限度地减少金属间化合物

⏩ 当要求较低的空洞率时,可达到<3%


对于相同的结构,峰值温度可以通过增加斜率、暴露时间或两者的组合来控制(图4)。与标准回流焊机理一样,每次更改都为优化焊点质量提供了不同的机会。对于所探索的器件结构,在平均入射功率密度为16W/cm2的情况下,从1.5秒开始观察到焊料的回流,3秒时,可改善焊缝形状和金属间化合物形成,最终可提高焊点质量。暴露5秒后,开始观察到挠性电路的机械故障和屈曲。图5显示了光子焊接设备的内部。该设备(图6)配有批量传送装置。一条完整的自动化焊膏检测贴装焊接生产线只有21英尺长,加工时间只需3~4分钟。


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图4:a)中等功率0603电阻SAC305焊点3秒钟的温度曲线;b)高功率下不同脉冲序列下焊点的温度曲线;c)具有不同功率设置的焊点温度曲线(来源:NovaCentrix)


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图5:定制闪光管、反射器、电源、冷却和曝光控制器,可确保在不加热底层基本条件下焊接(来源:NovaCentrix)

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图6:配备批量传送装置的设备(来源:NovaCentrix)

总结


这种新型焊接工艺可焊接300mm×400mm的基板,并可实现卷对卷。目前可能出现的新机会包括:


⏩ 可使用具有同等质量的高温焊料:SAC-305、SnSb等

⏩ 可使用温度敏感基板以降低成本:PET、TPU、PVC、PPE、PEI、PVF、PEN等

⏩ 可一次焊接多种尺寸的元件

⏩ 可卷对卷处理

⏩ 可达到与回流炉相当的效果,但速度要快得多

⏩ 可同样适用FR-4和其他传统电路板,但设备占地面积较小

⏩ 允许在铝上焊接

⏩ 可在曲面上实现焊接

⏩ 提供灵活/可选的产品设计选项

⏩ 堆叠的微通孔上无热应力

⏩ 较低的能源需求

⏩ 焊接参数的选择性控制

⏩ 可选氮气加工区

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