一种原位激光切割与焊接一体化制备锡基焊点的方法与流程

本发明属于电子封装互连，具体涉及一种原位激光切割与焊接一体化制备锡基焊点的方法。

背景技术：

1、随着电子产品不断向小型化、高密度、细间距和高集成化方向发展，电子元器件之间的互连尺寸及焊盘尺寸逐渐减小，而焊点所承受的电、热和机械载荷不断增加。焊点作为实现元器件与基板之间电连接、热传导和机械连接的重要结构，其尺寸一致性、位置精度、剪切强度及服役可靠性对电子产品整体性能具有重要影响。焊点内部孔洞、焊料和焊盘润湿不足、氧化物夹杂等缺陷，可能造成焊点强度下降，从而影响器件可靠性。

2、锡基焊点的成形质量受焊料合金成分及熔化特性、焊料供给形态、焊料和焊盘表面洁净程度、助剂活化状态、焊接热输入以及焊接方式等多种因素的综合影响。其中，焊料合金的熔化温度和润湿性能会影响焊料的熔化、流动及铺展行为；焊片的尺寸和锡膏体积会影响焊料用量及最终焊点的成形尺寸；焊料和焊盘表面的油污、氧化物及颗粒物则可能阻碍界面润湿，降低焊接强度；此外，焊接过程中的升温速率、峰值温度等参数控制还会影响助剂的活化与挥发、熔融焊料的流动行为、焊点内部孔洞的形成以及焊点凝固组织。

3、目前，锡基焊点的制备主要采用锡膏丝网印刷后回流焊接（cn122400890b）、焊料经机械冲压成形为焊片后转移回流焊接（cn120190529b）以及预成型焊片经人工转移后激光焊接（cn116441714b）等方式。锡膏丝网印刷回流工艺通常包括合金粉末制备、锡膏调制、钢网印刷和整体回流等繁琐步骤，且其焊料供给位置精度易受锡膏黏度、刮刀压力、脱模状态及锡膏塌陷等因素影响（kimh,mohammadhosseinzadehm,jungmk,etal.stencilprintingprocedureusingtransientthree-dimensionalcomputationalfluiddynamics[j].journalofmanufacturingprocesses,2025,148:306-316.）。焊片回流焊接虽能在一定程度上提高焊料用量的可控性，但焊片通常需经历单独制备、收集、转运和定位等复杂工序，相关过程易引入表面污染、氧化及位置偏差；对于厚度较小、尺寸较小的微型焊片，采用机械冲压成形或机械裁切时还易产生毛刺、崩边、变形及轮廓尺寸偏差。激光焊接虽然能够提高效率，但切割和焊接分离导致的焊片污染以及贴装位置偏差等问题也会影响焊接效果。上述问题均会导致焊点成形过程中出现焊接不良，降低焊点力学性能，进而影响其可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中锡基焊点制备存在的焊点缺陷较高，剪切性能较弱等问题，提供一种原位激光切割与焊接一体化制备锡基焊点的方法，以减小锡基焊点空洞率，提高焊点剪切强度。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种原位激光切割与焊接一体化制备锡基焊点的方法，将薄带型焊片直接覆盖在c18150治具上，使用治具的水平压紧定位片固定薄带型焊片；将涂覆助焊膏后的pcb板推入治具腔体，使用腔体两端的纵向限位块固定pcb板；根据pcb板焊盘尺寸和分布以及全局基准点，在激光打标软件中输入对应圆形焊片的切割图案等打标参数，确保圆形焊片中心和焊盘中心在高度方向重合；采用激光器切割，切割的圆形焊片在重力作用下垂直下落至底部对应焊盘，形成焊片-助焊膏-焊盘的待封装结构；再使用激光器，调节激光参数，完成局部激光焊接，待焊点冷却至室温，移除焊片切割尾料，取出pcb板，用于后续空洞测试和剪切性能测试以及剪切断口表征。

3、薄带型焊片终轧厚度200μm，宽度为38mm，长度为300mm；所述薄带型焊片对应的锡基多元合金成分为sncu0.5bi5in15co0.02mn0.05，熔点通过往复轧制后取尾料进行差示扫描量热法（以下简称“dsc”）测试，用于确定焊接峰值温度。

4、进一步地，所述激光切割和所述激光焊接集成紫外皮秒激光器和近红外半导体激光器于一体；切割模式下，平均功率为30w、脉冲频率为102khz、脉冲宽度为10ps、聚焦镜工作距离为125mm、切割速度为500mm/s；焊接模式下，焊接依次分为升温阶段、浸润保温阶段和空冷阶段三个阶段。

5、进一步地，升温阶段和浸润保温阶段设置峰值功率为25w、脉冲频率均为100hz、螺旋直径均为1.2mm、扫描速度均为30mm/s，升温阶段将温度由25℃升至230℃，出光时长为0.42s、平均功率为10w、脉冲宽度为4ms，浸润保温阶段将温度维持在230℃，出光时长为3.5s、平均功率为1.5w、脉冲宽度为0.6ms；空冷阶段为达到230℃峰值温度并完成保温后停止激光输出，空冷至室温形成锡基焊点。

6、进一步地，所述治具由c18150铬锆铜合金制成，兼具优异的散热性能、结构强度以及良好的可加工性，包括呈矩形的治具主体、镂空腔体、设置于所述治具主体前后两端顶部的四个水平压紧定位片，以及设置于所述治具的pcb进出口端的两个纵向限位块；所述水平压紧定位片用于对所述薄带型锡基焊片进行定位和压紧，所述纵向限位块用于限制所述pcb板沿其长度方向的位移。

7、所述4个水平压紧定位片分别对称分布于治具前后端的顶部四角，其呈腰型结构，用于对放置于其上的焊片进行水平方向的定位和压紧，有效防止焊片在加工过程中发生位移或翘曲。

8、所述2个纵向限位块分别凸设于治具进出口端的侧壁，其内侧端面抵接于pcb板的边缘，形成硬性物理挡止结构，从而对pcb板在沿其长度方向（即前后方向）上的自由度进行限制，配合上述左右两端的侧向限位以及治具主体的侧边导向，从而全方位确保pcb板在推入、加工和拉出过程中的位置稳定性。

9、进一步地，所述治具主体的左右两端分别设有与所述镂空腔体连通的镂空缺口，所述镂空缺口形成散热通道和烟尘排放通道，所述镂空缺口的底边高于所述镂空腔体的底边，形成横向挡止结构，用于限制所述pcb板沿其宽度方向的位移。

10、所述治具的前后端作为pcb板的进料端和出料端，用于pcb板的水平推入和拉出；所述治具的左右两端设有镂空缺口，该镂空缺口具有多重功能：首先，作为散热通道，利用c18150合金的高导热性快速导出激光加工产生的热量；其次，作为粉尘排风通道，将切割或焊接过程中产生的烟尘和废气定向排出；最后，缺口处高于腔体底部的边缘形成对pcb板宽度方向的横向物理挡止（侧向限位），与治具主体的侧边导向配合，限制pcb板沿宽度方向的自由度。

11、进一步地，所述治具的长度为55mm、宽度为40mm、厚度为9mm，所述镂空腔体的长度为45.3mm、宽度为35.3mm、高度为4mm，所述治具的尺寸精度控制在0.1mm以内；所述镂空腔体的内表面和所述治具上表面的表面粗糙度ra不大于0.4μm，其余表面的表面粗糙度ra不大于0.8μm。

12、所述pcb板，焊盘表面采用有机可焊性保护膜（以下简称“osp”）、化学镀镍浸金或化学沉积锡中的一种或三种表面处理方式。焊盘直径为850μm，pcb板尺寸长45mm，宽35mm，高度2mm，整块pcb板由3块等宽pcb板组成，可自由拆卸和组合焊接。

13、切割激光光源为紫外皮秒激光器，脉宽为皮秒量级，利用其高峰值功率和小热影响区实现锡基焊片的精密切割；焊接激光光源为近红外半导体激光光源，通过分段设定所述激光器的输出功率与脉冲宽度等参数，使焊点温度依次经过升温段与保温段，从而完成焊片的润湿铺展与焊点成形。紫外皮秒激光器与半导体激光器集成于同一台定制的激光加工设备中，可通过该系统内的光源切换功能，配合所述c18150治具，在同一工位上实现焊片的切割与焊接的连续作业。

14、焊接前进行温度测量系统的校准：在焊片下方预埋热电偶，对焊片进行加热，同时记录f8l1型红外测温仪和t型热电偶的温度数据；用于校准红外测试显示温度，经校准后，在焊接峰值温度以下的温度区间内，红外测温值与热电偶实测值的偏差不大于±3℃。在校准后的激光焊接参数调试过程中，采用修正后的红外测温仪监测焊点表面温度，用于调节激光焊接参数。当焊料合金成分、助焊膏类型或焊片尺寸发生变化时，根据相应焊料的熔化温度区间和匹配的助焊膏活化温度，并以经标定的红外测温装置测得的焊点实际温度为依据，对激光切割参数和焊接参数进行相应调整。

15、本发明具有以下显著优点：

16、（1）工艺简单可控，显著缩短焊点制备周期。本发明将薄带型锡基焊片的激光切割、重力落料与局部激光焊接集成于同一c18150治具工位内原位完成，切割完成的圆形焊片依靠自身重力自动落至对应焊盘，全程无需焊片预制后的拆卸、转运和二次定位，也无需锡膏印刷、刮膏等工序，工序少、操作简单、参数易于精确控制。而对比例1、对比例3采用“激光切割预制焊片+人工转移贴装”、对比例2、对比例4采用“机械裁切预制焊片+人工转移贴装”、对比例5采用“锡膏钢网印刷+抽屉式回流焊接”，均存在焊片预制、人工转运贴装或印刷、独立回流等中间环节，工序繁复、周期长、人为误差难以避免。因此，本发明可显著缩短焊点制备周期。

17、（2）显著降低焊点空洞率。本发明以紫外皮秒激光原位精密切割薄带型锡基焊片，切割、落料与焊接在同一治具工位内完成，避免了焊片中间转移过程中的二次污染和位置偏差；激光切割形成的圆形焊片尺寸精度高、轮廓一致、边缘质量好，焊片可完全覆盖焊盘，配合焊盘边缘阻焊层对焊料扩散范围的约束，使焊接过程中助焊剂和气体充分逸出，从而有效抑制空洞形成。本发明可将焊点空洞率控制在0.29±0.04%——无论对比例采用激光切割还是机械裁切预制焊片、配合人工转移贴装或抽屉式回流焊接，抑或采用锡膏钢网印刷回流，其焊点空洞率均较本发明成倍乃至数倍增加。

18、（3）显著提高焊点剪切强度。本发明焊料以精确定尺寸的圆形焊片一次性供给，焊料体积和位置精确可控，焊片完全覆盖焊盘，焊接成形一致性好，界面润湿充分、界面结合牢固，所得焊点剪切强度显著高于上述各对比例，焊点连接可靠性明显增强。

19、（4）焊料体积与位置精确可控，焊点一致性和重复性好。相比对比例5采用的锡膏印刷工艺，本发明以激光切割的圆形焊片直接替代锡膏，从根本上避免了锡膏印刷厚度波动、位置偏差及塌陷等因素引起的工艺波动；相比对比例2、对比例4采用的机械裁切预制焊片，本发明采用紫外皮秒激光切割，热影响区小、边缘无明显重熔，焊片尺寸精度和轮廓一致性高，边缘毛刺覆盖率低、崩边和变形等缺陷少，从而显著提高焊点成形的一致性和重复性。