光子焊接：提高撓性混合電子產品可制造性的新工藝

金屬加工前沿

2022年8月11日 11:42

打印電子（Printed electronics，簡稱PE）技術正在不斷發展，其缺點是像紙這樣的低成本基板不能承受焊膏回流溫度；此外，油墨需要固化。目前阻焊膜或圖例油墨固化方法是紫外線輻射固化。

一項創新是使用閃光管對打印油墨進行固化或退火。閃光管可產生高強度、寬光譜白光，如圖1所示。大家熟知的攝影技術使用的就是電子閃光燈，但是，它們的體積和功率要大得多。在攝影中這些電子閃光會產生熱量，但熱量僅限于表面，因此油墨可以固化或退火，但基板仍保持低溫。

光子焊接：提高撓性混合電子產品可制造性的新工藝的圖1

圖1：從光子固化、退火到光子焊接燒結，閃光管可以快速傳遞大量能量（來源：NovaCentrix）

使用紅外烘箱固化油墨，使其達到導電所需溫度，要求基板（如聚酰亞胺、陶瓷和環氧玻纖）能夠承受高溫。可用高能量密度的電磁輻射進行干燥，電磁輻射射線深入到待干燥的層中，激發那里的分子。

能量的吸收發生在十分之幾秒之內。分子活化使溶劑或水蒸發。由于輻射能可深入層中，與顏料耦合并從內向外干燥顏料，因此表面不會產生氣泡，導致不良影響。此外，電磁輻射光以針對性方式施加劑量并涂布到對應點。

通過這項創新技術，幾百毫秒之內就可在紙張、織物或塑料等基板上固化高導電性圖形、元件（電阻器/電容器）和絕緣體。《撓性電路技術（第4版）》第11章詳細介紹了打印技術和油墨類型，可點擊鏈接，免費下載該電子書。

光子焊接與燒結

表1給出了根據熱負荷的傳遞方式排列的不同選擇性焊接技術概況。在這些常規情況下，暴露僅限于加熱區域，以確保器件溫度敏感部分的熱負荷較低。由于加熱介質受到限制，需要從一個區域移動到另一個區域，因此采用這些技術的處理速度通常較慢。

光子焊接：提高撓性混合電子產品可制造性的新工藝的圖2

表1:按熱源加熱曲線排列的不同選擇性焊接技術(來源:NovaCentrix)

光產生（ER）加熱，如激光焊接，也可以通過閃光管進行，但具有焊接元件不在視線內的優點。NovaCentrix公司開發的PulseForge是第一臺這類新焊接系統。

將容量為30~40千瓦的500伏電源連接到高壓儲能電容器組上，并由高壓電路控制，專門設計的閃光管目前可以在幾秒鐘內完成標準無鉛回流焊，并且功耗僅為標準回流焊爐的10%。

圖2顯示光吸收材料在光脈沖期間將被加熱，當光被移除時會立即冷卻。雖然可以只使用一個脈沖進行焊接，但更好的工藝是使用脈沖序列（具有不同的脈沖持續時間和功率），以避免過度加熱基板。

光子焊接：提高撓性混合電子產品可制造性的新工藝的圖3

圖2：具有廣譜白光的正常回流焊接與PulseForge焊接的區別（來源：NovaCentrix）

加熱溫度曲線利用高強度的廣譜光閃光，光子焊接工藝建立在非平衡過程中加熱多層疊層的工藝基礎上。

該工藝是通過將基于金屬顆粒的油墨燒結到導電走線中來提高撓性混合電子產品（flexible hybrid electronics，簡稱FHE）可制造性的組成部分。

光子焊接工具依賴于氙氣填充閃光燈的極高平均功率輸出。因此，閃光燈必須是水冷的，以防止在高負荷使用下加熱失控和對系統造成損壞。此外，閃光燈系統需要數字控制器，以便在各種熱條件下調整不同尺寸元件的焊接。

SAC-305（銦8.9HF，4類）焊膏是手動模板印刷在銅接觸焊盤上。所涂布焊膏的厚度約為75μm。使用Rohm Semiconductors公司0603封裝的耐硫片式電阻（部件號SFR03）作為主要元件（圖3）。

光子焊接：提高撓性混合電子產品可制造性的新工藝的圖4

圖3：工藝開發：功率密度與時間（來源：NovaCentrix）

吸收部分光譜的區域比其他區域能更有效地將光能轉換為熱能，導致局部溫度升高。通過改變脈沖的時間（脈沖長度和后續脈沖之間的延遲），可以控制正在處理材料的溫度曲線。達到的溫度可以高于器件堆疊組成部分的額定溫度而不會導致損壞，部分原因是加熱時間較短，并且在光照停止后很快恢復到環境條件。

焊接過程（圖3）顯示了光功率密度和閃光持續時間之間的理想平衡。在1~4秒內完成焊接，具體取決于功率密度。從P1到P9的功率設置將導致回流時間為4.5~8秒，在P9的時間最短，為0.5秒。

空間選擇性光子焊接是獨特的工藝，為指定的材料系統（基板、傳導軌道、焊料和元件）提供了一種在正常回流爐中無法復制的焊接工藝。平均功率是單個光脈沖能量（取決于電容器組充電的電壓和放電的時間長度）和光脈沖入射到材料系統的頻率的函數。平均功率是對器件堆疊可實現的溫度斜率的關鍵控制因素。雖然可以以極高的升溫率焊接某些器件結構，但其他器件結構需要較慢的升溫率以保證其不受損傷并防止不可控的放氣。可通過空間選擇性控制溫度范圍：

? 熱敏基板，如PET上的LED陣列

? 使用帶有激光切割開口的鋁面罩熱敏元件，如電池或顯示器

? 熱敏感區域，如BGA下具有傳導加熱的回流區

? 熱敏焊點，如SAC305，在0.375秒內回流

? 可靠性敏感無鉛焊點，短加熱時間可最大限度地減少金屬間化合物

? 當要求較低的空洞率時，可達到<3%

對于相同的結構，峰值溫度可以通過增加斜率、暴露時間或兩者的組合來控制（圖4）。與標準回流焊機理一樣，每次更改都為優化焊點質量提供了不同的機會。對于所探索的器件結構，在平均入射功率密度為16W/cm2的情況下，從1.5秒開始觀察到焊料的回流，3秒時，可改善焊縫形狀和金屬間化合物形成，最終可提高焊點質量。暴露5秒后，開始觀察到撓性電路的機械故障和屈曲。圖5顯示了光子焊接設備的內部。該設備（圖6）配有批量傳送裝置。一條完整的自動化焊膏檢測貼裝焊接生產線只有21英尺長，加工時間只需3~4分鐘。