激光软钎焊热过程分析

对热过程进行研究有助于从理论上理解焊点形成的基本原理及其相关的物理、化学和冶金过程。下面两个条件使得激光软钎焊焊点的形成具有独特的特征：

1）与传统再流焊方法（如红外和热风再流焊）相比，激光软钎焊的热过程更短，而且是非平衡的过程。红外和热风再流焊方法加热过程长且均匀。

2）不同电子器件的材料性质包括对激光的吸收系数、热传导率以及引针和基板的热容不同。

微电子激光软钎焊由于小而复杂的待焊区域和相对短的加热时间，使得采用实验方法测量温度尤其困难。数值模拟的方法可以更好的理解激光软钎焊过程和热传递机制，以及器件尺寸、PCB特征和加热区域对热过程的影响，这些反过来也有助于预测激光钎焊过程的参数^[25]。

材料对激光束能量的吸收不同，例如，Cu或可伐合金引针和固态钎料合金吸收激光能量的75%，而PCB基板只吸收25%。这些数据需要编入计算模型，以保证每种材料吸收正确数量的能量。

1987年，D.U.Chang提出了第一个一维数学模型，该模型描述了表面组装件激光软钎焊的热过程^[26]。

式中，r为标准热半径（钎料熔化半径）；a为激光斑点直径；P为激光输出功率；A为表面吸收率；R为钎料到基板的热阻；C为热容；t为照射时间；T_m为钎料熔点；T₀为试件温度。(www.xing528.com)

D.Gwyer提出了用于模拟蝶形光电子封装激光钎焊过程的新热源模型^[13]。典型激光束的温度场可以通过高斯分布来估算，激光热源高斯分布描述如下：

式中，Q为激光热源；I₀为峰值激光密度；δ为吸收系数；为距离激光束中心的距离；a为激光束半径；x、y、z分别为x轴、y轴、z轴的空间坐标。

利用这个模型，激光能量被描述为穿透每个引针的表面（z轴方向）至待焊处钎料，乃至其下面PCB基板的热源。当激光能量的穿透深度与引针的厚度相比很小时，热源可以被简化为表面热源^[27，28]。

图12.2为激光软钎焊过程基于表面热源模型的焊点温度分布模拟结果^[28]。元件为四边引脚扁平封装（QFP），引针宽度为0.4mm，厚度为0.14mm。PCB基板分别为FR-4和Al₂O₃。由于FR-4的热导率比Al₂O₃低，钎焊到FR-4基板上的引针表面温度比Al₂O₃基板更加均匀。引针上表面和FR-4基板的温差较小，形成的焊点形状较好。相反，Al₂O₃基板和引针上表面的温度较大，产生较好形状的焊点需要更高的激光能量，而高的激光能量在引针和钎料膏接触不良的情况下容易使引针烧毁。因此，采用激光软钎焊方法在陶瓷基板上进行电子元器件组装时，建议进行预热以降低激光能量和改善焊点质量。

图12.2 焊点温度分布模拟结果