激光錫焊在陶瓷材料焊接中的應(yīng)用

激光錫焊在陶瓷材料焊接中的應(yīng)用

激光錫焊(激光軟釬焊)依靠局部非接觸定點(diǎn)加熱、熱輸入可控的優(yōu)勢(shì)，解決氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯等電子陶瓷與金屬異種連接難題，廣泛應(yīng)用于光通信、功率半導(dǎo)體、射頻器件、傳感器封裝;區(qū)別于激光熔焊，激光錫焊只熔化焊料、不熔化陶瓷基體，特別適配陶瓷脆性、不耐整體高溫的特性。松盛光電來(lái)給大家介紹激光錫焊是怎么焊接陶瓷的。

一、核心工藝原理與兩條技術(shù)路線

陶瓷本身化學(xué)惰性強(qiáng)，普通錫料無(wú)法潤(rùn)濕，工業(yè)上分為兩大類工藝：

1)陶瓷金屬化后激光錫焊(量產(chǎn)主流，可靠性最高)

工藝流程：陶瓷基板預(yù)處理 → Mo-Mn 法 / 化學(xué)鍍 Ti-Ni-Au / 濺射金屬化層 → 激光加熱錫料實(shí)現(xiàn)連接 連接結(jié)構(gòu)：陶瓷→金屬化過(guò)渡層→焊料→金屬引腳 / 散熱件 優(yōu)勢(shì)：潤(rùn)濕性穩(wěn)定、焊點(diǎn)強(qiáng)度高、氣密性好;適合 Al?O?、AlN 陶瓷基板、陶瓷管殼封裝。

2)陶瓷直接激光活性錫焊(無(wú)金屬化，小批量特種場(chǎng)景)

使用活性釬料(含 Ti、Zr 等活性元素)，激光局部升溫促使活性元素與陶瓷界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成過(guò)渡相，實(shí)現(xiàn)焊料直接潤(rùn)濕陶瓷; 局限：工藝窗口窄、一致性較差，多用于科研、特種傳感器，大批量產(chǎn)極少采用。

熱源選型：電子行業(yè)主流915/980nm 半導(dǎo)體連續(xù) / 脈沖激光;光斑 0.05～0.3mm，配合 CCD 視覺(jué)定位，重復(fù)精度 ±0.01mm。

二、相比回流焊、烙鐵焊、超聲焊的核心優(yōu)勢(shì)

極低局部熱輸入，防止陶瓷開(kāi)裂 回流焊整板升溫、烙鐵熱傳導(dǎo)范圍大，陶瓷與金屬熱膨脹系數(shù)(CTE)差異極易產(chǎn)生微裂紋;激光熱影響區(qū)<0.1mm，可搭配閉環(huán)紅外恒溫控制，避免熱沖擊。

非接觸、可達(dá)性強(qiáng) 適合立體結(jié)構(gòu)、狹小內(nèi)腔、高密度微型焊點(diǎn)，無(wú)法下烙鐵的 COB 光模塊、陶瓷封裝引線均可焊接。

保護(hù)熱敏元器件 焊接只對(duì)焊點(diǎn)區(qū)域加熱，陶瓷基底背面溫升低，避免光芯片、半導(dǎo)體裸片受熱失效。

焊點(diǎn)形態(tài)可控、適合高頻電路 焊點(diǎn)一致性好，減少信號(hào)反射;氮?dú)夥諊附右种蒲趸?，接觸電阻穩(wěn)定，適配射頻、高速光信號(hào)場(chǎng)景。

柔性生產(chǎn) 支持錫絲、錫球、錫膏、預(yù)成型焊片多種送料方式，單點(diǎn)獨(dú)立焊接，方便返修補(bǔ)焊。

三、主流應(yīng)用領(lǐng)域(電子陶瓷為主)

1. 光通信器件(規(guī)模最大應(yīng)用場(chǎng)景)

基材：96%/99.6% 氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷基座

TOSA/ROSA 光組件：陶瓷基座與金屬引腳、透鏡支架焊接

800G/1.6T 光模塊 COB 封裝、陶瓷管殼引線釬焊

2. 功率半導(dǎo)體、新能源電子

基材：Al?O?、AlN 陶瓷覆銅板(DBC/AMB 基板)

IGBT、SiC 模塊陶瓷基板與引腳、微型散熱連接件焊接

大功率 LED 陶瓷基板電極、散熱結(jié)構(gòu)焊接

注意：大面積基板主連接一般使用真空釬焊;激光錫焊多用于引出端子、輔助微型焊點(diǎn)。

3. 射頻與 5G 通信

陶瓷濾波器、介質(zhì)諧振器金屬電極焊接

毫米波雷達(dá)陶瓷基板、射頻陶瓷載體與 SMA 金屬連接器焊接

4. 傳感器與氣密陶瓷封裝

溫度、壓力傳感器陶瓷外殼、陶瓷饋通(Feedthrough)引腳焊接

醫(yī)療植入器件陶瓷密封組件(低應(yīng)力，避免陶瓷漏氣)

5. 其他場(chǎng)景

陶瓷電容電極補(bǔ)強(qiáng)、微型航空航天陶瓷組件、氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷小型異種連接。

四、關(guān)鍵工藝難點(diǎn)與解決方案

難點(diǎn) 1：陶瓷表面潤(rùn)濕性差，錫料縮球、虛焊

方案：優(yōu)先采用Ti/Ni/Au 金屬化;無(wú)金屬化場(chǎng)景選用含鈦活性焊料;嚴(yán)格超聲清洗陶瓷表面，搭配適配助焊劑;惰性氮?dú)獗Ｗo(hù)。

難點(diǎn) 2：CTE 失配引發(fā)陶瓷微裂紋(最常見(jiàn)失效)

方案：

采用脈沖激光、梯度能量緩升溫，避免瞬時(shí)高溫沖擊;

優(yōu)化光斑大小，不要能量過(guò)度集中;

厚陶瓷可增加低溫預(yù)熱工序;

選用塑性較好焊料(SAC305、低溫 SnBi)緩沖熱應(yīng)力。

難點(diǎn) 3：氮化鋁(AlN)陶瓷特殊問(wèn)題

AlN 易受潮水解、表面易形成氧化鋁薄層;金屬化前需等離子清洗，嚴(yán)控焊接環(huán)境濕度。

難點(diǎn) 4：界面空洞、氣密性不足

方案：控制焊料厚度;使用低空洞錫膏;穩(wěn)定激光加熱時(shí)間，防止助焊劑劇烈汽化;高精度工裝保證貼合間隙。

五、常用焊料選型參考

通用消費(fèi) / 通信電子：SAC305(SnAgCu，無(wú)鉛)，工作溫度適中;

熱敏器件：SnBi58 低溫焊料(熔點(diǎn) 138℃)，大幅降低熱沖擊;

高可靠氣密封裝：AuSn20 金錫焊料(多用于陶瓷蓋板密封，高溫穩(wěn)定性強(qiáng));

無(wú)金屬化直接釬焊：活性錫基釬料(添加 Ti，成本高，工藝窗口窄)。

六、典型標(biāo)準(zhǔn)工藝流程(金屬化陶瓷基板激光錫焊)

陶瓷基板超聲清洗→烘干→等離子表面活化

定位工裝裝夾，視覺(jué) CCD 完成焊點(diǎn)坐標(biāo)校準(zhǔn)

錫絲 / 錫球自動(dòng)送料，激光預(yù)熱界面

激光定點(diǎn)熔化焊料，保持潤(rùn)濕鋪展時(shí)間

激光關(guān)閉，受控緩冷，氮?dú)獬掷m(xù)保護(hù)

視覺(jué)外觀檢測(cè)、推剪強(qiáng)度抽檢、氣密 / 電阻測(cè)試

七、發(fā)展趨勢(shì)

矩形光斑、勻光激光替代傳統(tǒng)高斯光斑，溫度場(chǎng)更均勻，減少陶瓷局部過(guò)熱;

紅外實(shí)時(shí)閉環(huán)溫控激光錫焊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)溫度 ±5℃精準(zhǔn)管控;

激光表面微織構(gòu)預(yù)處理陶瓷，探索簡(jiǎn)化金屬化工序，降低生產(chǎn)成本;

在第三代半導(dǎo)體 AMB 氮化鋁陶瓷封裝、高速光模塊中持續(xù)滲透。

松盛光電優(yōu)勢(shì)

松盛光電四點(diǎn)同軸閉環(huán)恒溫溫控系統(tǒng)(獨(dú)家) 激光光路、同軸 CCD 視覺(jué)、紅外測(cè)溫、指示光四點(diǎn)同軸一體化，解決行業(yè)普遍存在光路偏移、測(cè)溫不準(zhǔn)難題; 自研高速 PID 溫控，測(cè)溫響應(yīng)≈20μs，激光器響應(yīng) 15μs，焊點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)，溫度控制精度±5℃。

陶瓷焊接價(jià)值：避免瞬時(shí)熱沖擊，大幅降低氧化鋁、AlN 陶瓷因 CTE 失配產(chǎn)生微裂紋;適配光模塊陶瓷基座、DBC 基板精密釬焊。

松盛光電自主半導(dǎo)體激光光源 + 勻光光學(xué)方案 主推 915/976/980nm 半導(dǎo)體連續(xù)激光，能量穩(wěn)定性<±0.5%;可選矩形勻光光斑、環(huán)形光斑、搖擺光束焊接頭(QBW 搖擺頭)。 高斯光斑局部熱點(diǎn)容易烤裂陶瓷;勻光 / 搖擺光斑溫度場(chǎng)均勻，焊點(diǎn)空洞率顯著下降，非常適合薄陶瓷、金屬化陶瓷基板。 同步布局450nm 藍(lán)光激光錫焊，對(duì)鍍金、銅電極吸收率更高，適合陶瓷表面金屬鍍層焊接。

松盛光電微米級(jí)視覺(jué)定位與高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 同軸高清 CCD 視覺(jué)，重復(fù)定位精度可達(dá)±2~5μm;最小支持 0.15mm 焊盤、0.25mm 窄間距焊點(diǎn)。 適配陶瓷封裝微型引腳、ROSA 陶瓷基座軟帶焊接，狹小腔體、立體結(jié)構(gòu)可視可控，無(wú)需反復(fù)調(diào)試光路。

松盛光電模塊化光學(xué)頭，支持輕量化嵌入自動(dòng)化產(chǎn)線 光學(xué)模組小型化設(shè)計(jì)，區(qū)別傳統(tǒng)大型立式設(shè)備;可獨(dú)立供貨激光焊接頭、溫控單元，方便集成客戶自有自動(dòng)化工裝、氮?dú)饷荛]腔體。