由于金屬表面存在著氧化膜，阻礙釬料在其上的潤濕與鋪展，所以在釬焊時要采用一些措施去除。釬劑是使用最為廣泛的方法。但是在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中采用釬劑去除氧化膜帶來的問題是：釬劑的殘渣具有腐蝕性，會造成導體的斷路；釬劑中的氯離子會造成導體間的短路，特別是對于細間距引線的器件；清洗工序使制造成本上升、有可能劃傷芯片表面等。無腐蝕性的免清洗釬劑是解決這一問題的有效途徑之一，但仍然存在一定的問題，而在一些微電子元件(包括光電子、MEMS、電磁元件等)的封裝中釬劑是不能使用的，因為可能造成污染，或者由于結(jié)構(gòu)的限制無法清洗。此時，無釬劑釬焊方法就是唯一的選擇。 1 幾種無釬劑軟釬焊技術 無釬劑釬焊的實現(xiàn)需要解決兩個關鍵問題：在釬焊過程中去除氧化膜和防止再氧化。對于后一問題，可以采用真空保護、氣體保護等方法。真空保護由于要有真空室和抽真空的過程，設備復雜而且成本高；而采用噴嘴惰性氣體保護適合于連續(xù)的生產(chǎn)線應用。氧化膜的非釬劑去除方法文獻公開的有以下幾種： 在波峰焊槽內(nèi)安裝超聲波發(fā)生器，超聲振動通過液態(tài)釬料傳播到元件焊接處，利用超聲空化作用去除金屬表面的氧化膜，實現(xiàn)無釬劑釬焊。熔融的釬料同時起到保護表面不再氧化的作用，圖1(a)。這種方法的缺點是超聲振動的功率大，超聲不僅作用在待焊點上也同時作用在所有的元件和PCB 上，可能對元件或PCB 造成破壞作用。 圖1 幾種無釬劑軟釬焊方法 (a) 超聲波峰焊 (b) 熱電極釬焊 (c) 氫氣保護再流焊 (d) 氬原子照射去膜圖1 (b)采用氮氣對焊點進行保護，防止在加熱過程中的氧化。在焊盤和器件引線上預 鍍釬料，利用加熱板使釬料熔化，釬料鍍層表面的氧化膜被釬料流動和加壓力作用而破碎，熔融的釬料相互融合實現(xiàn)連接。由于鍍層較薄，為了保證焊盤與引線接觸良好，加壓力是必須的。 圖1(c)在氮氣中加入5%的氫氣，加熱過程中氫氣與引線、焊盤表面的氧化膜發(fā)生還原反應，置換出純凈的金屬，使釬料得以在焊盤上潤濕。氫氣實際上相當于氣體釬劑。氫氣的加入帶來了危險性，同時對于短時間的釬焊過程，去除氧化膜的作用有限。 圖1(d)在釬焊前利用氬原子幅照去除BGA釬料凸點和焊盤表面的氧化膜和其他污染，然后立即進行釬焊。這種方法需要真空系統(tǒng)。 2 超聲激光無釬劑軟釬焊方法 圖2是另一種新型無釬劑釬焊方法的示意圖。基本原理：連續(xù)輸出的激光被嶄波(或調(diào)制)成高頻斷續(xù)的激光脈沖、幅值不變，直接照射到釬料表面使釬料被加熱。釬料及焊點的溫度由于熱慣性和斷續(xù)加熱的共同作用，呈現(xiàn)連續(xù)上升疊加波動的曲線形態(tài)，如圖3所示。 圖2 超聲/激光無釬劑釬焊方法的設備原理 圖3 超聲/激光無釬劑釬焊時焊點上的溫度變化曲線示意波動的溫度會使釬料發(fā)生膨脹和收縮，激發(fā)出機械振動。如果激光調(diào)制的頻率在超聲頻率以上，則在液態(tài)釬料內(nèi)部激發(fā)出超聲波。超聲波傳播到釬料與焊盤的界面，產(chǎn)生空化作用，破碎氧化膜，使釬料在焊盤上潤濕鋪展，即可實現(xiàn)無釬劑的釬焊。為了防止焊點的再氧化，采用惰性氣體進行保護。這種方法稱為超聲/激光無釬劑軟釬焊。 3 產(chǎn)生超聲振動和空化作用的條件 測試結(jié)果證明，調(diào)制成脈沖形式的激光可以在釬料液滴表面激發(fā)出機械振動，振動的頻率和激光調(diào)制的頻率是一致的。如4所示。 圖4 釬料液滴表面激光激勵產(chǎn)生的機械振動測試結(jié)果產(chǎn)生空化作用的基本條件是在液態(tài)釬料內(nèi)部存在壓力的正負變化。但是，如圖5和圖6所示，當激勵頻率較低時，激光的加熱可以使整個釬料體積的溫度都上升，釬料整體膨脹；停止激光加熱，釬料又整體收縮。此時在液態(tài)釬料內(nèi)部不能產(chǎn)生負的壓力，也就產(chǎn)生不了空化作用，不能實現(xiàn)無釬劑釬焊。而當激光調(diào)制頻率超過12kHz 時，只有激光斑點直接加熱處的溫度上升和下降過程可以跟隨激光的變化，在微小的區(qū)域內(nèi)發(fā)生急劇的膨脹和收縮，而周圍的金屬保持恒定的溫度，并且對中心的膨脹和收縮產(chǎn)生拘束作用，使中心微小區(qū)域成為振動源。該振動的波長由于小于釬料液滴的尺寸，在液滴內(nèi)部產(chǎn)生負的壓力，空化作用也隨之發(fā)生，實現(xiàn)了無釬劑釬焊。 圖5 不同激光調(diào)制頻率時釬料內(nèi)部的溫度變化過程 圖6 釬料-焊盤界面上的壓力變化超聲激光無釬劑軟釬焊方法具備很多優(yōu)點，例如在開敞環(huán)境下完成，不需要真空容器；超聲和加熱只作用在被焊點上，對元器件無加熱作用也無超聲作用。 4 超聲/無釬劑釬焊方法的實驗結(jié)果 由高頻調(diào)制激光激勵產(chǎn)生的超聲去膜效果通過實際實驗得到驗證。圖7是在銅焊盤上進行試驗的結(jié)果。在連續(xù)激光或者激光調(diào)制頻率小于12kHz 時，沒有空化作用或者作用很小，表面氧化膜不能被破碎，釬料熔化后仍然保持球形，在銅焊盤上不潤濕和鋪展。當調(diào)制頻率達到20kHz 或以上時，超聲空化作用非常顯著，氧化膜被破碎，釬料得以良好地潤濕和鋪展，與焊盤形成良好的連接。兩個試驗中激光能量相等。 圖7 無釬劑釬焊的試驗結(jié)果 (a) 調(diào)制頻率小于12kHz (b) 調(diào)制頻率等于20kHz圖8的試驗結(jié)果證實了當清洗后的銅焊盤自然氧化3 天、甚至5 天后，激光超聲仍 然具有足夠的去膜作用。 圖8 焊盤長時間氧化后無釬劑釬焊的試驗結(jié)果這一技術已經(jīng)取得國家發(fā)明專利，專利授權號：ZL 00 1 29114.9，授權日期：2004 年2月25 日。