由于金屬表面存在著氧化膜，阻礙釬料在其上的潤(rùn)濕與鋪展，所以在釬焊時(shí)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?jiān)哂懈g性，會(huì)造成導(dǎo)體的斷路；釬劑中的氯離子會(huì)造成導(dǎo)體間的短路，特別是對(duì)于細(xì)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?yàn)榭赡茉斐晌廴荆蛘哂捎诮Y(jié)構(gòu)的限制無法清洗。此時(shí)，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(shù) 無釬劑釬焊的實(shí)現(xiàn)需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：在釬焊過程中去除氧化膜和防止再氧化。對(duì)于后一問題，可以采用真空保護(hù)、氣體保護(hù)等方法。真空保護(hù)由于要有真空室和抽真空的過程，設(shè)備復(fù)雜而且成本高；而采用噴嘴惰性氣體保護(hù)適合于連續(xù)的生產(chǎn)線應(yīng)用。氧化膜的非釬劑去除方法文獻(xiàn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)無釬劑釬焊。熔融的釬料同時(shí)起到保護(hù)表面不再氧化的作用，圖1(a)。這種方法的缺點(diǎn)是超聲振動(dòng)的功率大，超聲不僅作用在待焊點(diǎn)上也同時(shí)作用在所有的元件和PCB 上，可能對(duì)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(hù)再流焊 (d) 氬原子照射去膜圖1 (b)采用氮?dú)鈱?duì)焊點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，防止在加熱過程中的氧化。在焊盤和器件引線上預(yù) 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(dòng)和加壓力作用而破碎，熔融的釬料相互融合實(shí)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?dú)庵屑尤?%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(yīng)，置換出純凈的金屬，使釬料得以在焊盤上潤(rùn)濕。氫氣實(shí)際上相當(dāng)于氣體釬劑。氫氣的加入帶來了危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)于短時(shí)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(diǎn)和焊盤表面的氧化膜和其他污染，然后立即進(jìn)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(diǎn)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(dòng)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(shè)備原理 圖3 超聲/激光無釬劑釬焊時(shí)焊點(diǎn)上的溫度變化曲線示意波動(dòng)的溫度會(huì)使釬料發(fā)生膨脹和收縮，激發(fā)出機(jī)械振動(dòng)。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(rùn)濕鋪展，即可實(shí)現(xiàn)無釬劑的釬焊。為了防止焊點(diǎn)的再氧化，采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。這種方法稱為超聲/激光無釬劑軟釬焊。 3 產(chǎn)生超聲振動(dòng)和空化作用的條件 測(cè)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(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)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(lì)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)測(cè)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(fù)變化。但是，如圖5和圖6所示，當(dāng)激勵(lì)頻率較低時(shí)，激光的加熱可以使整個(gè)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(shí)在液態(tài)釬料內(nèi)部不能產(chǎn)生負(fù)的壓力，也就產(chǎn)生不了空化作用，不能實(shí)現(xiàn)無釬劑釬焊。而當(dāng)激光調(diào)制頻率超過12kHz 時(shí)，只有激光斑點(diǎn)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(duì)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(dòng)源。該振動(dòng)的波長(zhǎng)由于小于釬料液滴的尺寸，在液滴內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)的壓力，空化作用也隨之發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了無釬劑釬焊。 圖5 不同激光調(diào)制頻率時(shí)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(diǎn)，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(diǎn)上，對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 由高頻調(diào)制激光激勵(lì)產(chǎn)生的超聲去膜效果通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。圖7是在銅焊盤上進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果。在連續(xù)激光或者激光調(diào)制頻率小于12kHz 時(shí)，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(rùn)濕和鋪展。當(dāng)調(diào)制頻率達(dá)到20kHz 或以上時(shí)，超聲空化作用非常顯著，氧化膜被破碎，釬料得以良好地潤(rùn)濕和鋪展，與焊盤形成良好的連接。兩個(gè)試驗(yàn)中激光能量相等。 圖7 無釬劑釬焊的試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果證實(shí)了當(dāng)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(zhǎng)時(shí)間氧化后無釬劑釬焊的試驗(yàn)結(jié)果這一技術(shù)已經(jīng)取得國(guó)家發(fā)明專利，專利授權(quán)號(hào)：ZL 00 1 29114.9，授權(quán)日期：2004 年2月25 日。