你了解激光焊接金屬間化合物的演變嗎-深圳福英達
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隨著后摩爾時代的到來，電子元器件逐漸向小型化，結構復雜化，功能集成化方向發展。激光焊接以其非接觸，選擇性局部加熱和高精度的獨特優勢而成為改進焊接工藝的寵兒。可以知道的是激光焊接可以解決傳統回流焊中精度難以提高，小批量生產成本高的問題。由于金屬間化合物對焊點可靠性起到至關重要影響，因此研究者們急于發現激光焊接對焊點金屬間化合物演變的影響。
實驗設計
為了了解激光焊接對IMC形態的影響，Zhao等人（2023）使用0.64 mm直徑的SAC305焊線進行激光焊接實驗。測試所用的Cu焊盤直徑為3mm，厚度為35μm。測試的焊接系統由半導體激光器（λ=915nm），紅外溫度計，CCD同軸定位系統，送絲裝置（送絲角度45°）和X-Y-Z定位平臺組成。激光焊接利用激光能量（15.3-24.3W）將SAC305焊線熔化并使其在焊盤上擴散。
圖1. 實驗儀器和測試方法。(a)激光焊接系統；(b)焊接過程；(c)焊點外觀；(d)焊點潤濕角；（d）IMC輪廓。
實驗結果
可以發現當激光功率為15.3W時無法形成焊點。當激光功率增加到17.1W時才形成小焊點。當激光功率較低時，熱輸入較低，焊料吸收的能量未能超過克服表面張力的能量閾值。因此，焊料球需要很長時間才能克服表面張力并擴散到周圍。隨著激光功率的增加，焊點的潤濕面積增加。然而，當激光功率過高時（24.3W）時，焊點開始燃燒變色且潤濕面積迅速減小。通過實驗發現當激光功率為22.5W時，焊點的潤濕性最佳，潤濕面積百分比和潤濕角分別約為96.5%和34.4°。
圖2. 焊點潤濕角。
采用不同激光功率（P）會對IMC產生不同影響。例如，當激光功率為17.1W時，IMC屬于穩定階段，厚度非常薄。在功率進一步提高后IMC開始呈現針狀晶體。此外，隨著激光功率增加到24.3W，針狀IMC大量生長到焊料中，其寬度和長度分別為5.06μm和32.30μm。
圖3. 焊點IMC微觀結構。(a)P=17.1W；(2)P=20.8W；(c)P=22.5W；(d)P=24.3W。
通過觀察激光功率所對應的IMC厚度可以發現，IMC厚度隨著功率增加而呈階梯狀增長，且和焊料內部最高溫度密切相關。在穩定階段時，由于IMCs反應生長的活化能低于擴散生長的活化能，因此能量主要用于IMCs水平方向的生長。 與此同時，已經形成IMC的區域增長緩慢，導致IMC厚度變化慢。同時，由于輸入能量主要用于焊料的擴散和金屬間化合物的形成，因此熔池溫度隨著激光功率的增加而緩慢升高。
圖4. 激光功率與IMC厚度和焊料溫度的階梯關系。
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參考文獻
Zhao, S.N., Gong, M.C, Jiang, L.H.G, Cen, L. & Gao, M. (2023). Step phenomenon of intermetallic compounds thickness during laser soldering dependence on laser power. Journal of Manufacturing Processes, vol.107.
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