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7. 微连接质量的实时检测与控制
由于微连接的焊点非常的微小，同时焊点可能处于被加热电极、被连接等遮挡，传感器或者难以到达、或者对连接过程产生影响，而使得连接的质量的实时检测与控制变的很困难。这里介绍了两种微连接焊点质量的检测与控制方法。
7.1 基于红外传感的微连接质量的实时检测与控制方法
利用激光软钎焊系统中的焊点温度检测单元可以实现激光软钎焊质量的实时检测及控制。第1.2节中的图1-2、图1-3和图1-4分别显示了温度检测单元的结构、检测到的红外温度曲线和相对应的利用高速摄影得到的焊点形成过程。
在钎料熔化、积聚、铺展和向元件端部爬升几个阶段，温度曲线上出现拐点，利用这些拐点就可以判断出焊接过程发展的程度并加以控制，使其按正确的方式进行。为了提高信号处理的速度，利用微分电路检测拐点，然后输入计算机，计算机只需要进行逻辑判断，进行质量控制。
系统可以实现以下缺陷的识别与控制：
焊点烧毁
激光功率过高(21W以下除特殊指出外均为14W)、加热时间过长、光斑偏离或者钎料量过少都有可能造成焊点的烧毁。焊点烧毁的红外信号及其微分变换信号如图7-1(a)所示。当焊点即将发生烧毁之前，红外信号突然上升，幅值很快超过5V，采集到的信号达到饱和，微分信号也急剧下降，低于－5V而饱和。
无钎料
如果发生了钎料漏印，则激光将直接照射到焊盘上。这种情况是决不允许的，焊接时必须予以剔除、标识，以便进行返工。图7-1 (b,c)是激光直接照射到焊盘上的红外信号及其微分信号曲线，其中(b)是未镀钎料的铜焊盘，(c)是预镀SnPb钎料的铜焊盘。由于铜及钎料的吸收率和发射率都远远低于焊膏的吸收率和发射率，且热量迅速散失到基板，所以不论有无预镀钎料的焊盘，激光直接加热时，初期红外信号的上升都非常缓慢，在200ms之前幅值很低(低于0.08V)，此后温度平稳地上升，红外信号幅值较低，斜率没有大的变化。
激光照射到基板上
如果定位错误或者其它原因使激光直接照射到基板上时，其红外信号及微分信号如图7-1 (d)所示。红外信号与激光直接照射到焊盘上的情况类似，但红外信号幅值稍低一些，在200ms时在0.03V以下。
激光照射到元件上
当贴片失误或定位错误时，激光光斑可能照射到元件上。这种情况可能造成元件的损伤或破坏，应当在激光加热的初期予以识别，并停止加热。激光光斑照射到片式元件上表面时，图7-1 (e)是其红外信号及微分信号。片式元件的基体为导热性能良好的陶瓷材料，加热过程开始时温度上升缓慢，但元件表面绝缘漆层对YAG激光的吸收率及2-7mm波段辐射率均很高，200ms时红外信号幅值比激光直接照射到基板上时高。
激光光斑偏离
采用同样的激光功率和焊接时间，不同的加热位置进行实验，发现：激光加热位置为激光光斑中心偏离元件的金属化端0.1－0.2mm时，加热时间较短，接头质量容易保证，而激光斑点偏离时，给定加热规范的开环焊接方法很难获得良好焊点。图7-1 (f)、(g)分别为激光光斑偏向及偏离元件时的红外信号及微分信号，其中微分信号没有识别到钎料在元件上的润湿，所对应的两个焊点都没有焊上。
不润湿
焊盘严重氧化或受污染时容易产生不润湿，焊点热输入不足(激光功率11W)也可以产生不润湿缺陷。典型红外信号及微分信号如图7-1 (h)所示，显然，微分信号没有识别到钎料在元件上的润湿过程。焊盘氧化或污染造成的缺陷必需在钎焊时及时检测出来加以标识，而焊点热输入不足时及时改变激光功率或者追加焊接时间仍可以获得合格接头。
钎料量过少
激光软钎焊中，如果钎料量过少，在焊接时容易过热而烧坏基板，而且很难形成接头，即使形成了接头，接头形态和内部质量也不能满足高可靠性的要求。钎料量很少时，其红外信号及微分信号如图7-1 (i)所示，此时焊盘边缘的基板有过烧现象。在激光加热的初期，尽管钎料量很少，但200ms时红外信号幅值与钎料量正常时相差无几。但是，随着激光的继续加热，红外信号斜率突然增大，而微分信号上难以识别钎料熔化及润湿过程。在微分信号上还常有钎料熔化时刻提前的现象。
图7-1 不同干扰状态下焊点表面的红外信号(1)和其微分(2)
钎料量过多
表面组装软钎焊焊点允许的钎料量范围较宽，钎料量极多的情况一般很少出现。钎料量较多时的红外信号及微分信号曲线如图7-1(j)所示，从图上可以看出，在钎料熔化及润湿焊盘以前，红外信号与正常钎料量时的红外信号没有明显的区别，但当熔融钎料润湿焊盘进入过热区以后，红外信号的上升速度减慢，体现出钎料量较多的特征。采用图中所示的钎焊规范未形成接头，但只要提高激光功率或延长加热时间，仍可以形成合格的软钎焊接头。
7.2 基于材料热电势温度自传感的微连接质量的实时检测与控制方法
不论是钎焊还是固相焊过程，对于连接质量起关键作用的是界面温度，而红外测温方法只能测量材料的表面温度。对于激光钎焊，由于加热速度很快，材料的表面温度和界面温度存在很大温差，如前面图7-2、图7-3所示。
在微电子器件封装和组装的互连中，涉及到的多数为异种材料之间的连接，根据物理学的原理，当异种材料相互接触时，若两个接触端存在温度差异，则接触端之间将产生电势-热电势，其大小与温度成正比。根据这一原理，如果可以测量连接材料之间在焊接过程中产生的热电势，就可以监测其界面温度，进一步还可以监测其质量。
这一方法的特点是无须传感器，克服了传感器或者需要接触或者由于阻挡而无法到达监测点的困难。由于利用了被连接材料本身，可以称为温度自传感方法。已经成功地应用于激光软钎焊的质量实时监测和微电阻焊的质量实时监测。
7.2.1 激光软钎焊温度自传感质量的实时监测
图7-2是应用于厚膜电路封装激光软钎焊质量实时监测的实验方法示意。
图7-2 激光软钎焊连接界面温度测量方法
其中，厚膜焊盘的材料为Ag/Pd导体，引线材料为Cu合金，基板为Al2O3陶瓷。为提高测量的精确性，探针的材料选择与厚膜导体接近的Ag合金，且距离焊点较远。在之前，对厚膜-引线之间热电势与温度的关系进行试验测定，确认为线形。
图7-3是测量得到的焊点界面的热电势曲线
图7-3 激光软钎焊过程中焊点界面上的热电势测量曲线
图中曲线有一个特点：在激光加热的初期，热电势(温度)急剧上升，然后下降再缓慢上升。这与钎料膏熔化前后，引线、焊盘与钎料膏的接触程度发生了变化有关。在钎料熔化前，其成分为合金粉末与有机钎剂的混合体，合金粉末与引线、焊盘的接触程度差，而且有机钎剂的导热性差，因此热量的散失困难，导致引线温度急剧上升。当钎料熔化后，与引线、焊盘的接触变得良好，而且其中的钎剂溶剂挥发，热量随熔化的钎料、焊盘散失量增加，温度又急剧下降。以后，引线、钎料和焊盘以及基板构成一体，界面温度按输入热量和一体化的焊点的散热之间的平衡关系上升。
图7-4是图7-3中尖峰部分的放大，在图上各点所对应的时间，将焊接过程停止，得到图7-5的结果，其中下方的4个图是对应上方4个图去掉引线后焊盘上的结果。试验结果证实了以上分析的正确性。
图7-4 激光软钎焊热电势曲线上的几个特征点
(a) 0.05s (b) 0.083s (c) 0.1s (d) 0.2s
图7-5 对应图78各特征点钎料熔化及引线、焊盘的接触、连接状态
输入热量越大，结合界面的温度越高，相应地被加热到钎料熔点以上温度的面积越大，钎料的铺展面积也越大；同时，加热时间越长，温度也扩散地越远。可以想象，温度曲线上在钎料熔点以上的温度对时间的积分应该与实际的结合面积在一定的范围内有正比的关系。图7-6的试验结果证明这种关系是存在的，这为质量的实时监测和控制奠定了基础。
图7-6 激光软钎焊的结合面积与界面热电势积分值的关系
7.2.2 微电阻焊温度自传感质量的实时监测
在厚膜电路、薄膜电路及一些传感器封装时需要将电极引线焊接到基板的焊盘上，在许多场合采用电阻焊如平行间隙电极等方法。由于焊点在电极之下，无法采用红外传感器或图象传感器探测焊点的温度，此时可以采用材料温度自传感方法检测焊点的温度以及焊接质量。图7-7是一个薄膜传感器封装的例子。传感器的引出焊盘材料是NiCr合金，引线材料是Ni。在焊接加热时，两种材料之间也存在着热电动势，试验结果如图7-8所示。
图7-7 薄膜传感器引线焊接温度自传感方法示意图
图7-9是在不同焊接电流得到的连接强度与界面热电势的关系。焊接电流增大，热输入增加，导致温度升高，材料之间的扩散增强，接头强度提高；但热输入过大时，会造成引线的熔化甚至烧毁，接头强度反而下降。见图7-9中接头外观照片所显示的各种情况。根据这种关系，不难进行质量的实时监测以及控制。
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王春青 李明雨<|||>
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哈尔滨工业大学<|||>
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2005-5-19 |
