镀镍覆铜基板激光阻焊工艺特性

2021-11-15张军叶晓飞吕晓云席亚莉黄栋李晔

焊接 2021年8期

张军，叶晓飞，吕晓云，席亚莉，黄栋，李晔

(西安微电子技术研究所，西安 710129)

0 前言

DBC基板由于具有优良的电绝缘性能、高导热性能及大载流能力，成为大功率电力电子电路互联技术的基础材料[1]。目前大功率混合集成电路普遍使用DBC作为功率器件焊接和载流基板，但DBC上的焊盘无法像厚膜基片一样进行细间距精确隔离，只能通过增大元器件间距避免元器件焊点互联。一方面降低了元器件组装密度；另一方面，增大了组装难度，容易出现焊锡桥连，导致元器件偏移、旋转，并增大焊点应力，影响产品的可靠性。

传统的阻焊方式是将阻焊油墨通过丝网印刷、凹板印刷及喷墨打印涂布至电路板或者DBC基板上，经过一定的固化处理，形成一层阻焊膜，在后续焊接过程中起到阻焊作用[2]。但该方法流程复杂，且受限于线条宽度，不能满足DBC基板上高密度组装的需求。文中提出了采用激光刻蚀方法形成极细间距的阻焊区域，系统地分析了激光阻焊机理，采用正交试验法对激光阻焊参数进行了优化，得到了镀镍覆铜基板上激光阻焊的最优参数和方法。

1 激光阻焊机理

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属和非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术[3]。目前激光加工技术包括：激光切割技术(汽化切割、熔化切割等)、激光热处理技术、激光打孔技术、激光熔覆技术及激光快速成形技术等。其基本原理是利用脉冲激光束聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量的光斑，瞬间高温熔化或气化被加工材料，控制激光脉冲能量和激光头连续运动打点，就可以实现多种激光加工[4]，如图1所示。

图1 激光扫描路径示意图

1.1 激光刻蚀阻焊形貌

选取镀镍覆铜基板作为待阻焊样品，在初步激光参数(脉冲电流为13 A、频率为2 000 Hz、步距为0.1)下进行刻蚀，在高倍显微镜及扫描电镜下对刻蚀后界面进行观察，刻蚀后形貌及截面如图2所示，可以看出，镀镍覆铜基板表面镍层经过激光刻蚀作用后，出现一条U形刻痕，刻痕宽度和深度与激光参数相关[5-9]，在扫描电镜下可以看出，镍层在激光作用下出现熔化后向周边溢出，在连续激光作用下，形成一道波浪式刻痕。

图2 DBC镍层表面经激光作用后形貌

1.2 激光刻蚀阻焊效果

通过U形刻痕截面图可以看出，刻痕两侧镍层溢出，在竖直方向高于原始平面，形成物理阻挡面，理论上焊锡需要较大表面张力才可跨过；在镀镍覆铜基板表面设计网格状刻蚀图形，并在整个阻焊区域涂覆焊膏，回流焊后效果如图3所示；可以看出，激光刻蚀网格经过焊接后，焊锡在阻焊网格内均匀堆积，网格轮廓清晰，阻焊效果明显。

图3 激光阻焊网格

在高倍显微镜下对样品界面进行分析，如图4所示，可以清晰地看出焊锡、镍层、铜层以及陶瓷界面，通过测量阻焊区两侧焊锡间距，焊锡间距大于激光刻蚀的沟壑宽度，说明激光阻焊沟壑两侧存在一定热影响区，该热影响区镍在激光高温影响下迅速氧化，焊锡在氧化层不浸润[10-14]，因此可以起到阻焊效果。

图4 阻焊线条横截面

2 阻焊参数优化

2.1 激光阻焊工艺参数

影响激光刻蚀形貌参数包括脉冲电流、调制频率、扫描速度及步距，其中脉冲电流决定了焦点光斑直径，调制频率决定了每秒光斑数量，步距影响每个光斑位置上重叠的激光次数[15-17]。

2.2 激光参数正交试验

使用田口试验设计以步距、调制频率和脉冲电流为自变量设计3因素5水平试验，试验自变量因素编码及水平见表1。

表1 田口试验因素和水平

该次试验共有42组试验点，其中40个为析因点，2个零点用于误差估计，每组参数下进行12次重复试验，对刻蚀宽度及效果进行测量和评价，试验设计与结果见表2，图5为不同参数下激光刻蚀效果照片。

表2 激光阻焊田口试验表

图5 不同参数下刻蚀效果

通过评分方式对不同参数下阻焊效果进行量化，使用软件分析各个参数对阻焊效果及阻焊宽度的影响，如图6所示。从图6中可以看出，在所选的参数范围内，步距对阻焊效果的影响呈抛物线状，即靠近中间段阻焊效果较好；阻焊效果随调制频率的增加呈先上升后降低的走势；脉冲电流越大，考虑到漏铜对外观的影响，阻焊效果越差；步距和脉冲电流对阻焊宽度呈正比例影响，调制频率对阻焊宽度影响并无明显规律，结合阻焊效果可以给出推荐参数：步距0.4，调制频率5.0 kHz，脉冲电流14 A。