你了解激光焊接金属间化合物的演变吗-深圳福英达
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随着后摩尔时代的到来，电子元器件逐渐向小型化，结构复杂化，功能集成化方向发展。激光焊接以其非接触，选择性局部加热和高精度的独特优势而成为改进焊接工艺的宠儿。可以知道的是激光焊接可以解决传统回流焊中精度难以提高，小批量生产成本高的问题。由于金属间化合物对焊点可靠性起到至关重要影响，因此研究者们急于发现激光焊接对焊点金属间化合物演变的影响。
实验设计
为了了解激光焊接对IMC形态的影响，Zhao等人（2023）使用0.64 mm直径的SAC305焊线进行激光焊接实验。测试所用的Cu焊盘直径为3mm，厚度为35μm。测试的焊接系统由半导体激光器（λ=915nm），红外温度计，CCD同轴定位系统，送丝装置（送丝角度45°）和X-Y-Z定位平台组成。激光焊接利用激光能量（15.3-24.3W）将SAC305焊线熔化并使其在焊盘上扩散。
图1. 实验仪器和测试方法。(a)激光焊接系统；(b)焊接过程；(c)焊点外观；(d)焊点润湿角；（d）IMC轮廓。
实验结果
可以发现当激光功率为15.3W时无法形成焊点。当激光功率增加到17.1W时才形成小焊点。当激光功率较低时，热输入较低，焊料吸收的能量未能超过克服表面张力的能量阈值。因此，焊料球需要很长时间才能克服表面张力并扩散到周围。随着激光功率的增加，焊点的润湿面积增加。然而，当激光功率过高时（24.3W）时，焊点开始燃烧变色且润湿面积迅速减小。通过实验发现当激光功率为22.5W时，焊点的润湿性最佳，润湿面积百分比和润湿角分别约为96.5%和34.4°。
图2. 焊点润湿角。
采用不同激光功率（P）会对IMC产生不同影响。例如，当激光功率为17.1W时，IMC属于稳定阶段，厚度非常薄。在功率进一步提高后IMC开始呈现针状晶体。此外，随着激光功率增加到24.3W，针状IMC大量生长到焊料中，其宽度和长度分别为5.06μm和32.30μm。
图3. 焊点IMC微观结构。(a)P=17.1W；(2)P=20.8W；(c)P=22.5W；(d)P=24.3W。
通过观察激光功率所对应的IMC厚度可以发现，IMC厚度随着功率增加而呈阶梯状增长，且和焊料内部最高温度密切相关。在稳定阶段时，由于IMCs反应生长的活化能低于扩散生长的活化能，因此能量主要用于IMCs水平方向的生长。 与此同时，已经形成IMC的区域增长缓慢，导致IMC厚度变化慢。同时，由于输入能量主要用于焊料的扩散和金属间化合物的形成，因此熔池温度随着激光功率的增加而缓慢升高。
图4. 激光功率与IMC厚度和焊料温度的阶梯关系。
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参考文献
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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