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大功率激光二极管无 助焊剂 烧焊技术

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ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—３５３ｘ．２００９．０５．０１８　

大功率激光二极管无助焊剂烧焊技术　技术专栏　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｕｍｎ　

徐会武，安振峰，闫立华　

（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄０５００５１）　

摘要：烧焊质量对大功率激光二极管的可靠性及寿命影响很大。为获得良好的烧焊质量通常　在烧焊过程中使用助焊剂，但是助焊剂残留物会因腐蚀作用对激光二极管的性能及寿命产生不利　影响。对蚁酸气体保护下的激光二极管无助焊剂烧焊技术进行了研究，介绍了几种去除焊料表面　

氧化层的方法，重点对蚁酸气体保护的烧焊进行了原理分析，并结合实际经验给出了合适的工艺　曲线，利用此曲线烧焊出一定数量的样品，与氢气保护烧焊的器件进行了相关参数比较，证实了　

蚁酸保护烧焊在焊料的浸润性、器件的热阻及剪切力方面具有明显优势。　关键词：蚁酸；激光二极管；应力；可靠性；烧焊；助焊剂　中图分类号：ＴＮ３６４．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３．３５３Ｘ（２００９）０５．０４６３．０４　

Ｆｌｕｘｌｅｓｓ　Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　

Ｘｕ　Ｈｕｉｗｕ，Ａｎ　Ｚｈｅｎｆｅｎｇ，Ｙａｎ　Ｌｉｈｕａ　

（Ｔｈｅ　１３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００５１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆａｃｔｏｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ．Ｔｏ　

ｏｂｔａｉｎ　ｇｏｏｄ　ｓｏｌｄｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｆｌｕｘ　ｉｓ　ｏｆｔｅｎ　ｕｓｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｆｌｕｘ　ｒｅｓｉｄｕｅ　ｗｏｕｌｄ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ　ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｅｔｃｈｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ．Ａ　ｆｌｕｘｌｅｓｓ　ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ　

ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｃ　ａｃｉｄ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｕｐｏｎ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｉｎｄｉｕｍ　ｓｏｌｄｅｒ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｕｓｉｎｇ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｃ　ａｃｉｄ，ａｎｄ　ａ　ｐｒｏｐｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｕｒｖｅ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｒｍａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｄｉｅ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｔｈａｔ　

ｔｈｅ　ｍｓｕｌｔｓ　ｆｒｏｍ　ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｃ　ａｃｉｄ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｆｒｏｍ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｏｒｍｉｃ　ａｃｉｄ；ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ；ｓｔｒｅｓｓ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ；ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　ｆｌｕｘ　

ＥＥＡＣＣ：４２６０Ｄ　

０　引言　

无论在军事上还是民用上，大功率激光二极管　都显示出了强劲的应用势头，但目前从国内形势　看，离激光二极管的真正实用化还有一定距离。主　要体现在激光二极管的寿命及可靠性问题仍未得到　

妥善解决，决定激光二极管寿命及可靠性的两个关　键点就是芯片技术及封装技术，而封装技术尤其是　

芯片的烧焊水平对大功率激光二极管的器件特性及　长期可靠性起着至关重要的作用。标志芯片烧焊水　平的一个关键参数是激光二极管的热阻，因此如何　有效地降低器件热阻是技术人员研究努力的方向，　影响芯片烧焊质量的因素有很多，包括芯片载体表　

Ｍａｙ　２００９　面的洁净度、载体表面的粗糙度、芯片表面金属化　

体系的设计及金属化工艺水平、焊料纯度及粗糙　度、焊料氧化层的去除及烧焊工艺曲线的控制等。　诸多因素中，最为复杂也是最难于实现的是烧焊过　

程中如何保证去除焊料层表面的氧化层，从而达到　焊料与芯片以及载体的浸润状态。本文正是以此为　出发点，介绍了一种无助焊剂烧焊方式——ＦＡｃ　

（ｆｏｒｍｉｃ　ａｃｉｄ）即蚁酸气体保护烧焊，详细介绍了其　

原理及烧焊过程，并和Ｈ２保护烧焊后的器件进行　了参数比较，通过对热阻、剪切力、早期老化的对　比，发现蚁酸气体保护烧焊得到的结果要优于氢气　

保护烧焊。　

Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌ

ｏｇｙ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．５　４６３　徐会武等：大功率激光二极管无助焊剂烧焊技术　

１　焊料氧化层去除方法　

出于散热要求及材料的成本考虑，大功率激光　二极管用载体材料通常为无氧铜（热导率为　

４００　Ｗ／ｍ・Ｋ），但由于无氧铜与芯片材料ＧａＡｓ之间　的热膨胀系数相差甚大（Ｃｕ为１７．８×１０　／℃，而　ＧａＡｓ为５．６×１０　／℃），造成在烧焊过程中对芯片　

产生较大的热应力，从而导致功率及光谱的变化，　严重时会导致芯片断裂，为缓冲热膨胀系数不同造　

成的热应力，通常选择延展性好的Ｉｎ焊料作为应　力释放层。不过Ｉｎ焊料极易氧化，无论是焊料蒸　

发过程中还是烧焊过程中，都会产生不同程度的氧　化，Ｉｎ容易形成稳定的氧化物Ｉｎ２０　，其熔点为　８５０℃Ｌ１　Ｊ，普通烧焊温度下不会熔化，如果这层氧　化层不去除，焊料和芯片之间不能形成较好的浸润　

状态，就会严重影响器件焊接强度及热阻。下面介　绍几种常用的去除焊料氧化层的方法。　１．１盐酸预处理　在芯片烧焊以前，用一定浓度的盐酸对焊料表　面进行漂洗，利用盐酸溶液中Ｈ　的还原性将氧化　

层去除，这种方法处理起来较为简单，但是进一步　去除盐酸比较困难，处理程序复杂，导致在处理过　程中再次造成Ｉｎ焊料氧化，且容易造成酸液及其　

他残留，从实用的角度该处理方法不推荐使用。　１．２蚁酸溶液还原　在载体焊料处滴上一定量的蚁酸溶液，在烧焊　

过程中起到还原作用，剩余的蚁酸溶液在一定温度　下蒸发掉，蚁酸具有较强的还原能力，可以去除很　厚的氧化层，但理论上Ｉｎ表面的氧化层很薄，约　几个纳米　Ｊ，因此该种方法很容易导致蚁酸溶液的　

残留，另外低温下蚁酸不容易挥发，且蚁酸对Ｉｎ　焊料具有溶解能力，烧焊过程中残留的蚁酸覆盖的　

地方会导致焊接空洞的产生，如图１所示。虽然可　

图１　ＳＥＭ扫描的蚁酸残留形貌　Ｆｉｇ．１　Ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｃ　ａｃｉｄ　ｒｅｓｉｄｕｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｂｙ　ＳＥＭ　

４６４半导体技术第３４卷第５期　以通过在去氧化过程中用Ｎ，吹的方式将蚁酸残留　降至最小，但这样的工艺并非一个稳定的工艺，因　

此该法的实用性也不强。　１．３　Ａｒ／Ｈ等离子清洗　

在烧焊过程中辅以离子洗工艺，有些利用氩氢　

混和气，在等离子装置的辅助作用下得到Ｈ离子，　从而起到去氧化层的目的，不过Ｈ离子自身再次　

结合成为分子的速度非常快，因此就要求通入的气　体要保持一定的流速，在Ｈ离子再次结合以前使　

其达到焊料表面并还原掉氧化层，另外在整个烧焊　

过程中采用了Ｎ　保护气氛以驱逐烧焊腔体内的空　气，这样Ｎ’的流动就对Ｈ离子产生了扰动，因此　这种方法得到的结果并不理想。　

１．４蚁酸气体还原　

前面说过，蚁酸具有很强的还原性，在使用时　浓度不宜太高，因此考虑可以用Ｎ，携带蚁酸气体　

对氧化层进行还原，而且由于蚁酸不易分解，烧焊　过程中不会污染激光器腔面，从实验结果来看，此　

方法切实可行，本文正是基于此方法开展了研究。　

２蚁酸保护烧焊原理及实验　

２．１　蚁酸保护烧焊原理　在Ｈ２保护烧结炉中，低温下烧焊（＜３００℃），　

Ｈ：主要作用是作为保护气体存在的，它的作用是　

抑制Ｉｎ焊料在升温时继续氧化，并不具备还原性，　从实验验证的结果看，Ｈ２在＞３５０℃时表现出了良　

好的还原性，低于此温度时，其活性不能得到发　挥。　

而蚁酸保护烧焊过程中，据文献报道蚁酸的活　性表现于两个温度阶段，其还原机理是这样的：当　

温度为１５０～２００℃时，蚁酸和焊料层中的氧化物　反应生成一种化合物，在温度高于２００　ｃＣ后，该化　

合物分解成ＣＯ２和Ｈ２。具体过程如下　ＭｅＯ＋２ＨＣＯＯＨ＝Ｍｅ（ＣＯＯＨ）２＋　

Ｈ２０（０＞１５０℃）　（１）　

Ｍｅ（ＣＯＯＨ）２：Ｍｅ＋ＣＯｚ＋Ｈ２（　＞２００℃）　（２）　Ｈ，＋ＭｅＯ＝Ｍｅ＋Ｈ２０（　＞２００℃）　（３）　

式中Ｍｅ指金属，在这里即为Ｉｎ，实验中的温度曲　

线与文献报道的温度点基本吻合。　２．２　实验过程　利用Ｃ，ｍｏｕｎｔ载体（图２）进行实验，Ｉｎ焊料　

２００９年５月　徐会武等：大功率激光二极管无助焊剂烧焊技术　

舅舅一　

（ａ）　保护下腔面焊　料浸润状态　（ｂ）蚁酸气体保护下的　腔面焊料浸润状态　

图６腔面浸润程度比较　Ｆｉｇ．６　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｍｅｈｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ｏｎ　ｆａｃｅｌ　图５（ａ）为Ｈ２保护下Ｉｎ焊料熔化状态，由于　

氧化层的缘故，焊料表层未呈现出全部熔化状态，　

图５（ｂ）为蚁酸气体保护下的Ｉｎ焊料熔化状态，　

可以看出，经过蚁酸气体的还原作用，整个焊料表　

面呈现非常一致的明亮的液态，差距非常明显。　

图６（ａ）为Ｈ’保护下腔面焊料浸润状态，可　

以看出，虽然芯片金属化表面均已沾上Ｉｎ焊料，　

但明显存在焊接缝隙；图６（ｂ）为蚁酸气体保护　

下腔面焊料浸润非常饱满，对大功率激光二极管来　

说，腔面处散热效果对其寿命的影响非常明显，因　

此腔面处焊料的饱满状态非常重要。　

２．３．２参数测试对比　

参数测试对比数据见表１。表中：　为波长；　

Ｐ】为峰值功率；Ｐ２为经２　ｈ老化后的功率；Ｆ为剪　

切力。　表１　同批次芯片烧焊后测试参数的比较　

Ｔａｂ．１　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｂａｔｃｈ　ｄｉｅ　ａｆｔｅｒ　ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ　

／ｎｍ　Ｐ１／ｒｏＷ　Ｐ　／ｍＷ　Ｆ／ｇ　

Ｈ２　ＦＡＣ　Ｈ２　ＦＡＣ　Ｈ２　ＦＡＣ　Ｈ２　ＦＡＣ　编号　保护　保护　保护　保护　保护　保护　保护　保护　

１　８０ｏ．４　７９８．２　１　Ｏ６８　１　０５１　１　０３０　１　Ｏ５０　１　２７５　２　７４５　

２　７９９．９　７９８．１　ｌ　Ｏ４２　１　Ｏ２２　ｌ　ｏｏ５　ｌ　ｏｏ９　１　６７５　２　８１８　

３　８００．５　７９７．９　１　０１５　９９６　８５２　９７７　１　５４９　２　２６５　

４　８０１．４　７９７．６　１　０１８　９８８　９９８　９７８　１　７１７　２　２５７　

５　８０ｏ．１　７９９．０　１　Ｏ４１　９３５　ｌ　００３　８９０　ｌ　４６２　２　０７４　

主要从波长、２　ｈ老化后功率下降百分比、剪　

切力三个指标进行了对比，从波长参数来看蚁酸保　

护烧焊和Ｈ２保护烧焊分别得到的单管平均波长为：　

７９８．２　ｎｍ和８００．５　ｌｌｍ，对作者研制的８００　ｌｌｍ的材料　而言，波长漂移系数为０．２４　ｎｍ／￣Ｃ，相同条件下，　

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激光焊接技巧和方法

激光焊接技巧和方法

激光焊接技巧和方法

Laser welding is a highly specialized form of welding that utilizes a

concentrated beam of light to join metal components together. This

process offers many advantages over traditional welding techniques,

including higher precision, minimal heat distortion, and the ability to

work with a wide range of materials. 激光焊接是一种高度专业化的焊接形式，利用集中的光束将金属组件连接在一起。这个过程相对于传统焊接技术有许多优势，包括更高的精确度、最小的热变形，并且能够处理各种材料。

One key technique in laser welding is controlling the power and

speed of the laser beam. By adjusting these parameters, welders can

achieve the desired penetration depth and heat input, leading to a

strong and durable weld. 一个关键的技巧在激光焊接中是控制激光束的功率和速度。通过调整这些参数，焊工可以实现所需的穿透深度和热输入，从而达到坚固耐用的焊接效果。

In order to achieve a successful weld, it is important to properly

prepare the metal surfaces before initiating the laser welding process.

LED二极管在焊接的过程的技术要求

LED二极管在焊接的过程的技术要求

LED二极管在焊接的过程的技术要求

白光（蓝光、绿光同白光）LED二极管在焊接的过程中请严格遵守以下要求操作：

1．工人生产时一定要戴防静电手套，防静电手腕，电烙铁一定要接地，严禁徒手触摸白光LED的两只引线脚。因为白光LED的防静电为100V，而人在工作台上工作湿度为60%-90%时人体的静电会损坏发光二极管的结晶层，工作一段时间后（如10小时）二极管就会失效（不亮）。严重时会立即失效。

2．焊接温度为260℃，3秒。温度过高，时间过长会烧坏芯片。为了更好地保护LED，LED胶体与PC板应保持2mm以上的间距，以使焊接热量在引脚中散除。

3．LED的正常工作电流为20mA，电压的微小波动（如0.1V）都将引起电流的大幅度波动（10%-15%）。因此，在电路设计时应根据LED的压降配对不同的限流电阻，以保证LED处于最佳工作状态。电流过大，LED会缩短寿命，电流过小，达不到所需光强。我公司在批量供货时会将LED分光分色，即同一包产品里的LED光强、电压、光色都是一致的，并在分光色表上注明。

(1）烙铁焊接：烙铁（最高30W）尖端温度不超过300℃；焊接时间不超过3秒；焊接位置至少离胶体2毫米。

（2）波峰焊：浸焊最高温度260℃；浸焊时间不超过5秒；浸焊位置至少离胶体2毫米。

LED焊接曲线 引脚成形方法：

（1）必需离胶体2毫米才能折弯支架。

（2）支架成形必须用夹具或由专业人员来完成。

（3）支架成形必须在焊接前完成。

（4）支架成形需保证引脚和间距与线路板上一致。

清洗

当用化学品清洗胶体时必须特别小心，因为有些化学品对胶体表面有损伤并引起褪色如三氯乙烯、丙酮等。可用乙醇擦拭、浸渍，时间在常温下不超过3分钟。

静电防护 静电和电流的急剧升高将会对LED产生损害，InGaN系列产品使用时请使用防静电装置，如防护带和手套。

大功率灯珠过回流焊

大功率灯珠过回流焊

- 1 - 大功率灯珠过回流焊

一、大功率灯珠过回流焊斯技术

1、大功率灯珠采用过回流焊技术，大功率灯珠过回流焊技术是一个复杂的焊接工艺，与普通焊接技术相比，从结构的角度来看，大功率灯珠过回流焊技术可以更好地实现灯珠的端子的焊接，从而满足灯珠的焊接要求，充分考虑了光学、热学、力学、电子、物理、化学和材料等各个方面，不仅可以充分保障灯珠的质量，而且又能够保证灯珠的可靠性。

2、大功率灯珠过回流焊技术的操作过程包括：灯珠的熔接结构布置、接极焊接前的处理、接极的焊接、焊点的润滑保护和焊接熔料的回收等步骤。

（1）灯珠焊接结构布置：采用过回流焊技术的灯珠，要求其焊接结构必须正确，有利于回流焊接。在焊接结构的布置中，要采用适当的焊接材料，选择合适的厚度，然后将灯珠放在焊接夹具上，以保证焊接位置的精确度。

（2）接极焊接前的处理：在焊接前，除了要对灯珠的接极进行焊接之外，还要进行其他处理工作，如清洁、排气、除垢、表面处理等，以确保接极的清洁度，有利于焊接的质量。

（3）接极焊接：经过上述处理后，应将熔料回收到熔料盘中，然后将熔料放在灯珠的端子上，由机器将熔料进行融合，从而完成接极:的焊接。

（4）焊点润滑保护：焊接完成后，应将焊点进行润滑保护，以 - 2 - 保护焊接的质量。

（5）熔料回收：在焊接过程中，会释放大量的熔料，为保证其环境友好效果，应在焊接完成后，将熔料及时回收，以减少资源的浪费。

二、大功率灯珠过回流焊技术的注意事项

1、正确选择熔料：熔料的选择是大功率灯珠过回流焊技术的关键，在选择熔料时，应考虑到熔料的熔点、稠度等，熔料必须软化，以保证熔料可以渗入灯极，实现良好的焊接效果。

2、良好的焊接热源：熔料的熔化需要足够的焊接热源，因此，在大功率灯珠过回流焊技术中，正确选择焊接热源是至关重要的，只有选择合适的焊接热源，才能确保大功率灯珠的过回流焊效果。

大功率LED焊接知识

大功率LED焊接知识

大功率LED焊接知识

SMT简介

SMT就 是表面组装技术Surface Mounted Technology的缩写,是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺， 表面组装技术是一种无需在印制板上钻插装孔直接将表面组装元器件贴﹑焊到印制电路板表面规定位置上的电路装联技术，具体的说表面组装技术就是一定的工具将 表面组装元器件引脚对准预先涂覆了了粘剂接剂和焊膏的焊盘图形上，把表面组装组件贴装元器件贴装到未钻安装孔的PCB表面上，然后经过波峰焊或回流焊使表 面组装元器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。

一、SMT的特点

1. 组装密度高，电子产品体积小重量轻,贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右,一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40%~60%,重量减轻60%~80%

2. 可靠性高抗振能力强焊点缺陷率低

3. 高频特性好减少了电磁和射频干扰

4. 易于实现自动化,提高生产效率

5. 降低成本达30%~50%节省材料能源设备人力时间等

二、为什么要用表面贴装技术(SMT)

1. 电子产品追求小型化,以前使用的穿孔插件元件已无法缩小。

2. 电子产品功能更完整,所采用的集成电路(IC)已无穿孔元件,特别是大规模高集成IC,不得不采用表面贴片元件。

3. 产品批量化,生产自动化,厂方要以低成本高产量,出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力。

4. 电子元件的发展,集成电路(IC)的开发,半导体材料的多元应用。

5. 电子科技革命势在必行,国际潮流，大势所趋。

三、SMT工艺流程及作用

1、单面板生产流程

供板 印刷红胶(或锡浆) 贴装SMT元器件 回流固化(或焊接) 检查 测试 包装

2、双面板生产流程

(1) 一面锡浆﹑一面红胶之双面板生产流程:

供板 丝印锡浆 贴装SMT元器件 回流焊接 检查 供板(翻面) 丝印红胶 贴装SMT元器件 回流固化 波峰焊接 检查 包装