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什么是光子焊接

打印电子技术（Printedelectronics）正不断发展，但这项技术的缺点是像纸这样的低成本基板不能承受焊膏回流温度；此外，油墨需要时间固化。紫外线辐射固化使目前阻焊膜或图例油墨固化方法

现在打印电子技术的一项创新是使用闪光管对打印油墨进行固化或退火。闪光管可产生高强度、宽光谱白光，如下图所示。大家熟知的摄影摄像使用的就是电子闪光灯，但是，摄像中使用的闪光灯的体积和功率要大得多。但闪光管灯光照射下的油墨可以固化或退火，但基板依旧保持低温

使用红外烘箱固化油墨并且使其达到导电所需温度，这要求基板（如聚酰亚胺、陶瓷和环氧玻纤等材料）能够承受高温。可用高能量密度的电磁辐射进行干燥，电磁辐射射线深入到待干燥的层中，激发其中的分子

能量的吸收速度非常快，通常发生在十分之几秒之内，此时的分子活化使得水或溶剂蒸发。辐射会深入层下，与颜料耦合并从内向外干燥颜料，因此基板的表面不会产生气泡，导致不良影响

通过这项创新技术，我们可以在几百毫秒之内就可在织物、纸张或塑料等基板上固化高导电性图形、元件（电容器/电阻器）和绝缘体等

光子烧结和焊接

如下表所示，表中给出了根据热负荷的传递方式排列的不同选择性焊接技术概况。在这些一般情况下，暴露的区域仅限于加热区域，以确保器件温度敏感部分的热负荷较低。由于加热介质受到限制，这就要求我们需要从一个区域移动到另一个区域，因此采用这些技术的处理速度通常较为缓慢

光产生（ER）加热，例如激光焊接，也可以通过闪光管的方式进行加热，具有焊接元件不在视线内的优点

这种新型的焊接机器将功率为30-40千瓦的伏电源连接到高压储能电容器组上，并且通过高压电路来控制，专门设计的闪光管目前可以在几秒钟内完成标准无铅回流焊，并且功耗仅为标准回流焊炉的10%

下图显示的光吸收材料在光脉冲期间将被加热，当光被移除时会立刻冷却。虽然可以只使用一个脉冲进行焊接，但最好使用脉冲序列（具有不同的脉冲持续时间和功率），以避免过度加热基板，导致不良发生

该工艺是通过将基于金属颗粒的油墨烧结到导电走线中来提高挠性混合电子产品（flexiblehybridelectronics）中可制造的组成部分

光子焊接工具依赖于氙气填充的闪光灯极高的平均功率输出。因此闪光灯的冷却系统必须是由水冷构成的，以防止在高负荷使用下加热失控和对系统造成损坏。此外，闪光灯系统需要数字控制器，以便在各种热条件下对不同尺寸元件的焊接进行调整

SAC-焊膏是手动模板印刷在铜接触焊盘上。所涂布焊膏的厚度约为75m。使用RohmSemiconductors公司封装的耐硫片式电阻作为主要测试元件，如下图所示

吸收部分光谱的区域比其他区域能更有效地将光能转换为热能，导致局部温度升高。通过改变脉冲的时间（脉冲长度和后续脉冲之间的延迟），可以控制正在处理材料的温度。达到的温度可以高于器件堆叠组成部分的额定温度而不会导致损坏，部分原因是加热时间较短，并且在光照停止后很快将会恢复到环境条件

焊接过程（上图）显示了光功率密度和闪光持续时间之间的理想平衡。在1~4秒内完成焊接，具体取决于功率密度。从P1到P9的功率设置将导致回流时间为4.5~8秒，在P9的时间最短，为0.5秒

空间选择性光子焊接是独特的工艺，为指定的材料系统（传导轨道、基板、焊料和元件）提供了一种在正常回流炉中无法复制的焊接工艺。平均功率是单个光脉冲能量（取决于电容器组充电的电压和放电的时间长度）和光脉冲入射到材料系统的频率的函数。平均功率是对器件堆叠可实现的温度斜率的关键控制因素。虽然可以以极高的升温率焊接某些器件结构，但其他器件结构需要较慢的升温率以保证其不受损伤并防止不可控地放气

如何通过空间选择性控制温度范围：

01热敏焊点，如SAC，在0.秒内回流

02热敏感区域，如BGA下具有传导加热的回流区

03热敏基板，如PET上的LED阵列

04可靠性热敏无铅焊点，短加热时间可最大限度地减少金属间化合物

05使用带有激光切割开口的铝面罩热敏元件，如电池或显示器

06当要求较低的空洞率时，可达到3%

对于相同的结构，峰值温度可以通过增加斜率、暴露时间或两者的组合来控制（如下图所示）。与标准回流焊的原理一样，每次更改都为优化焊点质量提供了不同的结果。对于所探索的器件结构，在平均射入功率密度为16W/cm的情况下，从1.5秒开始观察到焊料的回流，在第3秒时，可以明显改善焊缝形状和金属间化合物形成，以提高焊点质量的目的。在第5秒后，开始观察到挠性电路的机械故障和屈曲。第二张图显示了光子焊接设备的内部。该设备配有批量传送装置。一条完整的自动化印刷、检测、贴装、焊接生产线只有21英尺长，加工时间只需3至4分钟

中等功率电阻焊点3秒的温度曲线

高功率下不同脉冲序列下焊点的温度曲线

具有不同功率设置的焊点温度曲线

定制闪光管、反射器、电源、冷却和曝光配备批量传送装置的设备

写在最后

这种新型焊接工艺可焊接mm×mm的基板，同时可实现卷对卷。目前可能出现的新机会包括：

1适用于FR-4和其他传统电路板，但设备占地面积较小

2可使用温度敏感基板以降低成本：PET、TPU、PVC、PPE、PEI、PVF、PEN等

3可使用具有同等质量的高温焊料：SAC-、SnSb等

4可以焊接多种尺寸的元件

5可以达到与回流炉相当的效果，但速度要快得多

6可选氮气加工区

7可卷对卷处理

8可以在曲面上实现焊接

9允许在铝上焊接

10堆叠的微通孔上无热应力

11较低的能源需求

12焊接参数的选择性控制

13提供灵活/可选的产品设计选项

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