Статья Технология Обзор

Лазерная пайка

Сегодняшние технологии лазерной пайки используются далеко не только в микроэлектронике. Данный метод соединения поверхностей используется также в часовом производстве, автомобильной промышленности, ювелирном деле, и пайке керамических изделий.

Описать процесс лазерной пайки можно так – сфокусированный лазерный луч нагревает и расплавляет припой, соединяя между собой отдельные поверхности. Данный метод в целом ничем не отличается от классической пайки, но позволяет широко использовать возможности для автоматизации этой технологической операции ввиду простоты доставки излучения в необходимую область пайки [1].

Рис. 1. Процесс лазерной пайки

Лазерное излучение не расплавляет и не деформирует соединяемые части, воздействуя локально на припой, что позволяет паять в труднодоступных местах.

Сегодня в продаже уже существует множество установок для лазерной пайки с разной степенью автоматизации, что говорит о нарастающей популярности этой технологии за рубежом.

Особенности лазерной пайки

Лазерная пайка в настоящее время привлекает к себе внимание как новый метод пайки. Однако, поскольку это новая промышленная технология сравнивается с пайкой классическим методом с использованием паяльника, принципы нагрева отличаются, и она не может заменить простую пайку. Без понимания и правильного использования технических характеристик как лазерной пайки, так и пайки классической стабильность и качество пайки недостижимы. В этом разделе будут описаны принципы лазерной пайки, а также рекомендации по ее использованию.

Процесс нагрева пайки состоит из трех основных этапов: первый - "предварительный нагрев" точек пайки, второй - "нагрев" для подачи припоя и третий - "последующий нагрев" для придания формы. Таким образом выполняется пайка как паяльником, так и лазером, но теория преобразования тепла в этих двух методах различна. Понимание различий необходимо для того, чтобы выбрать наиболее подходящие методы для достижения требуемых результатов пайки.

Главным отличием способов является то, что, в отличие от классической пайки, лазерная пайка нагревает поверхность постоянно в течение времени, в то время как паяльник нагревает поверхность сразу до нужной температуры, поэтому для лазерной пайки необходимы инструменты температурного контроля нагреваемой области.

Поскольку состав припоя меняется в зависимости от условий нагрева, без пайки при надлежащей температуре невозможно обеспечить ни достаточную прочность, ни надежность. Например, внутренний состав припоя практически не меняется при пайке при надлежащей температуре. Однако при перегреве пайки прочность и надежность снижаются в результате изменения состава.

Рисунок2.png

Рис. 2. Различие в структуре пайки при разных режимах

Как видно на рисунке, слева соединение было прогрето до необходимой температуры и содержит в себе необходимое количество интерметаллических компонентов. А справа соединение было явно перегрето, что проявляется в сильном увеличении интерметаллидов.

Преимущества лазерной пайки

Лазерная пайка может быть дополнена операциями, которые затруднены/невозможны при пайке железным наконечником, если заранее тщательно настроить условия для работы.

1. Бесконтактное подключение к печатной плате, что уменьшает физические повреждения.

2. Благодаря эффективному методу нагрева и подачи припоя обеспечивается стабильная пайка и возможность автоматизации.

3. Простота обслуживания (в большинстве случаев без необходимости).

4. Возможна точечная пайка (подходит для микропайки, для которой не подойдёт паяльник из – за низкой точности).

Безусловным преимуществом лазерной пайки является ее "бесконтактное действие". Лазер не соприкасается с печатной платой или электронными деталями, поэтому пайка выполняется без каких-либо физических повреждений. Эффективный и точечный нагрев также является дополнительным преимуществом, которое применимо в узких и труднодоступных местах. Кроме того, для этого требуется меньше расходных материалов, таких как железные наконечники, что значительно сокращает ежедневную нагрузку по техническому обслуживанию.

Эти преимущества совершенно не означают, что нужно срочно переходить к технологии лазерной пайки. У каждой из этих технологий свои преимущества перед друг другом.

Таблица 1. – сравнительная характеристика методов

Классическая пайка	Лазерная пайка
Лучше подходит для поверхностей с большой теплоёмкостью	Лучше подходит для очень точных изделий
Легко контролировать температуру во время процесса пайки	Возможно паять детали в труднодоступных местах

Оборудование лазерной пайки

На 2025 год оборудование для лазерной пайки эволюционировало в сторону автоматизации, интеграции с ИИ и повышения энергоэффективности. Основные типы лазеров: диодные (для точного нагрева с длиной волны 808–980 нм), волоконные (эффективные для различных материалов) и Nd:YAG (для высокоточных задач). Системы часто включают:

Автоматизированные машины с пастой припоя: Например, системы от Han's Laser с высокомощным диодным лазером, интегрированным контроллером, оптоволоконным кабелем, коаксиальной камерой для позиционирования и электрическими осями XYZ. Они обеспечивают эффективность преобразования энергии до 47%, срок службы до 30 000 часов и подходят для микроэлектроники (3C-электроника, автомобильные датчики).

Рис. 3. Комплекс от Han’s Laser

3-осевые роботы и лазерные паяльные машины: Рынок таких систем растет (с $180 млн в 2024 до $290 млн к 2033), они используются в электронике и автомобилестроении для создания прочных соединений без перегрева. Примеры: машины от Japan Unix или Fancort с роботизированными руками, системами подачи проволоки, камерами для выравнивания и датчиками температуры (контроль ±5°C).
Специализированные решения: Для солнечных батарей — лазерные системы с динамической регулировкой параметров, низкотемпературными сплавами (Sn-Bi-In-Zn-P) и бесфлюсовыми методами (от компаний вроде Shenzhen Zichen или Wuxi Sveck). Для оптики — Solderjet Bumping для пайки больших линз в мощных лазерных системах.

Эксперименты по лазерной пайке

В данном разделе будет рассмотрен эксперимент по лазерной пайке с использованием диодного лазера [2].

Диодные лазеры позволяют пайку различных составов припоя (Pb-Sn, Sn-Ag) с простым увеличением мощности (на 2 Вт для бессвинцового). Применения: автомобильные сенсоры, ремонт дорогих плат, пайка волокон в телекоме. Скорость: до 125 мм/с для мелких выводов (без остановки на каждом), с использованием сканеров или CNC.

Типы соединений:

- Выводные (gull-wing, J-lead): претиннированные, малый объем припоя.
- Площадки: до 3 мм².
- Сквозные отверстия: требуют пасты/проволоки, флюс (тренд к no-clean).

Энергия: Для мелких соединений ~1 Дж; для крупных — больше (зависит от объема припоя). Длина волны (810–980 нм) влияет на поглощение (лучше на 810 нм для solder resist). Бессвинцовые припои требуют +20% энергии.

Качество оценивается по пористости, толщине интерметаллического слоя (IMC) и микроструктуре. Лазерная пайка дает тонкий IMC (субмикронный), мелкозернистую структуру и быструю кристаллизацию, что улучшает механические свойства и надежность (меньше усталости).

Авторы подчеркивают контроль параметров (мощность, длительность импульса) для минимизации дефектов. Используют ИК-детекторы для мониторинга и автоматизированного контроля.

Рисунок4.png

Рис. 4. 30 Вт излучатель для лазерной пайки

В экспериментах использовали следующую систему: диодный лазер 810 нм, 30 Вт, фокус 800 мкм, импульс 0,8 с. Тестировали пайку 44-выводного чип-носителя на FR4-плате с бессвинцовым припоем (96,5% Sn, 3,5% Ag, Тпл = 221°C) в форме преформ (объем 1,15 мм³). Параметры: мощность 8–12 Вт, энергия 6,4–9,6 Дж. Анализ: металлография, рентген, травление. Лазер направлен нормально на преформ. Оптимально: 10 Вт, 0,8 с (8 Дж) — полное заполнение отверстия, отсутствие пористости, дендритная структура, нет видимого IMC. Ниже 10 Вт — меньшее смачивание; выше — пористость и крупные зерна (из-за медленного охлаждения). Диодные лазеры позволяют точный контроль энергии (±1 мДж) благодаря быстрым импульсам (0,1 мс).

Рисунок5.png

Рис. 5. Приспособление для лазерной пайки

Оптимальные параметры дают идеальные соединения: нет пористости >25 мкм, субмикронный IMC, дендритная микроструктура. Выше мощность — пористость от испарения флюса/загрязнений.

Диодные лазеры — отличный инструмент для пайки: срок службы >10 000 часов, высокое качество для бессвинцовых припоев, тонкий IMC. Подходят для индустрии благодаря контролю и экологичности.

Рисунок6.png

Рис. 6. Результаты до и после лазерной пайки на мощности 10 Вт

Рисунок7.png

Рис. 7. Рентгеновский снимок соединений при мощности 10 и 12 Вт соответственно

Следующая статья [3] посвящена исследованию лазерной пайки устройств QFP (Quad Flat Package) с мелким шагом выводов с использованием бессвинцовых припоев Sn–Ag–Cu и Sn–Cu–Ni. Эксперименты сравниваются с традиционной пайкой Sn–Pb припоями и методом инфракрасной (ИК) пайки оплавлением. Основной фокус — на механических свойствах микро-соединений (микросоединений QFP), влиянии параметров лазера и добавлении редкоземельного элемента Ce. Эксперименты проводились с целью оценки преимуществ лазерной пайки для миниатюрных электронных компонентов, учитывая экологические требования по исключению свинца.
Материалы:

- Устройства: TQFP100 (QFP с 100 выводами, шаг выводов 0.5 мм).
- Припои:

Sn–Ag–Cu–Ce (Ag: 3%, Cu: 0.5%, Ce: 0–0.10%, остальное Sn).
Sn–Cu–Ni–Ce (Cu: 0.5%, Ni: 0.05%, Ce: 0–0.10%, остальное Sn).
Sn–Pb (Pb: 37%, остальное Sn) — для сравнения.

- Флюс: Безотмывочный.
- Платы: FR-4 PCB.

Оборудование:

- Диодная лазерная система пайки (длина волны 808 нм, дефокусировка +2.8 мм, режим непрерывного сканирования).
- ИК-печь оплавления.
- Тестер микросоединений (для измерения прочности на разрыв).
- Сканирующий электронный микроскоп (SEM) для анализа морфологии изломов.

Процедура:

- Пайка QFP на PCB лазером или ИК-оплавлением.
- Параметры лазера: Скорость сканирования фиксирована (2 мм/с), мощность варьируется.
- Температуры ИК-оплавления: 210°C для Sn–Pb, 240°C для бессвинцовых припоев.
- После пайки: Тестирование механических свойств (максимальная сила на разрыв) и анализ изломов SEM.
Рисунок8.png

Рис. 8. Микроструктура соединений для Sn-Pb и Sn-Ag-Cu соответственно.

Заключение

Ключевые преимущества лазерной пайки включают высокую прецизионность, позволяющую работать с мелкими шагами выводов (например, в QFP-устройствах с шагом 0.5 мм и менее), минимальный механический стресс на компоненты, быстрое нагревание и охлаждение, что приводит к формированию более прочных микроструктур соединений и снижению дефектов, таких как мостики или хрупкие интерметаллиды. Кроме того, она обеспечивает стабильное качество пайки с минимальными переменными, требует меньше очистки флюса и способствует экологичности процесса за счет снижения отходов и энергопотребления. Исследования показывают, что механические свойства соединений, полученных лазерной пайкой (особенно с бессвинцовыми припоями типа Sn–Ag–Cu), превосходят аналоги от традиционных методов, с переходом от хрупкого к пластичному типу излома.

Применения лазерной пайки охватывают широкий спектр отраслей: от сборки печатных плат в электронике и мобильных устройствах до прецизионной сварки в оптике, медицине, автомобильной и аэрокосмической промышленности. Она идеально подходит для автоматизированных линий, где интегрируется с роботами, повышая производительность и надежность.

Автор: Майский К. К. ООО «ОКБ «БУЛАТ»

Литература

1. Japan Unix Laser Soldering // Japan Unix Co., Ltd. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.japanunix.com/en/casestudy_category/laser_soldering/ (дата обращения: 03.09.2025).

2. Хоулт А. П., МакЛенаган А. Дж., Ратход Дж. Достижения в области лазерной пайки с использованием мощных диодных лазеров // Труды SPIE. – 2003. – Т. 4831. – С. 71–76. – DOI: 10.1117/12.497614.

3. Хан Ц., Сюэ С., Ван Ц., Чжан С., Юй Ш., Чжан Л. Лазерная пайка QFP-устройств с мелким шагом с использованием бессвинцовых припоев // Журнал электронной упаковки. – 2009. – Т. 131, № 2. – С. 021004-1–021004-5. – DOI: 10.1115/1.3103932.

Вам также могут быть интересны эти темы