基于釬料潤(rùn)濕力的光纖自對(duì)準(zhǔn)原理及激光軟釬焊界面反應(yīng).pdf

1、光電子封裝中激光器件與光導(dǎo)纖維之間的對(duì)準(zhǔn)和定位是保證器件耦合效率和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。本文提出光纖自對(duì)準(zhǔn)激光軟釬焊的方法(FiberSelf-alignmentbyLaserSoldering，F(xiàn)SLS)，設(shè)想利用熔融釬料的表面張力所產(chǎn)生的回復(fù)力及回復(fù)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)光纖在焊盤(pán)上的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，由此方法產(chǎn)生的新工藝將使光電子封裝制造成本下降。研究AuSn釬料與Au/Ti、Au/Ni/Cu兩種焊盤(pán)及光纖Au/Ni鍍層之間的界面組織在激光釬焊及老化過(guò)程中

2、的演化規(guī)律，從而論證工藝的可行性；研究和闡明光纖自對(duì)準(zhǔn)的基本原理，從理論上得出自對(duì)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)力、分析材料與結(jié)構(gòu)因素的影響規(guī)律并進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)精度評(píng)價(jià)和誤差估計(jì)。
　　光纖定位激光軟釬焊工藝試驗(yàn)研究表明：AuSn釬料合金在氬氣保護(hù)下在小功率長(zhǎng)時(shí)間條件下易于潤(rùn)濕鋪展，形成良好的焊點(diǎn)。研究表明激光釬焊過(guò)程中AuSn釬料與Au/Ti焊盤(pán)界面反應(yīng)的特點(diǎn)是：隨著激光輸入能量的增加，界面區(qū)域所生成的先共析ζ相的形狀由扇貝狀演變?yōu)榇执蟮陌魻罨驑?shù)枝狀。在老

3、化過(guò)程中AuSn-Au/Ti界面生成的ζ相不斷聯(lián)合、長(zhǎng)大；AuSn-Au/Ni界面生成的針狀(Au,Ni)3Sn2不斷溶解到釬料中直至消失，同時(shí)在界面形成了一層(Au,Ni)Sn；釬料內(nèi)部共晶組織不斷球化并粗化。激光釬焊條件下在AuSn-Au/Ni/Cu及AuSn-Au/Ni兩界面處所形成的針狀(Au,Ni)3Sn2在老化過(guò)程中逐漸平坦化，界面上形成了連續(xù)的(Au,Ni)Sn層，并隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而增厚；兩個(gè)界面附近所形成的花狀(Au,

4、Ni)3Sn2在老化過(guò)程中向周?chē)摩南嘀胁粩嗳芙庵敝料?，同時(shí)δ相中的Ni含量增加。
　　基于對(duì)光纖定位軟釬焊焊點(diǎn)進(jìn)行的合理假設(shè)建立焊點(diǎn)三維形態(tài)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)的能量、體積以及邊界條件進(jìn)行合理描述，利用有限元法對(duì)焊點(diǎn)三維形態(tài)進(jìn)行計(jì)算并分析材料及結(jié)構(gòu)因素對(duì)焊點(diǎn)三維形態(tài)的影響規(guī)律，結(jié)果表明：隨著釬料量的增加和焊盤(pán)尺寸的減小，釬料對(duì)光纖的包覆程度增大；隨著焊盤(pán)長(zhǎng)寬比的增加，焊點(diǎn)橫截面曲線(xiàn)的彎曲程度增大。采用激光共聚焦掃描顯微鏡對(duì)

5、焊點(diǎn)三維形態(tài)進(jìn)行測(cè)量并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明焊點(diǎn)三維形態(tài)的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好，焊點(diǎn)三維形態(tài)計(jì)算方法及測(cè)量手段合理可靠。
　　通過(guò)對(duì)光纖進(jìn)行受力分析，從理論上得出自對(duì)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)力的解析式，根據(jù)公式可以得出自對(duì)準(zhǔn)回復(fù)力及法向力主要受液態(tài)釬料對(duì)光纖潤(rùn)濕力的影響，而靜壓力可以忽略；利用有限元計(jì)算的方法得出不同形狀焊盤(pán)的理論平衡位置，并得出材料與結(jié)構(gòu)因素對(duì)自對(duì)準(zhǔn)回復(fù)力及回復(fù)轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，結(jié)果表明：自對(duì)準(zhǔn)回復(fù)力隨著橫向?qū)?zhǔn)偏移

6、成線(xiàn)性變化，回復(fù)轉(zhuǎn)矩隨著偏轉(zhuǎn)角成線(xiàn)性變化；在一定范圍內(nèi)選擇較大的釬料量、采用較大的焊盤(pán)長(zhǎng)寬比、較大表面張力的釬料以及較小的釬料-焊盤(pán)接觸角更有利于對(duì)橫向?qū)?zhǔn)偏移的自對(duì)準(zhǔn)，在一定范圍內(nèi)選擇較小的釬料量、采用較大的焊盤(pán)長(zhǎng)寬比、較大表面張力的釬料和較小的釬料-光纖接觸角更有利于對(duì)初始轉(zhuǎn)角的自對(duì)準(zhǔn)。
　　光纖與焊盤(pán)間隙高度計(jì)算結(jié)果表明：只有釬料量超過(guò)臨界值時(shí)，間隙高度才存在；間隙高度隨著焊盤(pán)尺寸的減小、焊盤(pán)長(zhǎng)寬比的減小以及釬料與光纖接觸角