0 引言

環(huán)氧塑封料 (epoxymoldingcompound，EMC) 具有吸濕性，對于環(huán)氧塑封器件，潮濕環(huán)境中的水分子可通過濕擴散過程進入封裝器件內(nèi)。濕氣進入后會引起材料膨脹，產(chǎn)生濕應(yīng)力，同時吸濕材料和非吸濕材料間界面的結(jié)合性能也會因吸濕而下降。在吸濕與熱載荷共同作用下，器件常出現(xiàn)濕熱相關(guān)的失效損壞等可靠性問題。

對于塑封微攝像頭這類含空腔結(jié)構(gòu)的器件，濕氣進入后可能聚集在微小空腔內(nèi)表面和周圍縫隙中。在經(jīng)歷高溫環(huán)境（如回流焊）時，器件內(nèi)部聚集的濕氣在高溫下蒸發(fā)，在密閉空腔中產(chǎn)生高氣壓。若壓力過大，可能致使器件中不同材料的界面開裂，導(dǎo)致器件失效。

高溫焊接過程中，高溫對吸濕封裝器件破壞極大，濕熱、膨脹共同作用產(chǎn)生的高應(yīng)力加速了器件失效，凸顯了濕熱對塑封器件封裝可靠性的顯著影響。吸濕引起的最大應(yīng)力與熱應(yīng)力相當(dāng)，不同封裝類型器件在高溫過程中吸濕引起的應(yīng)力最高可達熱應(yīng)力的 1.3 - 3 倍，而且濕應(yīng)力影響溫度變化過程中應(yīng)力集中區(qū)域的分布，可見塑封器件中的濕應(yīng)力不可忽視，濕熱共同作用對封裝可靠性影響顯著。

當(dāng)塑封器件存在微小孔洞或空腔時，在濕熱共同作用下的可靠性問題更復(fù)雜。在熱載荷單獨作用下，封裝器件對蒸氣壓導(dǎo)致的爆米花效應(yīng)抵抗力強；但在濕熱同時作用下，蒸氣壓在微裂紋中分層處產(chǎn)生額外驅(qū)動力，且使剪切主導(dǎo)的載荷變?yōu)槔鞝恳鲗?dǎo)的載荷，導(dǎo)致界面裂紋擴展的驅(qū)動力急劇上升。更多研究表明微小孔洞中的水氣壓力是造成裂紋擴展的重要原因，所以當(dāng)器件有微小空腔時，空腔中產(chǎn)生的高壓力與濕熱應(yīng)力共同作用，可能引發(fā)更嚴(yán)重的可靠性問題。

1 某廠回流焊塑封微攝像頭器件項目

某塑封微攝像頭器件的照片如圖 1 (a) 所示，其整體尺寸為 2781μm×2781μm×1495μm，包括焊球、硅片、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 透明樹脂、膠，以及用于支撐空腔的環(huán)氧玻纖材料。內(nèi)部空腔直徑 1237μm，最大高度 634μm，由環(huán)氧塑封料包封，器件剖面圖和主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖 1 (b)。

圖 1 塑封微攝像頭器件結(jié)構(gòu)

樣品經(jīng)過回流焊后，經(jīng)反射模式的超聲掃描顯微鏡檢測空腔周邊區(qū)域，發(fā)現(xiàn)樣品出現(xiàn)失效。對塑封微攝像頭器件樣品進行截面分析，結(jié)果顯示所有樣品都出現(xiàn) PMMA / 玻璃界面分層，4 個樣品的玻璃有裂紋，3 個樣品的空腔四周出現(xiàn)裂紋，2 個樣品的 EMC/PMMA 界面分層。因此，器件空腔周邊的分層失效和空腔周圍裂紋擴展是主要失效模式。圖 2 展示了項目分析獲得的不同失效模式在樣品中的位置。

圖 2 典型失效位置

上述失效模式均會影響塑封微攝像頭器件功能：PMMA / 玻璃界面和 EMC/PMMA 界面的分層會使入射攝像頭的光線在分層界面上產(chǎn)生多次反射，最終在感光芯片上產(chǎn)生重影；玻璃斷裂處和分層界面粗糙處的光路無法正確偏轉(zhuǎn)匯聚到感光芯片上；空腔四周的裂紋會導(dǎo)致透鏡無法良好固定，光軸易偏移，造成器件無法正確成像。

當(dāng)溫度隨回流焊時間增加逐漸升高，器件內(nèi)部溫差逐漸下降。項目樣品經(jīng)過吸濕與回流焊過程后，根據(jù)濕、熱場分布可計算濕、熱應(yīng)變，進而獲得器件內(nèi)部應(yīng)力?；亓骱父邷貢r，器件內(nèi)部的范式等效應(yīng)力分布如圖 3 所示。

圖3 塑封微攝像頭器件內(nèi)部等效應(yīng)力分布

從圖中可看出，濕熱局部應(yīng)力集中于玻璃界面處，外部的環(huán)氧塑封料和空腔內(nèi)壁的環(huán)氧玻纖吸收濕氣后在回流焊時發(fā)生膨脹，擠壓玻璃層（玻璃不會吸濕膨脹），造成環(huán)氧玻纖與玻璃之間界面應(yīng)力集中。高應(yīng)力易導(dǎo)致透明樹脂下方界面分層、透明樹脂斷裂，甚至玻璃斷裂等失效。

考慮到回流焊高溫過程中，空腔內(nèi)部的水蒸發(fā)會產(chǎn)生高壓力，擠壓空腔壁。高壓力與吸濕量、空腔體積和溫度有關(guān)，若空腔內(nèi)濕氣濃度飽和，則高溫下在腔內(nèi)會形成僅與溫度相關(guān)的飽和蒸氣壓。

飽和蒸氣壓雖未使樣品內(nèi)部應(yīng)力分布出現(xiàn)明顯變化，但應(yīng)力最大值顯著增加。圖 4 表明當(dāng)溫度上升到 130℃和 180℃時，最大應(yīng)力為 100 - 150MPa。

圖4 不同溫度下塑封微攝像頭器件內(nèi)部空腔周圍等效應(yīng)力分布

隨著溫度升高，樣品內(nèi)部最大應(yīng)力急劇上升，當(dāng)溫度達到 230℃和 265℃時，最大應(yīng)力可達 300MPa，尤其是環(huán)氧玻纖與玻璃的界面處應(yīng)力明顯增大，說明高溫下飽和蒸氣壓對應(yīng)力增大貢獻明顯。空腔周圍區(qū)域集中的應(yīng)力可導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生甚至擴展，對光學(xué)組件破壞嚴(yán)重。所采用的材料中，環(huán)氧塑封料的抗彎強度約為 150MPa、康寧玻璃的抗彎強度為 52.4MPa、環(huán)氧玻纖的抗彎強度約為 400MPa?；亓骱高^程中，環(huán)氧塑封料、玻璃未出現(xiàn)以彎曲變形為主的變形模式，但承受壓應(yīng)力較大，因此未出現(xiàn)大量材料彎曲斷裂的失效現(xiàn)象。

無蒸氣壓力時 265℃回流焊在器件內(nèi)部產(chǎn)生的最大應(yīng)力為 180MPa，而引入蒸氣壓力下 265℃回流焊在器件內(nèi)部產(chǎn)生的最大應(yīng)力為 300MPa，增加約 67%。隨著器件微型化發(fā)展，器件內(nèi)空腔體積減小，吸濕后其內(nèi)部水高溫蒸發(fā)導(dǎo)致的應(yīng)力將產(chǎn)生更大影響。因此，微小空腔塑封器件中的空腔內(nèi)部應(yīng)力與樣品吸濕引起的濕膨脹、濕應(yīng)力均對器件可靠性有重要影響。

2 大研智造激光錫球焊接機：應(yīng)對塑封微攝像頭焊接挑戰(zhàn)的解決方案

2.1 實際應(yīng)用效果與對比優(yōu)勢

鑒于塑封微攝像頭在濕熱環(huán)境下焊接面臨的這些復(fù)雜失效問題，對焊接技術(shù)提出了嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)焊接方法已難以滿足其對精度、熱影響控制以及應(yīng)力控制的需求，廠家迫切需要一種能夠克服這些挑戰(zhàn)，保障焊接質(zhì)量和器件可靠性的先進焊接技術(shù)。在這樣的背景下，大研智造激光錫球焊接機應(yīng)運而生，為解決塑封微攝像頭焊接中的難題帶來了新的希望和有效的解決方案。

在實際生產(chǎn)中，某電子廠在引入大研智造激光錫球焊接機之前，采用傳統(tǒng)焊接方法生產(chǎn)塑封微攝像頭，產(chǎn)品合格率僅約為 70%。在使用大研智造激光錫球焊接機后，經(jīng)過一個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品合格率顯著提升至 90% 以上。這主要歸因于激光錫球焊接機有效減少了因濕熱應(yīng)力導(dǎo)致的各種失效問題。

同時，與市場上其他品牌的焊接機相比，大研智造激光錫球焊接機在處理塑封微攝像頭焊接問題上展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。以某競爭品牌焊接機為例，其在焊接類似的含空腔結(jié)構(gòu)微攝像頭時，雖然能夠完成基本焊接任務(wù)，但在處理熱敏感材料附近焊點時，會出現(xiàn)約 10% 的熱影響導(dǎo)致的材料性能下降情況，而大研智造激光錫球焊接機的這一比例低于 1%。在應(yīng)對微小空腔周圍應(yīng)力問題方面，該競爭品牌焊接機生產(chǎn)的產(chǎn)品在后續(xù)檢測中發(fā)現(xiàn)有 8% 的產(chǎn)品存在因應(yīng)力集中導(dǎo)致的微小裂紋，而大研智造激光錫球焊接機生產(chǎn)的產(chǎn)品這一不良率僅為 2%，充分證明了大研智造激光錫球焊接機在解決塑封微攝像頭焊接問題上的卓越性能。

2.2 技術(shù)原理與特點

大研智造的激光錫球焊接機采用先進的激光技術(shù)，為塑封微攝像頭的焊接工藝帶來了新的解決方案。其激光系統(tǒng)具備高能量密度和高精度的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對微小焊點的精確焊接。

大研智造激光錫球焊接機的激光系統(tǒng)采用特定波長的激光，該波長處于對塑封微攝像頭材料吸收性良好且對周圍環(huán)境影響極小的范圍。其功率范圍在 60 - 200W 之間可靈活調(diào)節(jié)，在焊接不同尺寸焊點和不同材料組合時，可根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動調(diào)整功率。例如，對于較小焊點和靠近玻璃等敏感材料的焊點，焊接機可自動降低功率至 60W，以精確控制熱量輸入，確保材料穩(wěn)定性。

在塑封微攝像頭這種對焊接精度要求極高的器件制造中，激光錫球焊接機可有效避免傳統(tǒng)焊接方式可能帶來的熱影響問題。激光錫球焊接機的工作原理是利用激光束精確地加熱錫球，使其在短時間內(nèi)熔化并與焊接部位完美融合。與傳統(tǒng)焊接方法相比，它能夠精確控制熱量輸入，減少對周圍材料的熱影響。對于塑封微攝像頭中的精密元件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這一特性尤為關(guān)鍵。例如，在焊接與玻璃、PMMA 等熱敏感材料相鄰的焊點時，傳統(tǒng)焊接可能因熱傳遞導(dǎo)致這些材料變形或性能受損，而激光錫球焊接機可以將熱影響區(qū)域控制在極小范圍內(nèi)，確保這些材料的穩(wěn)定性和性能不受影響。

此外，激光錫球焊接機配備了先進的視覺識別系統(tǒng)和定位系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)運用了高分辨率的光學(xué)傳感器和先進的圖像處理算法。其光學(xué)傳感器能夠捕捉到微小至 0.01mm 的焊點特征，通過專門設(shè)計的圖像處理算法，可在復(fù)雜背景和狹小空間內(nèi)快速準(zhǔn)確地識別焊點位置和狀態(tài)。定位系統(tǒng)則基于高精度的運動控制平臺和先進的反饋機制，運動控制平臺在 X、Y、Z 三個方向上的定位精度均可達 0.01mm，在焊接過程中，通過實時的反饋機制，能夠及時糾正可能出現(xiàn)的微小偏差，確保每個錫球都能精確地放置在預(yù)定焊點上，誤差范圍控制在 ±0.02mm 以內(nèi)。這兩個系統(tǒng)相互配合，大大提高了焊接的精度和效率。

在塑封微攝像頭的制造過程中，由于其內(nèi)部存在微小空腔結(jié)構(gòu)，對焊接過程中的應(yīng)力控制要求極高。激光錫球焊接機通過其獨特的焊接工藝，可以有效減少焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。它采用的是逐個錫球焊接的方式，避免了大量焊料同時熔化可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題。而且，由于焊接速度快、熱量集中，材料在短時間內(nèi)完成焊接，減少了因長時間受熱而產(chǎn)生的熱應(yīng)力積累。這對于防止因焊接應(yīng)力導(dǎo)致的器件內(nèi)部微小空腔周圍的材料分層、裂紋擴展等失效問題具有重要意義。

同時，激光錫球焊接機還具有高度的自動化和智能化特點。它可以根據(jù)預(yù)設(shè)的焊接程序自動完成焊接任務(wù)，無需大量人工干預(yù)。在生產(chǎn)過程中，能夠保證每個焊接點的質(zhì)量穩(wěn)定一致，提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。而且，設(shè)備操作簡單，維護方便，能夠適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

2.3 行業(yè)意義

環(huán)氧塑封器件在現(xiàn)代電子行業(yè)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。隨著電子設(shè)備向小型化、高性能化發(fā)展，環(huán)氧塑封器件廣泛應(yīng)用于智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備、汽車電子等眾多領(lǐng)域。在這些應(yīng)用場景中，塑封微攝像頭作為圖像采集的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量和可靠性直接影響到整個設(shè)備的性能。

以智能手機為例，高質(zhì)量的塑封微攝像頭對于拍攝清晰照片和錄制流暢視頻至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計，在智能手機的售后維修中，約有 15% 的問題與攝像頭相關(guān)，其中部分原因就是封裝過程中的濕熱應(yīng)力問題導(dǎo)致的成像故障。在汽車電子領(lǐng)域，用于自動駕駛輔助系統(tǒng)的攝像頭同樣需要高可靠性的封裝，以應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境條件。因此，深入研究塑封微攝像頭的濕熱應(yīng)力失效問題，并尋求有效的焊接解決方案，對于保障電子設(shè)備的整體質(zhì)量和性能具有重大意義，這也凸顯了大研智造激光錫球焊接機在電子制造行業(yè)中的重要價值。

3 結(jié)論

本文分析了塑封微攝像頭濕熱應(yīng)力失效問題，闡述了大研智造激光錫球焊錫機的應(yīng)用優(yōu)勢。

塑封微攝像頭在濕熱與高溫作用下易出現(xiàn)多種失效模式，影響成像功能，且微型化發(fā)展使吸濕產(chǎn)生的蒸氣壓對可靠性影響更突出。

大研智造激光錫球焊錫機可有效應(yīng)對這些問題。其激光技術(shù)能高精度焊接微小焊點，控制熱量輸入，配合視覺和定位系統(tǒng)可在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)確焊接。獨特焊接方式和工藝減少應(yīng)力積累，降低失效風(fēng)險。設(shè)備自動化、智能化，保證質(zhì)量穩(wěn)定，操作簡單、維護方便，能滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，對提高產(chǎn)品可靠性和性能意義重大，應(yīng)用前景廣闊。

本文由大研智造撰寫，專注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。大研智造是集研發(fā)生產(chǎn)銷售服務(wù)為一體的高精度激光錫球焊錫機技術(shù)廠家，擁有20年+的行業(yè)經(jīng)驗。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用，或是有特定的技術(shù)需求，請通過大研智造官網(wǎng)與我們聯(lián)系。歡迎來我司參觀、試機、免費打樣。

審核編輯 黃宇