大研智造 解析塑封微摄像头回流焊湿热应力失效与激光焊锡机优势

0 引言

环氧塑封料 (epoxymoldingcompound，EMC) 具有吸湿性，对于环氧塑封器件，潮湿环境中的水分子可通过湿扩散过程进入封装器件内。湿气进入后会引起材料膨胀，产生湿应力，同时吸湿材料和非吸湿材料间界面的结合性能也会因吸湿而下降。在吸湿与热载荷共同作用下，器件常出现湿热相关的失效损坏等可靠性问题。

对于塑封微摄像头这类含空腔结构的器件，湿气进入后可能聚集在微小空腔内表面和周围缝隙中。在经历高温环境（如回流焊）时，器件内部聚集的湿气在高温下蒸发，在密闭空腔中产生高气压。若压力过大，可能致使器件中不同材料的界面开裂，导致器件失效。

高温焊接过程中，高温对吸湿封装器件破坏极大，湿热、膨胀共同作用产生的高应力加速了器件失效，凸显了湿热对塑封器件封装可靠性的显著影响。吸湿引起的最大应力与热应力相当，不同封装类型器件在高温过程中吸湿引起的应力最高可达热应力的 1.3 - 3 倍，而且湿应力影响温度变化过程中应力集中区域的分布，可见塑封器件中的湿应力不可忽视，湿热共同作用对封装可靠性影响显著。

当塑封器件存在微小孔洞或空腔时，在湿热共同作用下的可靠性问题更复杂。在热载荷单独作用下，封装器件对蒸气压导致的爆米花效应抵抗力强；但在湿热同时作用下，蒸气压在微裂纹中分层处产生额外驱动力，且使剪切主导的载荷变为拉伸牵引主导的载荷，导致界面裂纹扩展的驱动力急剧上升。更多研究表明微小孔洞中的水气压力是造成裂纹扩展的重要原因，所以当器件有微小空腔时，空腔中产生的高压力与湿热应力共同作用，可能引发更严重的可靠性问题。

1 某厂回流焊塑封微摄像头器件项目

某塑封微摄像头器件的照片如图 1 (a) 所示，其整体尺寸为 2781μm×2781μm×1495μm，包括焊球、硅片、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 透明树脂、胶，以及用于支撑空腔的环氧玻纤材料。内部空腔直径 1237μm，最大高度 634μm，由环氧塑封料包封，器件剖面图和主要结构尺寸见图 1 (b)。

图 1 塑封微摄像头器件结构

样品经过回流焊后，经反射模式的超声扫描显微镜检测空腔周边区域，发现样品出现失效。对塑封微摄像头器件样品进行截面分析，结果显示所有样品都出现 PMMA / 玻璃界面分层，4 个样品的玻璃有裂纹，3 个样品的空腔四周出现裂纹，2 个样品的 EMC/PMMA 界面分层。因此，器件空腔周边的分层失效和空腔周围裂纹扩展是主要失效模式。图 2 展示了项目分析获得的不同失效模式在样品中的位置。

图 2 典型失效位置

上述失效模式均会影响塑封微摄像头器件功能：PMMA / 玻璃界面和 EMC/PMMA 界面的分层会使入射摄像头的光线在分层界面上产生多次反射，最终在感光芯片上产生重影；玻璃断裂处和分层界面粗糙处的光路无法正确偏转汇聚到感光芯片上；空腔四周的裂纹会导致透镜无法良好固定，光轴易偏移，造成器件无法正确成像。

当温度随回流焊时间增加逐渐升高，器件内部温差逐渐下降。项目样品经过吸湿与回流焊过程后，根据湿、热场分布可计算湿、热应变，进而获得器件内部应力。回流焊高温时，器件内部的范式等效应力分布如图 3 所示。

图3 塑封微摄像头器件内部等效应力分布

从图中可看出，湿热局部应力集中于玻璃界面处，外部的环氧塑封料和空腔内壁的环氧玻纤吸收湿气后在回流焊时发生膨胀，挤压玻璃层（玻璃不会吸湿膨胀），造成环氧玻纤与玻璃之间界面应力集中。高应力易导致透明树脂下方界面分层、透明树脂断裂，甚至玻璃断裂等失效。

考虑到回流焊高温过程中，空腔内部的水蒸发会产生高压力，挤压空腔壁。高压力与吸湿量、空腔体积和温度有关，若空腔内湿气浓度饱和，则高温下在腔内会形成仅与温度相关的饱和蒸气压。

饱和蒸气压虽未使样品内部应力分布出现明显变化，但应力最大值显著增加。图 4 表明当温度上升到 130℃和 180℃时，最大应力为 100 - 150MPa。

图4 不同温度下塑封微摄像头器件内部空腔周围等效应力分布

随着温度升高，样品内部最大应力急剧上升，当温度达到 230℃和 265℃时，最大应力可达 300MPa，尤其是环氧玻纤与玻璃的界面处应力明显增大，说明高温下饱和蒸气压对应力增大贡献明显。空腔周围区域集中的应力可导致裂纹产生甚至扩展，对光学组件破坏严重。所采用的材料中，环氧塑封料的抗弯强度约为 150MPa、康宁玻璃的抗弯强度为 52.4MPa、环氧玻纤的抗弯强度约为 400MPa。回流焊过程中，环氧塑封料、玻璃未出现以弯曲变形为主的变形模式，但承受压应力较大，因此未出现大量材料弯曲断裂的失效现象。

无蒸气压力时 265℃回流焊在器件内部产生的最大应力为 180MPa，而引入蒸气压力下 265℃回流焊在器件内部产生的最大应力为 300MPa，增加约 67%。随着器件微型化发展，器件内空腔体积减小，吸湿后其内部水高温蒸发导致的应力将产生更大影响。因此，微小空腔塑封器件中的空腔内部应力与样品吸湿引起的湿膨胀、湿应力均对器件可靠性有重要影响。

2 大研智造激光锡球焊接机：应对塑封微摄像头焊接挑战的解决方案

2.1 实际应用效果与对比优势

鉴于塑封微摄像头在湿热环境下焊接面临的这些复杂失效问题，对焊接技术提出了严苛的要求。传统焊接方法已难以满足其对精度、热影响控制以及应力控制的需求，厂家迫切需要一种能够克服这些挑战，保障焊接质量和器件可靠性的先进焊接技术。在这样的背景下，大研智造激光锡球焊接机应运而生，为解决塑封微摄像头焊接中的难题带来了新的希望和有效的解决方案。

在实际生产中，某电子厂在引入大研智造激光锡球焊接机之前，采用传统焊接方法生产塑封微摄像头，产品合格率仅约为 70%。在使用大研智造激光锡球焊接机后，经过一个月的生产数据统计，产品合格率显著提升至 90% 以上。这主要归因于激光锡球焊接机有效减少了因湿热应力导致的各种失效问题。

同时，与市场上其他品牌的焊接机相比，大研智造激光锡球焊接机在处理塑封微摄像头焊接问题上展现出独特优势。以某竞争品牌焊接机为例，其在焊接类似的含空腔结构微摄像头时，虽然能够完成基本焊接任务，但在处理热敏感材料附近焊点时，会出现约 10% 的热影响导致的材料性能下降情况，而大研智造激光锡球焊接机的这一比例低于 1%。在应对微小空腔周围应力问题方面，该竞争品牌焊接机生产的产品在后续检测中发现有 8% 的产品存在因应力集中导致的微小裂纹，而大研智造激光锡球焊接机生产的产品这一不良率仅为 2%，充分证明了大研智造激光锡球焊接机在解决塑封微摄像头焊接问题上的卓越性能。

2.2 技术原理与特点

大研智造的激光锡球焊接机采用先进的激光技术，为塑封微摄像头的焊接工艺带来了新的解决方案。其激光系统具备高能量密度和高精度的特点，能够实现对微小焊点的精确焊接。

大研智造激光锡球焊接机的激光系统采用特定波长的激光，该波长处于对塑封微摄像头材料吸收性良好且对周围环境影响极小的范围。其功率范围在 60 - 200W 之间可灵活调节，在焊接不同尺寸焊点和不同材料组合时，可根据预设程序自动调整功率。例如，对于较小焊点和靠近玻璃等敏感材料的焊点，焊接机可自动降低功率至 60W，以精确控制热量输入，确保材料稳定性。

在塑封微摄像头这种对焊接精度要求极高的器件制造中，激光锡球焊接机可有效避免传统焊接方式可能带来的热影响问题。激光锡球焊接机的工作原理是利用激光束精确地加热锡球，使其在短时间内熔化并与焊接部位完美融合。与传统焊接方法相比，它能够精确控制热量输入，减少对周围材料的热影响。对于塑封微摄像头中的精密元件和复杂结构，这一特性尤为关键。例如，在焊接与玻璃、PMMA 等热敏感材料相邻的焊点时，传统焊接可能因热传递导致这些材料变形或性能受损，而激光锡球焊接机可以将热影响区域控制在极小范围内，确保这些材料的稳定性和性能不受影响。

此外，激光锡球焊接机配备了先进的视觉识别系统和定位系统。视觉识别系统运用了高分辨率的光学传感器和先进的图像处理算法。其光学传感器能够捕捉到微小至 0.01mm 的焊点特征，通过专门设计的图像处理算法，可在复杂背景和狭小空间内快速准确地识别焊点位置和状态。定位系统则基于高精度的运动控制平台和先进的反馈机制，运动控制平台在 X、Y、Z 三个方向上的定位精度均可达 0.01mm，在焊接过程中，通过实时的反馈机制，能够及时纠正可能出现的微小偏差，确保每个锡球都能精确地放置在预定焊点上，误差范围控制在 ±0.02mm 以内。这两个系统相互配合，大大提高了焊接的精度和效率。

在塑封微摄像头的制造过程中，由于其内部存在微小空腔结构，对焊接过程中的应力控制要求极高。激光锡球焊接机通过其独特的焊接工艺，可以有效减少焊接过程中产生的应力。它采用的是逐个锡球焊接的方式，避免了大量焊料同时熔化可能产生的应力集中问题。而且，由于焊接速度快、热量集中，材料在短时间内完成焊接，减少了因长时间受热而产生的热应力积累。这对于防止因焊接应力导致的器件内部微小空腔周围的材料分层、裂纹扩展等失效问题具有重要意义。

同时，激光锡球焊接机还具有高度的自动化和智能化特点。它可以根据预设的焊接程序自动完成焊接任务，无需大量人工干预。在生产过程中，能够保证每个焊接点的质量稳定一致，提高了产品的一致性和可靠性。而且，设备操作简单，维护方便，能够适应大规模生产的需求。

2.3 行业意义

环氧塑封器件在现代电子行业中占据着至关重要的地位。随着电子设备向小型化、高性能化发展，环氧塑封器件广泛应用于智能手机、平板电脑、可穿戴设备、汽车电子等众多领域。在这些应用场景中，塑封微摄像头作为图像采集的关键部件，其质量和可靠性直接影响到整个设备的性能。

以智能手机为例，高质量的塑封微摄像头对于拍摄清晰照片和录制流畅视频至关重要。据统计，在智能手机的售后维修中，约有 15% 的问题与摄像头相关，其中部分原因就是封装过程中的湿热应力问题导致的成像故障。在汽车电子领域，用于自动驾驶辅助系统的摄像头同样需要高可靠性的封装，以应对复杂多变的环境条件。因此，深入研究塑封微摄像头的湿热应力失效问题，并寻求有效的焊接解决方案，对于保障电子设备的整体质量和性能具有重大意义，这也凸显了大研智造激光锡球焊接机在电子制造行业中的重要价值。

3 结论

本文分析了塑封微摄像头湿热应力失效问题，阐述了大研智造激光锡球焊锡机的应用优势。

塑封微摄像头在湿热与高温作用下易出现多种失效模式，影响成像功能，且微型化发展使吸湿产生的蒸气压对可靠性影响更突出。

大研智造激光锡球焊锡机可有效应对这些问题。其激光技术能高精度焊接微小焊点，控制热量输入，配合视觉和定位系统可在复杂结构中准确焊接。独特焊接方式和工艺减少应力积累，降低失效风险。设备自动化、智能化，保证质量稳定，操作简单、维护方便，能满足大规模生产需求，对提高产品可靠性和性能意义重大，应用前景广阔。

本文由大研智造撰写，专注于提供智能制造精密焊接领域的最新技术资讯和深度分析。大研智造是集研发生产销售服务为一体的高精度激光锡球焊锡机技术厂家，拥有20年+的行业经验。想要了解更多关于激光焊锡机在智能制造精密焊接领域中的应用，或是有特定的技术需求，请通过大研智造官网与我们联系。欢迎来我司参观、试机、免费打样。

审核编辑 黄宇