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热压焊工艺在高速相干光模块的应用
  2024-07-09      12

陈达、聂富刚、王剑

(中兴通讯股份有限公司,广东 深圳518057)

摘要:本文探讨了热压焊(Hot bar soldering)工艺在高速相干光模块细密引脚焊接中的应用。高速相干光通讯模块作为现代通信网络的核心组件,其可靠性和性能直接影响数据传输的效率与质量。柔性印制线路板(Flexible Printed Circuit board,FPC)广泛应用于光模块内部光收发组件与PCB之间的连接,随着光模块往高速率、低延时、小型化演进,FPC引脚间距从0.8mm pitch缩小到0.45mm pitch,给批量生产带来了极大挑战。

本文分析了热压焊工艺的基本原理、存在的不足,然后从PCB焊盘设计、设备和夹具等方面进行改进,确保了细密间距FPC焊接的电气和机械性能,最后展望了热压焊工艺在光模块未来发展趋势中的潜在应用。

[关键字]:相干光模块光收发组件FPC连接热压焊

背景描述

随着云计算、数据中心和5G通信的快速发展,对光模块的需求日益增长,特别是对高速率、低延迟、小型化的要求,加速光收发组件往高集成的小封装演进,目前主流的 400G、800G相干光模块大多采用CFP2封装,PCBA布局紧凑。某相干光模块mICR(Micro Intradyne Coherent Receiver,网络相干接收器)FPC引脚间距缩小到0.45mm pitch,焊盘宽度仅0.25mm,不符合普通热压焊工艺规范要求的0.8mm pitch,小批量试制采用手工焊接,不良率约12%,主要不良为FPC引脚偏移、桥连短路、阻抗过大、焊点拉尖、焊盘脱落等,不满足批量生产要求。

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图1 光器件0.45mm pitch FPC

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图2 高速信号焊盘脱落造成焊点开路

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图3 焊点拉尖与FPC过热分层

为解决光模块密间距FPC焊接不良问题,需要系统性地从PCB焊盘设计、设备与夹具、工艺流程、工艺调试、质量管控等方面入手。

热压焊工艺概述

2.1 基本原理

热压焊全称是脉冲加热回流焊接(Pulse-heated Reflow Soldering),也称热模焊(Hot-bar soldering),原理是利用脉冲电流通过高电阻材料(如钼、钛)制成的热压头,在热压头的接触区域迅速产生大量的焦耳热,将预置焊料熔融并形成焊接头。焊接过程中,热压头对焊件施加压力促使熔融焊锡更好地流动并充分填充焊接界面。在热压头上连接有热电偶,实时反馈控制脉冲电流,保证加热速率和温度。这种加热方式能够在极短的时间内达到所需的焊接温度,热影响区域小,是一种高效且精确的焊接方法,特别适合温度敏感器件焊接,近年来广泛用于光模块制造领域中柔性线路板(FPC)焊接。

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图4 热压焊工艺过程示意图

2.2 面临的挑战

随着相干光模块往高速率、小型化的演进,传统热压焊工艺因其固有特性也面临新的挑战。

2.2.1 热不均匀性

为了解决光模块高速信号的电磁干扰问题,需要采用高速板材、大面积连续的地平面(GND)、层间过孔、板内屏蔽层、差分对、优化散热设计等技术,导致信号引脚(RF)焊盘与地引脚(GND)焊盘热容差异大,但是热压头焊接面的温度是一致的,这就有可能出现:1)信号引脚焊接正常,地引脚焊盘温度不足;2)地引脚焊接正常,信号引脚焊盘温度过高。

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图5  地焊盘连接大面积铜箔导致热不均匀性

2.2.2 压力误差

热压焊过程必须对焊件施加压力,保证热传导,促使熔融焊锡流动并填充焊接界面。但是随着引脚中心距从0.8mm缩小0.45mm,小尺寸焊盘要求有更精准的压力控制,以避免焊点桥连、虚焊、填充不足等不良。热压焊设备通常使用气缸结构实现下压动作,难以满足高精度压力控制要求,原因有几个方面。

(1) 气缸最小压力需要能够支承整个热压头的自重,超出小焊点能承受的压力。

(2) 热压头与脉冲电源采用两根粗径大铜缆连接,在铜缆拖曳下,进一步放大压力误差。

(3) 生产车间压缩空气气压波动,造成气缸输出过压或不足。

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图6 使用气缸驱动的热压头

2.2.3 应力损坏风险

高速相干光模块PCBA板面布局密度提高,器件间距缩小,DSP与FPC焊点不足3.6mm,不足常规要求10mm的40%,同时焊盘背面没有支撑点,压力误差过大可能导致焊接过程DSP芯片焊点在应力作用下开裂。

2.2.4 对位精度低

常规热压焊是操作员在辅助摄像头下完成器件与PCBA焊盘对位。根据IPC-A-610标准,FPC引脚与PCB焊盘偏移应小于25%焊盘宽度,对于0.45mm pitch FPC,焊盘宽度为0.2mm,允许偏移量为0.05mm,人工操作难以满足。

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图7  FPC焊盘最大偏移量

综上所述,传统热压焊工艺在温度一致性、压力控制、对位精度上不能满足相干高速光模块的焊接要求,需要有相应的改善措施。

3 方案设计

根据分析结果,从PCB焊盘设计、设备及夹具、工艺流程等方面制定热压焊工艺改进方案。

表 1 热压焊工艺改进方案

       3.1 PCB设计优化

热压焊工艺下的PCB焊盘设计不仅涉及尺寸和形状,还需综合考虑焊接过程中的热管理、定位精度,具体优化内容如下。

3.1.1 地焊盘焊尺寸及形状

将PCB地焊盘分成3个小焊盘,使宽度与信号焊盘接近,并将大面积接地铜箔上的地焊盘改成花焊盘,减少热量散失。

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图8  地焊盘设计优化

3.1.2 定位标识

在焊盘周边高度与FPC外形对应的丝印,并选择2个地引脚去除表面绿油层,便于定位操作,见图8。

3.1.3 PCB布局

微调焊盘背面阻容位置,留出1.5×1.5的空间用于支撑,减少PCBA在焊接压力下的变形。

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图9  增加PCBA背面支撑点

3.2 压焊设备与夹具

高速相干光模块尺寸小、布局密度高,对热压焊接设备和夹具的要求更为严格,需做相应的升级改造。

3.2.1 压力控制

热压焊接设备应具有可调节的压力控制功能,压力大小根据光模块中元件的敏感程度和焊接要求设定。

根据应用经验,保证FPC底部焊锡流动并填充焊接界面所需压力约1Kgf/mm2,已知焊盘长度1.0mm,总宽度16mm,因此焊接压力应控制在16Kgf左右。焊接后FPC与PCBA间焊锡厚度应在0.01mm~0.02mm以减少信号损耗。

为实现压力与行程的精准控制,选用伺服电动滑台模组代替气缸结构,重复定位精度±0.005mm,滑台模组与热压头之间设有缓冲弹簧,电机驱动滑台模组上下运动压缩弹簧产生所需的压力。滑台模组丝杆螺距为10mm,电机旋转一圈需要10000个脉冲,即每1个脉冲的移动距离为10mm/10000=0.001mm,可达满足焊接要求。

在夹具与工作台之间安装压力传感器,实时检测热压头施加到PCBA的压力并反馈给PLC实现动态调整。压力传感器最大量程50Kg,综合误差±0.3%,即0.15Kgf。压力传感器安装在夹具底下,一方面是消除电源铜缆拖曳引入的压力变化,另一方面是避免温度影响传感器测量精度。焊接温度达到218℃后,焊锡在瞬间熔融坍塌,此时热压头应跟随下降并保持相同的压力。考虑到PLC的响应时间,电机选用扭矩环控制。

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图10  改造后的热压焊机结构示意图

3.2.2 热压头设计

钛合金的3D热压头结构稳定、热量分布均匀,但体积大、升温慢、加热时间长,容易局部过热造成PCB分层损坏。针对高速光模块焊盘小、板材散热快的特点,定制2D结构的镍合金热压头,厚度仅0.8mm,升温速率可达100℃/s,在热量散失前快速形成焊点。

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图11  3D热压头(左)与2D热压头

3.2.3 多功能夹具设计

针对高速光模块特点,主要增加了器件微调对位、辅助加热、光纤保护等功能,并通过仿真确认PCBA放置后可承受的下压力。

(1) 器件定位。设计两组高精度的微调定位系统,确保光器件在X、Y、Z、θ(旋转)四个方向上与PCB焊盘的精确对位,XYZ调节范围:±5mm,精度±0.01mm,θ轴粗调360°,精调±5°,精度±2′(1° = 60′)。

(2) 辅助加热。夹具支撑台在PCBA焊盘位置安装加热结构,温度50~200℃可调节,分辨率1℃,减少信号焊盘与地焊盘的热容差异。

(3) 保护措施。夹具尾部设计盘纤架,防止光器件尾纤在夹持和焊接过程中受损。

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图12  多功能夹具

(4) 支承设计。利用PCB布局优化得到的背面空间,夹具在对应位置设计有直径1mm的支撑销钉,防止焊接过程中PCBA变形,满足平面度≤0.04mm。通过力学仿真,PCB背面最大应变517ue,正面最大应变571ue,均小于周边电容及芯片应变阈值。

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图13  PCBA正面(左)与背面应变(右)

3.3 工艺流程

光模块热压焊的典型工艺流程如下:

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图14  热压焊典型工艺流程

相干光速光模块主要增加了FPC精准对位,并在焊接前进行预热,目的是使PCBA地层铜箔预先吸收一定的热量,减少信号焊盘与地焊盘的热不均匀性,减少热冲击。残留在高速信号焊盘间隙的助焊剂会引起容抗变化,影响眼图质量,必须使用专用清洁剂彻底清洁干净。

4 方案验证

4.1 参数调试

4.1.1 工艺因素

在PCB的焊盘外形尺寸、布局布线确定后,热压焊主要工艺因素为温度、时间、压力和钢网开孔(预置锡量)。

4.1.2 DOE验证

根据工艺因素分析结果及生产经验,设计4因子3水准验证方案。使用MiniTab软件运算得出9组实验组合。当焊接设备控温精度≤±5℃时,每组样本数量为9pcs。验证后得到各组工艺参数焊接结果,对结果分析可初步确定最优工艺参数范围,然后通过实际验证最终确定。

表 2  热压焊工艺因素

印锡钢网厚度0.08mm,共设计3种开孔尺寸。

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图14  钢网开孔方案(单位:mm)

4.1.3 验证结果

验证结果 见表3。从外观初步判断,第5组参数组合较优,可以此为基础继续优化。

表 3 DOE组合及验证结果

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图15  320℃组未能形成有效焊点

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图16  第5组焊点外观

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图17  第7组焊点外观(锡珠)

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图18  第9组焊点外观(绿油变色)

经优化后焊接工艺窗口如下。

表 4 热压焊工艺参数

注:上表为工艺验证设备的设置参数,当设备、器件、PCB等使用条件变化时,应参考焊点实测进行验证。

4.2 小批量试制

使用优化后的工艺参数进行小批量验证,焊接良率在99%以上,满足生产要求。

表 5 小批量验证结果

焊接过程助焊剂会附着残留在热压头表面,累积后影响热传导,需要定期擦拭清洁。 

5  结论与未来展望

相干高速光模块由于焊盘间距小、热容差异大,给普通热压焊设备带来了挑战,经过PCB设计优化、设备及夹具升级改造,解决了热不均匀性、压力偏差、对位精度不足等引入的焊接不良,并通过DOE实验得到较为理想的工艺窗口,满足了生产需求。

展望未来,随着光通信技术的持续发展,热压焊技术亦需不断创新,包括智能化视觉的引入,实现器件对位、水平调节、焊点外观检测的自动化操作;焊接参数优化算法的开发,结合对每批次产品的焊接参数、检测结果及任何异常记录的分析,实现对不同热容特性板材的自适应兼容。此外,探索热压焊与其他先进焊接技术的融合,以满足未来光模块对更高速率、更小体积、更高密度的要求。

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