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光子焊接方案
  2020-11-17      76

I-Connect007编辑团队的采访记录

I-Connect007编辑团队与NovaCentrix公司的Stan Farnsworth和Rudy Ghosh博士讨论他们的光子焊接解决方案,这是一个使用他们的光子固化工具的焊接工艺。这个新生的技术可能会带来颠覆性的影响,因为它的焊接速度可能会更快,更适合大批量使用,并且加热过程中使用的能源更少。

Barry Matties: 你能简单介绍一下你的背景和技术吗?

Stan Farnsworth: 我是NovaCentrix公司的首席市场营销官,在1999年创立NovaCentrix公司时,我是创始人之一。我们致力印刷电子产品已近15年,我们从导电油墨开始,把它作为一种纳米材料和纳米颗粒的一种应用,我们的公司就是为生产这些材料创立的。

我们涉足导电油墨时就意识到,为了电子制造行业的发展,必须有一种方法来开发这种能聚集的油墨,它在干燥后成为有用的导电产品,以生产低成本柔性基材。它涉及不同种类的塑料聚合物,纺织品,甚至纸张。 它与行业中传统使用的传统FR-4电子材料大相径庭。

Dan Feinberg: 在焊接方面,我们看到一些非常明显的变化。从手工焊接到波峰焊,我们花了大约十年时间。然后,我们从波峰焊到表面贴装。虽然这是一个缓慢的转变,但它的速度似乎在加快。目前,电子制造行业对焊接方面的变化持开放态度,这将很大程度上加快制造行业对光子固化和光子焊接的接受度。

Stan Farnsworth: 我们意识到,我们可以利用制造纳米材料的设备,把这种技术转化成一种新产品。这就是我们以Pulseforge*为商标的光子固化产品。这些工具使用广谱从近红外到紫外线光能进行烧化焊接。

Rudy Ghosh博士今天也在现场。他是负责焊接的技术项目负责人。他是我们应用团队的资深成员之一,领导焊锡技术的开发。通过与我们的一些合作伙伴合作,我们意识到光子固化工具可以用于焊接。在过去的几年里,我们已做到可以使用我们的工具为焊接提供正确的能量曲线。我们一直与在荷兰的Holst中心的合作伙伴密切合作。提到他们时,必须说的是,他们是光子固化工具的早期开发者。

Dr. Rudy Ghosh: 我们的技术合作伙伴和客户面临的最大挑战之一是把这些元件连接到基板上。在和合作伙伴的合作时,我们就已意识到,对于很多事情,解决方案几乎都要靠我们自己。这就是为什么我们要和技术伙伴合作,使光子焊接成为一种主要的焊接方案,甚至更进一步,使印刷电子产品无处不在。

Farnsworth: 我们的这些工具出售给研发部门,,并出售其他相关的生产平台。使用这个技术的大部分生产都在亚洲进行,这可能并不令人惊讶。我们也看到在亚洲销售的研发工具比其他地区多。不过,有一段时间,研发工具主要是在美国和欧洲销售,偶尔也销售生产工具。大多数的生产工具是在亚洲。

Ghosh: 把光子固化和光子焊接分开可能是个好主意。它们都是光与物质的相互作用。但是,这两种相互作用需要的时间量程和能量密度差别很大。

Matties: 你会怎样描述这两个技术的趋势?它的临界点在哪里?

Farnsworth: 我们开始向和我们一起工作的人提出这个想法。然后,可能是在两年前,我们开始在一些印刷柔性电子产品的学术会议上谈论它,看看有没有人会接受这个思路。我们发现很多值得注意的东西。这些东西是我们的市场的一个重要部分。

在消费类电子产品和医疗设备领域,我们遇到两三个主要的机会,他们试图在相对较短的时间内推出产品。他们的市场营销团队在设计解决方案时遇到一些难题,我们目前还远不能满足他们的要求,但这是一个强有力的信号,表明我们正在朝着正确的方向前进。

Matties: 就收益而言,这个技术背后的关键驱动因素是什么?

Ghosh: 如果你考虑一些热不稳定的基板,比如聚碳酸酯基板,这种基板是加热成型的,放在汽车里。在汽车行业中,对车用电子产品的要求要比普通的消费电子产品严格得多。当我们谈论汽车时,这主要是由公司推动的,这些公司拥有新的外形尺寸和可以放置电子产品的新地方。

如果你考虑的是速度,我们的一个补充技术是激光焊接。几乎所有可以用光子焊接做的工作都可以用激光焊接来做。这是不可否认的。不过,用激光焊接来做的速度要比光子焊接慢三个数量级,尤其是电子产品变得越来越小、一块拼板上的元件越来越多时。如果你是一个端点接一个端点焊接,要么你需要几十台激光同时工作——这会推高成本,要么你的焊接进展缓慢——这会减少每小时焊接的单元,推高成本。光子焊接提供一个大面积的光窗,任何必须变热的东西都会变热。

Matties:光子焊接是否比激光焊接更适合大批量生产环境?

Ghosh: 当然是。特别是如果你有一个巨大的微型LED面板在PAT上,PAT依靠广告牌固定,广告牌的尺寸是48英尺乘96英尺。LED面板上的LED数量巨大。你不可能用激光来快速焊接,不论你使用多少激光。我们的光子焊接工具设计成模块,在同一时刻提供大量的光,光的宽度和模块的面板尺寸一样。这是我们的光子焊接比激光焊接更快的优势所在。

其次,在焊接时,如果你想从一个元件移动到另一个元件,就要移动焊接工具的部件——这种移动的复杂程度对生产是不言而喻的。第三,我们现在谈论的焊接技术基本上是一种开、关技术。只要灯一亮,东西就变热。灯一灭,东西就是不再变热。

速度是光子焊接的天然优势,但是,它还有节省大量能源的好处。光子焊接只加热你必须加热的位置,加热的区域可能只有几厘米。随着电子行业走向更高的速度、全新的外形,以及电子行业推广绿色节能工厂,迄今为止,我们已开发出来的技术是最大的受益者。

Happy Holden: 当我考虑焊接时,我想的是无铅焊锡、锡铅焊锡或铋焊锡。当你说到光子焊接时,它和激光焊接一样,也使用标准的无铅SAC305吗?

Ghosh: 是的。

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Holden: 传统的锡膏中焊锡粉末的浓度通过筛选确定,你们各位开发的锡膏中的焊锡粉末是一种特殊的纳米颗粒吗?

Ghosh: 到目前为止,我们的所有工作都是使用传统的现成焊锡焊接的。我们已经做了使用SAC305,从3型到7型的所有焊锡粉末型号的光子焊接。我们焊接过各种尺寸的单个锡铋焊锡球。我们希望能把这种焊接技术尽可能广泛地提供给客户。

公司需要数年的时间来确定焊料类型和供应商。我们去找我们的最初客户,对他们说,“把你们现有的焊锡给我们,我们要使用这种焊锡”。我们和技术合作伙伴一起工作,为各种各样的应用开发特殊的焊锡。我们的技术合作伙伴对这项技术与传统焊料以及专门为激光焊接或其他技术设计的焊料的工作效果非常满意。

Feinberg:如果光只能射到焊锡的顶部,结果会怎样?我们是不是可以这样说,光子焊接得到的焊点是在由阻焊膜形成的一个凹坑中。这时,焊锡是否仍然能在整个焊点位置都达到共晶点的温度?

Ghosh: 我们是使用白色光源,因此,这取决于凹坑的大小。在凹坑的位置没有遮蔽光的东西与其他的东西。不过,如果凹坑的直径是几微米或大一些,那么,整个焊点位置都会达到共晶点的温度,光会进入这个凹坑加热焊锡。还有,这是一个用光启动的工艺,但这个工艺是一个热驱动工艺。

Feinberg: 它是加热问题,不是一种光反应。

Ghosh: 对。光只是带来能量。射到焊锡顶部的光被吸收、散射,等等,然后转化成热量,这些热量驱动整个焊接工艺。这就是为什么我们可以完全使用传统的焊锡的原因。这些焊锡使用的能量数量仍然和传统的焊接一样多。

Holden: 和你考虑需要有多少能量进入红外回流炉时不同,光子法可能不需要相同的总能量。因为你不用加热基板。这更多是一种表面现象。

Ghosh: 确实是这样。红外加热器是专门设计来使聚合物、溶剂和有机物吸收热量的。它们就是为这个目的设计的。这就是为什么它们在干燥应用中如此有效的原因。你不能把聚酯(PET)基板一直放在大部分光是红外线的红外加热器下面,因为设计的PET也会吸收光谱中红外区域的光。我们的焊接工具使用白光。这些白光中有一些红外线成分,但它比可见光部分少很多,因为它是一个宽谱光源,我们还可以滤掉光谱的一些光,如果需要的话。你可以滤掉紫外线,可见光和红外光。这让我们有一定的选择性。

Holden: 它是不是类似冷凝焊接的能量,在冷凝焊接时,热量只应用到焊锡的表面,但不是整个焊锡?

Ghosh:在冷凝焊回流工艺中,焊锡吸收和转换它吸收的能量。这时,不是整个物体向能量暴露,但是,由于基板的其他部分要让热量通过,因此基板仍然看的到这些能量。在我们的设计中,我们使用一个叫做“束流收集器”的物体。这样,我们就把必要的能量输送到某个地方。很多能量在传递时被消耗掉了。

要记住,光子焊接是使用白光脉冲。脉冲在这里非常重要。如果你要在不损失热量的情况下输入相同数量的热量,不使用光脉冲你就会积累过多的能量,你就会破坏一切物体。即使是使用PET,也有两种情况:一种情况是光已经转化为热,另一种是热试图找到最好的热路径。它看到的热路径之一是通过焊锡,在通过焊锡时把它回流。我们引进光并将它转化为热量,接下来一切都是关于基板、元件、焊锡和导电路径的事情。基板可以是纸张、织物或TPU。

Holden: 我非常相信印刷电子产品的未来,尤其是一次性医疗电子产品。

Ghosh: 这是这个技术的主要驱动因素之一:制造高可靠性的一次性系统。你可以用活性炭纤维(ACF)和酰基载体蛋白(ACP)做很多这样的事情,但它们不那么可靠。任何其他的互连都不如焊锡提供的互连。在我们看来,我们在这里提供一种解决互连的方案,我们提供的互连和其他的互连同等,或者更好。

Feinberg: 热量是不是只在导体上产生,而不在电介质上?

Ghosh: 任何能吸收热量的物体都会产生热量。你可以制造一种深色的电介质,它会吸收热量。不过,在大多数情况下,介电层是透明的,不会变热。

Feinberg:如果你有一层像阻焊膜一样的光固化涂料,这层涂料会加快阻焊膜的固化吗?换句话说,在光子焊接时,阻焊膜除了自身立即固化外,紧挨着光固化涂料这个导体的助焊膜会有什么热变化吗?

Ghosh:这种情况不会出现,这首先是因为如果阻焊膜是有色的,比如是绿色的,那么,如果你想一想可见光的光谱,在可见光的光谱中,黄色和绿色几乎是可见光的主要颜色。绿色的阻焊膜会把大部分光直接反射回去。它吸收的唯一的光是紫外光部分,这些紫外光是用来进行光激活的光。这些光激活步骤通常是自我限制的。一旦完成激活,就不会再继续下去。再者,如果你把阻焊膜弄黑,那就会有问题,然后我们很可能不得不在阻焊膜上面放一层掩膜。但是,如果光固化涂层是在那些通常是黄色掩膜的区域,那就很好,因为不管怎样,黄色掩膜都能把光谱中的大部分光反射掉。

Holden: 你在什么时候用熔接代替焊接?

Ghosh: 你放上导电走线后的第一步将就是熔结。你熔结这些走线,使它们干燥,使它们有和大块金属一样的导电性。然后,第二步是你用模板印刷焊锡,拾起与贴片元件,然后进行回流。它们是时间量程和能量需求不同的两个步骤。如果我用在湿油墨上的能量和我用在焊锡上的能量一样,这些能量就会彻底破坏金属。导电油墨中的大量溶剂在过热时会引起剧烈爆炸,你的走线就不复存在。

但是,我们有控制导电油墨的液相线温度的能力,在不到一秒的时间里让它的温度上升到比液相线温度高得多的温度,然后让温度迅速下降,这样,我们就得到这些很薄的连续金属间化合物。此外,冷却过程是以秒计算的。当你关灯的时候,没有任何能量留下。这使我们得到这种漂亮的粒状微观结构,这种结构使焊点非常牢固。

Holden: 对于非常昂贵的军用高可靠性产品,传统的无铅焊接有一个严重问题,即回流焊需要在230-260℃的温度保持很长时间,这会破坏微通孔焊点。光子焊接不会把基板上的任何地方加热到接近这样的温度。我们谈论的是一些世界上最昂贵的电子产品,如果有一种替代的焊接方法,这种方法可以用无铅焊锡进行焊接,但不加热基板,这就是一个其他的人都没有的巨大优势。

Ghosh: 绝对是。这是光子焊接无可比拟的优势。它的最大优点是我们有足够能量的来回流焊锡,但没有足够的能量来加热大块材料。我们的一些工具能加热厚的金属,这是令人兴奋的,但那是一种不同的加热方式。这是一个非常特殊的应用,可以看到这种加热方式的优势。这个光子焊接工艺是自我限制的:一旦它形成一个很好的焊点,在此刻它就有一个很好的热途径,因此焊点不会变得更热。焊点不会向周围不是金属的物体散发热量。热量会试图找到尽可能多的金属走线传导热量,使焊点和周围的走线达到均匀的温度。

Matties: 关于Happy所说的质量改进,你们有没有做一些实验室测试来讨论质量和结构上的差异?

Ghosh: 对于焊点,我们做过实验。为了让它们做到可靠,我们必须有第三方的实验结果,这是最近我们一直在做的事情。到目前为止,我们所听到的实验结果都令人鼓舞。

Matties: 你有没有向OEM制造商推销你的研究成果?

Farnsworth: 我原以为会有某个特殊部门对我们的产品更感兴趣或不怎么感兴趣,不过,我们在研发过程中的每个阶段都受到很好的接待。

光子固化与光子焊接类似。在一些情况下,采用光子固化是由产品设计师推动的,他们把这个需求引入他们的供应链中,要求供应商的产品设计师与我们一起生产使用光子固化的新产品。我们还有其他的工具,它们是由制造商推动的,然后,他们说“这就是我们拥有的能力”。我们还与其他导电油墨制造商达成交易。我们对所有的这类活动都持开放态度,这是我们关注的事情之一。

我们很清楚在推进技术时将面临的挑战,我们认为,公司的历史、我们的团队的工程设计能力,以及我们的材料加工背景使我们拥有独特的价值主张。能够每天和这些人一起工作,我感到非常兴奋和荣幸。能和客户一起工作是很愉快的,能够帮助别人让我们自我感觉良好。

Matties: 这个设备是传送带化的吗?

Farnsworth: 我们今年夏天推出的生产工具是传送带化的。它与SMEMA完全兼容,并且它的设计适合制造商生产线中的现有硬件。

Matties: 这些生产工具中是否有一些附加的检查模块,或者,你的客户是否关心这个功能?

Farnsworth: 我们最早推出的产品没有专门配备检查模块,但我们有能力将它包含在产品里,我们可以使它和任何特定的生产工具结合,成为生产工具的一个部分。

Matties: 我认为,随着工业4.0和智能工厂的出现,你会在你的软件集成中考虑所有这些问题。

Farnsworth: 我们正在学习很多物体,我们有一个产品路线图。我们有两三个客户委婉地直接询问他们的工具什么时候能做好。我们把重点放在为他们部署的基本功能上,可以轻松地了解市场的发展方向以及将什么样的功能应用到我们的产品路线图中。

Matties: 第一台设备会放在哪个地方?

Farnsworth值得注意的是,第一批工具正在运往欧洲,美国和亚洲。

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