0 引言

環氧塑封料 (epoxymoldingcompound，EMC) 具有吸濕性，對于環氧塑封器件，潮濕環境中的水分子可通過濕擴散過程進入封裝器件內。濕氣進入后會引起材料膨脹，產生濕應力，同時吸濕材料和非吸濕材料間界面的結合性能也會因吸濕而下降。在吸濕與熱載荷共同作用下，器件常出現濕熱相關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構的器件，濕氣進入后可能聚集在微小空腔內表面和周圍縫隙中。在經歷高溫環境（如回流焊）時，器件內部聚集的濕氣在高溫下蒸發，在密閉空腔中產生高氣壓。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、膨脹共同作用產生的高應力加速了器件失效，凸顯了濕熱對塑封器件封裝可靠性的顯著影響。吸濕引起的最大應力與熱應力相當，不同封裝類型器件在高溫過程中吸濕引起的應力最高可達熱應力的 1.3 - 3 倍，而且濕應力影響溫度變化過程中應力集中區域的分布，可見塑封器件中的濕應力不可忽視，濕熱共同作用對封裝可靠性影響顯著。

當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雜。在熱載荷單獨作用下，封裝器件對蒸氣壓導致的爆米花效應抵抗力強；但在濕熱同時作用下，蒸氣壓在微裂紋中分層處產生額外驅動力，且使剪切主導的載荷變為拉伸牽引主導的載荷，導致界面裂紋擴展的驅動力急劇上升。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，所以當器件有微小空腔時，空腔中產生的高壓力與濕熱應力共同作用，可能引發更嚴重的可靠性問題。

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氧玻纖材料。內部空腔直徑 1237μm，最大高度 634μm，由環氧塑封料包封，器件剖面圖和主要結構尺寸見圖 1 (b)。

圖 1 塑封微攝像頭器件結構

樣品經過回流焊后，經反射模式的超聲掃描顯微鏡檢測空腔周邊區域，發現樣品出現失效。對塑封微攝像頭器件樣品進行截面分析，結果顯示所有樣品都出現 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生多次反射，最終在感光芯片上產生重影；玻璃斷裂處和分層界面粗糙處的光路無法正確偏轉匯聚到感光芯片上；空腔四周的裂紋會導致透鏡無法良好固定，光軸易偏移，造成器件無法正確成像。

當溫度隨回流焊時間增加逐漸升高，器件內部溫差逐漸下降。項目樣品經過吸濕與回流焊過程后，根據濕、熱場分布可計算濕、熱應變，進而獲得器件內部應力?；亓骱父邷貢r，器件內部的范式等效應力分布如圖 3 所示。

圖3 塑封微攝像頭器件內部等效應力分布

從圖中可看出，濕熱局部應力集中于玻璃界面處，外部的環氧塑封料和空腔內壁的環氧玻纖吸收濕氣后在回流焊時發生膨脹，擠壓玻璃層（玻璃不會吸濕膨脹），造成環氧玻纖與玻璃之間界面應力集中。高應力易導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，空腔內部的水蒸發會產生高壓力，擠壓空腔壁。高壓力與吸濕量、空腔體積和溫度有關，若空腔內濕氣濃度飽和，則高溫下在腔內會形成僅與溫度相關的飽和蒸氣壓。

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

圖4 不同溫度下塑封微攝像頭器件內部空腔周圍等效應力分布

隨著溫度升高，樣品內部最大應力急劇上升，當溫度達到 230℃和 265℃時，最大應力可達 300MPa，尤其是環氧玻纖與玻璃的界面處應力明顯增大，說明高溫下飽和蒸氣壓對應力增大貢獻明顯?？涨恢車鷧^域集中的應力可導致裂紋產生甚至擴展，對光學組件破壞嚴重。所采用的材料中，環氧塑封料的抗彎強度約為 150MPa、康寧玻璃的抗彎強度為 52.4MPa、環氧玻纖的抗彎強度約為 400MPa。回流焊過程中，環氧塑封料、玻璃未出現以彎曲變形為主的變形模式，但承受壓應力較大，因此未出現大量材料彎曲斷裂的失效現象。

無蒸氣壓力時 265℃回流焊在器件內部產生的最大應力為 180MPa，而引入蒸氣壓力下 265℃回流焊在器件內部產生的最大應力為 300MPa，增加約 67%。隨著器件微型化發展，器件內空腔體積減小，吸濕后其內部水高溫蒸發導致的應力將產生更大影響。因此，微小空腔塑封器件中的空腔內部應力與樣品吸濕引起的濕膨脹、濕應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：應對塑封微攝像頭焊接挑戰的解決方案

2.1 實際應用效果與對比優勢

鑒于塑封微攝像頭在濕熱環境下焊接面臨的這些復雜失效問題，對焊接技術提出了嚴苛的要求。傳統焊接方法已難以滿足其對精度、熱影響控制以及應力控制的需求，廠家迫切需要一種能夠克服這些挑戰，保障焊接質量和器件可靠性的先進焊接技術。在這樣的背景下，大研智造激光錫球焊接機應運而生，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，采用傳統焊接方法生產塑封微攝像頭，產品合格率僅約為 70%。在使用大研智造激光錫球焊接機后，經過一個月的生產數據統計，產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力導致的各種失效問題。

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出獨特優勢。以某競爭品牌焊接機為例，其在焊接類似的含空腔結構微攝像頭時，雖然能夠完成基本焊接任務，但在處理熱敏感材料附近焊點時，會出現約 10% 的熱影響導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%。在應對微小空腔周圍應力問題方面，該競爭品牌焊接機生產的產品在后續檢測中發現有 8% 的產品存在因應力集中導致的微小裂紋，而大研智造激光錫球焊接機生產的產品這一不良率僅為 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，為塑封微攝像頭的焊接工藝帶來了新的解決方案。其激光系統具備高能量密度和高精度的特點，能夠實現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境影響極小的范圍。其功率范圍在 60 - 200W 之間可靈活調節，在焊接不同尺寸焊點和不同材料組合時，可根據預設程序自動調整功率。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，使其在短時間內熔化并與焊接部位完美融合。與傳統焊接方法相比，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雜結構，這一特性尤為關鍵。例如，在焊接與玻璃、PMMA 等熱敏感材料相鄰的焊點時，傳統焊接可能因熱傳遞導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域控制在極小范圍內，確保這些材料的穩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和定位系統。視覺識別系統運用了高分辨率的光學傳感器和先進的圖像處理算法。其光學傳感器能夠捕捉到微小至 0.01mm 的焊點特征，通過專門設計的圖像處理算法，可在復雜背景和狹小空間內快速準確地識別焊點位置和狀態。定位系統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的微小偏差，確保每個錫球都能精確地放置在預定焊點上，誤差范圍控制在 ±0.02mm 以內。這兩個系統相互配合，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，由于其內部存在微小空腔結構，對焊接過程中的應力控制要求極高。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生的應力。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生的應力集中問題。而且，由于焊接速度快、熱量集中，材料在短時間內完成焊接，減少了因長時間受熱而產生的熱應力積累。這對于防止因焊接應力導致的器件內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。它可以根據預設的焊接程序自動完成焊接任務，無需大量人工干預。在生產過程中，能夠保證每個焊接點的質量穩定一致，提高了產品的一致性和可靠性。而且，設備操作簡單，維護方便，能夠適應大規模生產的需求。

2.3 行業意義

環氧塑封器件在現代電子行業中占據著至關重要的地位。隨著電子設備向小型化、高性能化發展，環氧塑封器件廣泛應用于智能手機、平板電腦、可穿戴設備、汽車電子等眾多領域。在這些應用場景中，塑封微攝像頭作為圖像采集的關鍵部件，其質量和可靠性直接影響到整個設備的性能。

以智能手機為例，高質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重要。據統計，在智能手機的售后維修中，約有 15% 的問題與攝像頭相關，其中部分原因就是封裝過程中的濕熱應力問題導致的成像故障。在汽車電子領域，用于自動駕駛輔助系統的攝像頭同樣需要高可靠性的封裝，以應對復雜多變的環境條件。因此，深入研究塑封微攝像頭的濕熱應力失效問題，并尋求有效的焊接解決方案，對于保障電子設備的整體質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中的重要價值。

3 結論

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

塑封微攝像頭在濕熱與高溫作用下易出現多種失效模式，影響成像功能，且微型化發展使吸濕產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對這些問題。其激光技術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可在復雜結構中準確焊接。獨特焊接方式和工藝減少應力積累，降低失效風險。設備自動化、智能化，保證質量穩定，操作簡單、維護方便，能滿足大規模生產需求，對提高產品可靠性和性能意義重大，應用前景廣闊。

本文由大研智造撰寫，專注于提供智能制造精密焊接領域的最新技術資訊和深度分析。大研智造是集研發生產銷售服務為一體的高精度激光錫球焊錫機技術廠家，擁有20年+的行業經驗。想要了解更多關于激光焊錫機在智能制造精密焊接領域中的應用，或是有特定的技術需求，請通過大研智造官網與我們聯系。歡迎來我司參觀、試機、免費打樣。

審核編輯 黃宇