陈达、聂富刚、王剑
（复兴通讯株式会社）
择要：本文磋商了热压焊（Hot bar soldering）工艺在高速相关光模块周详引脚焊接中的运用。高速相关光通讯模块作为当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）广泛运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寻衅。
本文剖析了热压焊工艺的基本事理、存在的不敷，然后从PCB焊盘设计、设备和夹具等方面进行改进，确保了周详间距FPC焊接的电气和机器性能，末了展望了热压焊工艺在光模块未来发展趋势中的潜在运用。
[关键字]:相关光模块、光收发组件、FPC连接、热压焊背景描述随着云打算、数据中央和5G通信的快速发展，对光模块的需求日益增长，特殊是对高速率、低延迟、小型化的哀求，加速光收发组件往高集成的小封装演进，目前主流的 400G、800G相关光模块大多采取CFP2封装，PCBA布局紧凑。某相关光模块mICR（Micro Intradyne Coherent Receiver，网络相关吸收器）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哀求的0.8mm pitch，小批量试制采取手工焊接，不良率约12%，紧张不良为FPC引脚偏移、桥连短路、阻抗过大、焊点拉尖、焊盘脱落等，不知足批量生产哀求。
图1 光器件0.45mm pitch FPC
图2 高速旗子暗记焊盘脱落造成焊点开路
图3 焊点拉尖与FPC过热分层
为办理光模块密间距FPC焊接不良问题，须要系统性地从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。
热压焊工艺概述基本事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)，事理是利用脉冲电流利过高电阻材料（如钼、钛）制成的热压头，在热压头的打仗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匆匆使熔融焊锡更好地流动并充分添补焊接界面。在热压头上连接有热电偶，实时反馈掌握脉冲电流，担保加热速率和温度。这种加热办法能够在极短的韶光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手法，特殊适宜温度敏感器件焊接，近年来广泛用于光模块制造领域中柔性线路板（FPC）焊接。
图4 热压焊工艺过程示意图
面临的寻衅
随着相关光模块往高速率、小型化的演进，传统热压焊工艺因其固有特性也面临新的寻衅。
热不屈均性为理解决光模块高速旗子暗记的电磁滋扰问题，须要采取高速板材、大面积连续的地平面（GND）、层间过孔、板内屏蔽层、差分对、优化散热设计等技能，导致旗子暗记引脚（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同等的，这就有可能涌现：1）旗子暗记引脚焊接正常，地引脚焊盘温度不敷；2）地引脚焊接正常，旗子暗记引脚焊盘温度过高。
图5 地焊盘连接大面积铜箔导致热不屈均性
压力偏差
热压焊过程必须对焊件施加压力，担保热传导，匆匆使熔融焊锡流动并添补焊接界面。但是随着引脚中央距从0.8mm缩小0.45mm，小尺寸焊盘哀求有更精准的压力掌握，以避免焊点桥连、虚焊、添补不敷等不良。热压焊设备常日利用气缸构造实现下压动作，难以知足高精度压力掌握哀求，缘故原由有几个方面。
气缸最小压力须要能够支承全体热压头的自重，超出小焊点能承受的压力。热压头与脉冲电源采取两根粗径大铜缆连接，在铜缆拖曳下，进一步放大压力偏差。生产车间压缩空气气压颠簸，造成气缸输出过压或不敷。图6 利用气缸驱动的热压头
应力破坏风险
高速相关光模块PCBA板面布局密度提高，器件间距缩小，DSP与FPC焊点不敷3.6mm，不敷常规哀求10mm的40%，同时焊盘背面没有支撑点，压力偏差过大可能导致焊接过程DSP芯片焊点在应力浸染下开裂。
对位精度低常规热压焊是操作员在赞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，对付0.45mm pitch FPC，焊盘宽度为0.2mm，许可偏移量为0.05mm，人工操作难以知足。
图7 FPC焊盘最大偏移量
综上所述，传统热压焊工艺在温度同等性、压力掌握、对位精度上不能知足相关高速光模块的焊接哀求，须要有相应的改进方法。
方案设计根据剖析结果，从PCB焊盘设计、设备及夹具、工艺流程等方面制订热压焊工艺改进方案。
表 1 热压焊工艺改进方案
序号
不敷点
改进内容
改进点1
热不屈均性
1.优化PCB焊盘设计，使热容趋于同等；
2.焊接前增加赞助加热，降落各焊盘热不屈均性。
改进点2
压力偏差
利用伺服电机代替气缸机构，精准掌握压力输出。
改进点3
应力破坏风险
1.优化PCB布局，在焊盘背面供应支撑点；
2.通过仿真确认应变是否在可接管范围内。
改进点4
器件定位精度低
利用夹具实现精准对位。
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，详细优化内容如下。
地焊盘焊尺寸及形状将PCB地焊盘分成3个小焊盘，使宽度与旗子暗记焊盘靠近，并将大面积接地铜箔上的地焊盘改成花焊盘，减少热量散失落。
图8 地焊盘设计优化
定位标识
在焊盘周边高度与FPC形状对应的丝印，并选择2个地引脚去除表面绿油层，便于定位操作，见图8。
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。
图9 增加PCBA背面支撑点
压焊设备与夹具
高速相关光模块尺寸小、布局密度高，对热压焊接设备和夹具的哀求更为严格，需做相应的升级改造。
压力掌握热压焊接设备应具有可调节的压力掌握功能，压力大小根据光模块中元件的敏感程度和焊接哀求设定。
根据运用履历，担保FPC底部焊锡流动并添补焊接界面所需压力约1Kgf/mm2，已知焊盘长度1.0mm，总宽度16mm，因此焊接压力应掌握在16Kgf旁边。焊接后FPC与PCBA间焊锡厚度应在0.01mm~0.02mm以减少旗子暗记损耗。
为实现压力与行程的精准掌握，选用伺服电动滑台模组代替气缸构造，重复定位精度±0.005mm，滑台模组与热压头之间设有缓冲弹簧，电机驱动滑台模组高下运动压缩弹簧产生所需的压力。滑台模组丝杆螺距为10mm，电机旋转一圈须要10000个脉冲，即每1个脉冲的移动间隔为10mm/10000=0.001mm，可达知足焊接哀求。
在夹具与事情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实现动态调度。压力传感器最大量程50Kg，综合偏差±0.3%，即0.15Kgf。压力传感器安装在夹具底下，一方面是肃清电源铜缆拖曳引入的压力变革，另一方面是避免温度影响传感器丈量精度。焊接温度达到218℃后，焊锡在瞬间熔融坍塌，此时热压头应跟随低落并保持相同的压力。考虑到PLC的相应韶光，电机选用扭矩环掌握。
图10 改造后的热压焊机构造示意图
热压头设计
钛合金的3D热压头构造稳定、热量分布均匀，但体历年夜、升温慢、加热韶光长，随意马虎局部过热造成PCB分层破坏。针对高速光模块焊盘小、板材散热快的特点，定制2D构造的镍合金热压头，厚度仅0.8mm，升温速率可达100℃/s，在热量散失落前快速形成焊点。
图11 3D热压头（左）与2D热压头
图11 3D热压头（左）与2D热压头
多功能夹具设计
针对高速光模块特点，紧张增加了器件微调对位、赞助加热、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。
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′）。赞助加热。夹具支撑台在PCBA焊盘位置安装加热构造，温度50~200℃可调节，分辨率1℃，减少旗子暗记焊盘与地焊盘的热容差异。保护方法。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。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，知足平面度≤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。
图13 PCBA正面（左）与背面应变（右）
工艺流程
光模块热压焊的范例工艺流程如下：
图14 热压焊范例工艺流程
相关光速光模块紧张增加了FPC精准对位，并在焊接提高行预热，目的是使PCBA地层铜箔预先接管一定的热量，减少旗子暗记焊盘与地焊盘的热不屈均性，减少热冲击。残留在高速旗子暗记焊盘间隙的助焊剂会引起容抗变革，影响眼图质量，必须利用专用清洁剂彻底清洁干净。
方案验证参数调试工艺成分在PCB的焊盘形状尺寸、布局布线确定后，热压焊紧张工艺成分为温度、韶光、压力和钢网开孔（预置锡量）。
DOE验证根据工艺成分剖析结果及生产履历，设计4因子3水准验证方案。利用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，对结果剖析可初步确定最优工艺参数范围，然后通过实际验证终极确定。
表 2 热压焊工艺成分
因子
水准1
水准2
水准3
温度/℃
320
360
440
韶光/s
3.0
5.0
7.0
压力/Kgf
10
16
22
钢网开孔面积
40%
50%
60%
印锡钢网厚度0.08mm，共设计3种开孔尺寸。
图14 钢网开孔方案（单位：mm）
验证结果
验证结果 见表3。从外不雅观初步判断，第5组参数组合较优，可以此为根本连续优化。
表 3 DOE组合及验证结果
组
温度/℃
韶光/s
压力/Kgf
钢网
开孔
焊接不良
/套
解释
1
320
3.0
10
40%
9
未形成有效焊点
2
320
5.0
16
50%
9
FPC过孔全部不润湿
3
320
7.0
22
60%
9
地焊盘全部不润湿
4
360
3.0
16
60%
5
地焊盘添补不敷
5
360
5.0
22
40%
0
焊锡溢出覆盖焊盘部分表面
6
360
7.0
10
50%
3
地焊盘添补不敷，旗子暗记焊盘锡珠
7
440
3.0
22
50%
3
涌现锡珠
8
440
5.0
10
60%
1
涌现锡珠
9
440
7.0
16
40%
9
PCB绿油变色
图15 320℃组未能形成有效焊点
图16 第5组焊点外不雅观
图17 第7组焊点外不雅观（锡珠）
图18 第9组焊点外不雅观（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
钢网开孔
赞助加热
温度阶段
温度
韶光
压力
焊盘面积
45%
温度：220℃
预热段
240-260℃
4~8s
1.8-2.0Kgf
韶光：60s
焊接段
360-370℃
4-5s
注：上表为工艺验证设备的设置参数，当设备、器件、PCB等利用条件变革时，应参考焊点实测进行验证。
小批量试制利用优化后的工艺参数进行小批量验证，焊接良率在99%以上，知足生产哀求。
表 5 小批量验证结果
批次
数量/套
焊接不良数量/套
焊接良率
备注
1
30
0
100%
2
30
0
100%
3
100
1
99%
热压头脏污造成的添补不敷
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，须要定期擦拭清洁。
结论与未来展望相关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寻衅，经由PCB设计优化、设备及夹具升级改造，办理了热不屈均性、压力偏差、对位精度不敷等引入的焊接不良，并通过DOE实验得到较为空想的工艺窗口，知足了生产需求。
展望未来，随着光通信技能的持续发展，热压焊技能亦需不断创新，包括智能化视觉的引入，实现器件对位、水平调节、焊点外不雅观检测的自动化操作；焊接参数优化算法的开拓，结合对每批次产品的焊接参数、检测结果及任何非常记录的剖析，实现对不同热容特性板材的自适应兼容。此外，探索热压焊与其他前辈焊接技能的领悟，以知足未来光模块对更高速率、更小体积、更高密度的哀求。
