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激光精密錫焊技術在 Mini LED 封裝與返修中的創新應用2025-09-29

Martin Deng，Fisher Wang 由力自動化科技 (上海) 有限公司
摘要

隨著 Mini LED 技術在高端顯示、車載照明等領域的快速滲透，其封裝過程中的巨量轉移精度與返修階段的單顆修復難題日益凸顯。傳統封裝技術（如回流焊、熱壓焊）面臨全局加熱導致的基板翹曲、焊點質量不均，以及返修時對周邊芯片的熱損傷等挑戰。本文探討由力鐳射自主研發的激光精密錫焊系統，結合高速閉環溫控與光束整形技術，在 Mini LED 封裝與返修中的應用方案。實驗驗證表明，該技術可實現 ±2℃的溫度控制精度、0.01mm 的定位精度，使 Mini LED 巨量轉移良率提升到 99% 以上，返修良率突破 98%，同時將工藝時間縮短 50%，為 Mini LED 產業的降本增效提供了關鍵技術支撐。

關鍵詞
激光精密錫焊；Mini LED 封裝；閉環溫控；光束整形；Mini LED 返修
1. 引言
1.1 Mini LED 封裝與返修背景
Mini LED 作為新一代顯示技術的核心方案，憑借高對比度、高亮度、低功耗的優勢，已廣泛應用于電競顯示器、筆記本電腦、車載中控屏等場景。其核心特征是芯片尺寸縮小到 50-200μm，單模組芯片數量可達數千***數萬顆，這對封裝環節的 “巨量轉移精度” 與返修環節的 “單顆精準修復” 提出了嚴苛要求。
當前，Mini LED 封裝的核心痛點集中在兩點：一是巨量轉移時，傳統回流焊的全局加熱易導致 PCB 基板或玻璃基板翹曲（翹曲量常＞15μm），進而引發焊點偏移；二是焊點尺寸微小（直徑≤200μm），傳統送錫方式（如錫膏印刷）難以保證焊料量的精準控制，導致 IMC 層（金屬間化合物）生長不均。而在返修環節，傳統熱風返修技術因加熱范圍難控，極易造成周邊正常芯片的熱損傷，返修良率普遍低于 85%，嚴重制約 Mini LED 產品的量產效率。
1.2 傳統封裝與返修技術挑戰
在 Mini LED 封裝領域，傳統技術路線的局限性已成為產業升級的瓶頸，具體表現為：
回流焊的全局加熱問題：回流焊通過熱板傳導或熱風實現整體升溫，Mini LED 基板（尤其是玻璃基板）的熱膨脹系數（CTE）與焊料差異較大，全局加熱易導致基板翹曲，使 100μm 以下的微小焊點出現虛焊或脫焊，良率通常低于 95%；
熱壓焊的機械損傷風險：熱壓焊需通過壓頭施加機械壓力實現鍵合，Mini LED 芯片厚度僅 20-50μm，高硬度的 Si 基芯片易在壓力作用下產生裂紋，裂紋發生率高達 3%-5%；
傳統返修的精度不足：熱風返修槍的加熱范圍通常＞500μm，而 Mini LED 芯片間距常＜300μm，加熱時會導致周邊 3-5 顆芯片的焊料二次熔化，返修后模組良率驟降；
溫度控制的穩定性差：傳統技術的溫度反饋頻率＜100Hz，難以適配 Mini LED 焊點 “快速升溫 - 精準保溫 - 緩慢冷卻” 的工藝需求，易出現 IMC 層過度生長（厚度＞12μm）或生長不充分（厚度＜3μm）的問題。

1.3 激光精密錫焊技術引入與演進
激光精密錫焊技術以 “局部加熱、非接觸、高精度控溫” 的核心優勢，成為解決 Mini LED 封裝與返修痛點的關鍵方案。其技術演進可分為三個階段：
萌芽期（2015-2018）：早期激光錫焊技術以高斯光束為主，能量分布不均導致焊點邊緣過熱，僅適用于單顆芯片的簡單焊接，溫控精度僅 ±10℃，未實現產業化應用；
突破期（2018-2021）：光束整形技術（如微透鏡陣列）的引入，實現了 “平頂光斑” 的能量均勻分布，溫控精度提升到 ±5℃，部分企業開始將其用于 Mini LED 小批量返修；
成熟期（2021 - 2025）：由力鐳射等企業通過 “同軸閉環溫控 + CCD 視覺定位” 的技術整合，將溫度反饋頻率提升到 10000Hz 以上，溫控精度突破 ±2℃，定位精度達 0.01mm，成功實現 Mini LED 巨量封裝與返修的量產應用。
2. 激光精密錫焊系統設計與實現
2.1 系統架構
由力鐳射 Mini LED 專用激光錫焊系統（型號：ULM-SB-XXX+LBS-mini）由五大核心模塊組成，形成 “激光輸出 - 光束整形 - 精準送錫 - 閉環溫控 - 視覺監控” 的完整鏈路（圖 1）：
激光源模塊：采用光纖耦合半導體激光，波長 915nm，輸出功率 100-200W，支持連續波（CW）與脈沖模式切換，適配不同厚度基板的加熱需求；
光學整形模塊：集成 DOE（衍射光學元件）與微透鏡陣列，將高斯光束轉換為平頂光斑，光斑尺寸可在 100-2000μm 范圍內定制，能量均勻度＞90%；
精準送錫模塊：針對 Mini LED 封裝設計錫球送料機構，支持直徑 150-300μm 的 Au80Sn20 或 SnAg3.0Cu0.5 錫球，送錫精度達 10μm，單次送錫量誤差＜5%；
閉環溫控模塊：同軸集成紅外高溫計，測溫頻率 10000Hz，搭配 PID 算法實時調整激光功率，確保焊點溫度穩定在設定區間（±2℃）；
視覺定位模塊：CCD 相機與激光光路同軸設計，定位精度 0.01mm，可實時捕捉焊點形貌，自動保存焊接視頻與溫度曲線，支持后期數據追溯。

2.2 核心部件設計
（1）光束整形部件
光束整形是保證 Mini LED 焊點均勻性的核心。由力鐳射采用 “DOE + 微透鏡陣列” 的雙級整形方案：***級通過 DOE 將高斯光束分解為多束子光束，二級通過微透鏡陣列將子光束疊加為能量均勻的平頂光斑。該設計可使光斑邊緣與中心的能量差＜5%，避免傳統高斯光束 “中心過熱、邊緣欠熱” 導致的焊點形貌不均問題。
（2）精準送錫機構
針對 Mini LED 巨量轉移的 “高節拍” 需求，送錫機構采用 “分球盤 + 氮氣輔助” 設計：分球盤通過精密電機控制轉速，將錫球從容器送入噴嘴（噴嘴口徑比錫球小 5-10μm），氮氣氣壓推動錫球精準落位到焊盤，同時防止錫球在傳輸過程中氧化。該機構的單次送錫時間＜0.5s，支持每小時 6000 顆以上的巨量轉移節拍。
（3）非接觸式焊接頭
為避免機械壓力對 Mini LED 芯片的損傷，系統采用非接觸式焊接頭設計，激光與焊料的距離可通過 Z 軸伺服電機調節（調節精度 0.001mm）。焊接過程中無需接觸芯片表面，僅通過激光能量實現焊料熔化，將芯片裂紋發生率從傳統熱壓焊的 3% 降低到0.1% 以下。

2.3 閉環溫控與視覺監控系統
（1）高速閉環溫控
系統的閉環溫控邏輯分為三步：①紅外高溫計實時采集焊點溫度（采樣頻率 10000Hz）；②PID 算法對比實際溫度與設定溫度曲線，計算功率調整量；③激光源根據調整量實時改變輸出功率，確保溫度波動≤±2℃。此外，系統內置 “升溫 - 保溫 - 峰值”（RSP）溫度曲線模板，可通過軟件自定義保溫時間（0-10s），有效減少焊點空洞率（空洞率＜1%）。
（2）CCD 同軸視覺監控
CCD 相機與激光光路同軸集成，可實時拍攝焊點的熔化、融合、結晶全過程，并通過激光控制軟件自動保存視頻與關鍵參數（如溫度曲線、送錫量）。同時，視覺系統具備 “自動定位補償” 功能：若焊盤存在 ±0.05mm 的偏移，系統可通過圖像識別自動調整激光聚焦位置，確保焊點精準落位。

3. 實驗驗證與分析

3.1 實驗材料與方法
（1）實驗材料
Mini LED 芯片：尺寸 150μm×150μm×50μm（藍寶石襯底，GaN 外延層）；
基板：玻璃基板（厚度 0.5mm）、PCB 基板（FR-4 材質，厚度 1.0mm）；
焊料：Au80Sn20 錫球（直徑 150μm）、SnAg3.0Cu0.5 錫膏（顆粒度 20-38μm）；
實驗設備：由力鐳射 ULM-SB-XXX 激光錫球焊模組（用于封裝）、LBS-mini 激光返修系統（用于返修）。
（2）實驗方法
封裝實驗：設置 3 組溫度曲線（RSP 曲線：升溫到 220℃→保溫 2s→峰值 240℃；RP 曲線：直接升溫到 240℃；傳統回流焊曲線：升溫到 240℃→保溫 5s），每組完成 1000 顆芯片的巨量轉移，評估良率、焊點強度與基板翹曲量；
返修實驗：選取 100 顆焊接不良的 Mini LED 芯片，采用激光返修系統（光斑尺寸 200μm）與傳統熱風返修槍（加熱范圍 500μm）分別修復，對比返修良率、修復時間與周邊芯片損傷率。
3.2 封裝良率與焊點強度分析
實驗結果顯示，激光精密錫焊系統的封裝良率顯著優于傳統技術：
采用 RSP 溫度曲線的激光錫焊組，巨量轉移良率達 99.2%，遠高于 RP 曲線組（96.5%）與傳統回流焊組（94.8%）；
焊點剪切強度測試：激光錫焊組的平均剪切力為 0.85N，傳統回流焊組為 0.62N，提升 37%，原因是激光加熱的 IMC 層（Cu6Sn5）厚度均勻（5-8μm），而傳統回流焊的 IMC 層厚度波動較大（3-12μm）。
3.3 基板翹曲量測試
通過激光輪廓儀測量基板翹曲量：
傳統回流焊組：玻璃基板翹曲量為 18.5μm，PCB 基板翹曲量為 12.3μm；
激光錫焊組：玻璃基板翹曲量僅 4.2μm，PCB 基板翹曲量為 3.8μm，降幅超 70%。這是因為激光的局部加熱范圍僅覆蓋焊點區域（＜200μm），避免了基板整體受熱膨脹。
3.4 返修效率與良率對比
返修實驗數據顯示，激光返修系統在效率與精度上優勢顯著：
指標      激光返修系統      傳統熱風返修槍   提升幅度
單顆修復時間      8.5s     32.1s   73.5%
返修良率      98.3% 84.7% 16.1%
周邊芯片損傷率   0.5%    8.2%    93.9%
原因在于激光返修的光斑可精準匹配芯片尺寸（200μm），僅加熱不良芯片的焊點，而傳統熱風的寬范圍加熱會導致周邊芯片焊料二次熔化。
3.5 焊點界面形貌分析
通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊點界面：
激光錫焊組：IMC 層（Cu6Sn5）連續且均勻，厚度約 6.2μm，無明顯空洞或裂紋；
傳統回流焊組：IMC 層厚度波動大（4.1-11.8μm），部分焊點存在微小空洞（直徑＜5μm），原因是全局加熱導致焊料中助焊劑揮發不均。
4. 討論與展望
4.1 技術優勢總結
由力鐳射激光精密錫焊技術在 Mini LED 封裝與返修中的優勢可概括為 “三高一低”：
高精度：±2℃溫控精度、0.01mm 定位精度，適配 Mini LED 微小焊點需求；
高良率：封裝良率＞99%、返修良率＞98%，解決傳統技術的良率瓶頸；
高效率：巨量轉移節拍＞6000 顆 / 小時，返修時間縮短 70%，提升量產效率；
低損傷：非接觸加熱減少基板翹曲（＜5μm）與芯片裂紋（＜0.1%），降低物料損耗。

4.2 未來研究方向
盡管該技術已實現產業化應用，仍需在以下方向深化：
多材料適配：探索激光錫焊在柔性基板（如 PI 基板）與 Mini LED 的結合方案，解決柔性基板的熱變形問題；
AI 智能集成：將視覺系統與 AI 算法結合，實現 “自動缺陷識別 - 自動參數調整 - 自動返修” 的全流程無人化；
成本優化：通過簡化光學系統結構、采用國產激光源，降低設備成本，推動技術向中低端 Mini LED 市場滲透。
結論
本文通過系統設計與實驗驗證，證明由力鐳射激光精密錫焊技術可有效解決 Mini LED 封裝與返修中的核心痛點。其閉環溫控與光束整形技術的結合，實現了 “精準加熱、低損傷、高良率” 的工藝目標，為 Mini LED 產業的量產化提供了可靠技術方案。未來，隨著技術的持續優化與成本下降，激光精密錫焊有望成為 Mini LED 封裝與返修的主流技術路線，推動新一代顯示產業的快速發展。
由力鐳射核心產品參考
激光錫球焊模組（ULM-SB-XXX）：適配 Mini LED 巨量轉移，支持 150-300μm 錫球；
Mini LED 返修系統（LBS-mini）：集成雙光斑技術，光斑尺寸 100-200μm；
官網：www.ulilaser.com
電話：400-869-3332
郵箱：support@www.tjrfsjgg.com

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激光精密錫焊技術在 Mini LED 封裝與返修中的創新應用2025-09-29

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