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綠光激光器為導(dǎo)電材料的大批量微焊接提供了一種可行方法

作者：Geoff Shannon，Paul Severloh；Miyachi Unitek公司

通過連接導(dǎo)電部件實現(xiàn)電接觸是最古老、最普遍的一種連接應(yīng)用。連接應(yīng)用乎遍及所有的工業(yè)領(lǐng)域，而實現(xiàn)連接的各項技術(shù)，受成本、連接性能和產(chǎn)量需求等諸多因素的驅(qū)動，也在不斷發(fā)展。

隨著零件尺寸不斷小型化，以及扁平排線接頭的厚度降至低于0.004英寸，壓接、低溫?zé)岷附樱╯oldering）和釬焊技術(shù)等傳統(tǒng)工藝由于具有高連接電阻、連接可靠性和使用壽命等方面存在的問題而變得不太可行。相比之下，焊接（welding）憑借優(yōu)異的連接完整性、較長的使用壽命和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，正快速為業(yè)界所青睞。對于連接兩種材料、而其中至少一種材料的厚度小于0.02英寸的情況，其所需要的焊接技術(shù)稱為“微焊接。”

在使用微焊接方法連接導(dǎo)電部件時，銅是最常用的材料選擇，這是因為銅不但能夠有效傳導(dǎo)電能，而且還能有效傳輸信號。銅具有非常高的熱導(dǎo)率，這使其非常適合作為熱導(dǎo)體迅速將熱從焊接處移除，但這也使其難以保持熱平衡和焊接可靠性。提高生產(chǎn)率、減小零件尺寸，以及焊接不同材料和不同導(dǎo)體截面的趨勢進(jìn)一步加大了焊接的難度。微焊接銅的挑戰(zhàn)在于如何控制這些小的高度導(dǎo)熱零件的熱平衡，使得焊接得以進(jìn)行，同時確保沒有過熱或受熱不足。解決這一重大挑戰(zhàn)的一種方法是使用532nm的綠光激光進(jìn)行焊接。

反射問題

激光焊接是一種非接觸過程，只需要進(jìn)行單面連接。該技術(shù)對于小面積工件焊接非常重要，并且可用來焊接不同形狀、不同材料的工件。這種方法無需使用任何耗材，也不需要維護(hù)，并且焊接周期為毫秒級。基于上述諸多優(yōu)勢，激光焊接看似是銅微焊接的一種優(yōu)異解決方案──但是這里卻存在著一個問題。用于大多數(shù)微焊接應(yīng)用的脈沖Nd：YAG激光器的輸出光波長為1064nm，這其中有超過90％的光會被銅反射掉。

圖1：激光焊接裝置示意圖

由于反射的存在，因此焊接過程就需要極高的功率，并且要確保有足夠的光能傳遞到銅以引發(fā)焊接。然而，一旦一些激光功率傳遞到銅上并引起溫度升高，反射率就會下降。由于激光功率吸收發(fā)生在小于十億分之一秒的時間尺度內(nèi)，被吸收功率的量將會迅速變化。最初需要的高功率，在此時已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過形成焊接的需要。這將導(dǎo)致材料迅速過熱并蒸發(fā)，進(jìn)而在工件上留下一個較大的孔或洞。

目前，已有多項技術(shù)用來克服反射，包括脈沖整形、氧氣輔助，以及使用低反射鍍層。脈沖整形方法并不可靠，因為銅和其他導(dǎo)電零件的反射率不同，所以需要減小激光功率的精確時刻也不同。人們嘗試通過反饋技術(shù)來更好地預(yù)測這個“精確時刻”，但至今還沒有一種切實可行的方案。氧氣輔助方法是通過氧氣在待焊接的零件上產(chǎn)生氧化層，可以顯著地增加銅在焊縫中的滲透，但這在點焊應(yīng)用中不起作用，因為氧氣的積極作用只有在連續(xù)幾個脈沖后才能顯現(xiàn)，因此不能為單點焊接或短焊縫接提供可靠的技術(shù)保證。使用較低反射率的膜層，如鎳或錫，確實有助于降低初始反射，但這種方法并不能完全緩解問題，因為仍然需要大能量持續(xù)耦合到銅中，因此微焊接的工藝窗口變得非常小。

脈沖綠光激光器解決材料反射問題

正如前面所討論的，要在銅上實現(xiàn)良好的、牢固的激光微焊接，必須要解決材料反射問題。如表1所示，將波長從1064nm降至532nm，能顯著降低銅和其他導(dǎo)電材料的反射率。532nm（綠光）波長能夠持續(xù)耦合進(jìn)入銅內(nèi)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定焊接。

表1：

圖2中比較了用1064nm和532nm波長分別對未鍍膜的銅實施焊接。532nm激光耦合進(jìn)入了銅，而1064nm激光耦合進(jìn)入了鋼。由此可見，使用532nm激光將可以成功實現(xiàn)銅的微焊接。

圖2：分別使用1064nm和532nm的脈沖Nd：YAG激光在銅條上進(jìn)行點焊。

可以通過兩種方式來獲得532nm的波長。最常見的是使用調(diào)Q激光器，但這種激光器不能提供足夠的脈沖能量來實施焊接。

另一種產(chǎn)生532nm波長的更新穎的方法是使用常規(guī)脈沖Nd：YAG激光器，其能提供峰值功率達(dá)1.5 kW、脈寬高達(dá)5ms的532nm光源。這提供了足夠的焊接能量，以穿透約350μm厚的銅，該能量對于大多數(shù)微焊接應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。使用光纖傳輸?shù)拿}沖Nd：YAG激光器的另一個好處在于光束的亮度低，這促進(jìn)了整個聚焦點的均勻吸收，防止出現(xiàn)可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的焊接中心熱點。

綠光激光微焊接應(yīng)用實例

電氣連接包括許多不同尺寸、不同形狀和不同材料的連接。許多行業(yè)中都要求高質(zhì)量、高可靠的終端連接。電氣接點的焊接應(yīng)該是無縫加工，才能保證零件的運(yùn)行，這樣接點就相當(dāng)于一個單點實心連續(xù)組件。激光焊接為電氣連接提供了極具潛力的解決方案。

例如，在汽車行業(yè)，監(jiān)測汽車性能、功能和環(huán)境的傳感器技術(shù)的應(yīng)用增長日益增多。每個傳感器都有許多終端連接，它們的使用壽命必須至少要大于汽車的使用壽命。在該領(lǐng)域，激光微焊接提供了一個可行的焊接解決方案。當(dāng)然，激光器也成為了高速、高質(zhì)量焊接的杰出工具。

在醫(yī)療行業(yè)，例如在植入式裝置、傳感和監(jiān)測儀器中，對連接的要求非常高。在這些應(yīng)用中，每個連接對于保持產(chǎn)品的功能和性能都至關(guān)重要，因此需要高度穩(wěn)定的連接技術(shù)。

同樣，在通信行業(yè)，信號強(qiáng)度和完整性對最大限度地提升性能、并確保接合不成為產(chǎn)品設(shè)計的限制因素，也是至關(guān)重要的。

各個行業(yè)中都需要許多電氣接觸配置，需要根據(jù)具體的零件和組件設(shè)計來選擇。下面介紹了利用脈沖綠光激光器所能實現(xiàn)的電氣連接的一些實例。

焊接扁平排線與厚膜金屬焊盤

圖3給出了電子行業(yè)常見的連接：將一個0.00150英寸厚的鍍金銅排線接合到金屬焊盤上。理想的焊盤厚度至少為排線厚度的1.5倍，這樣才能夠在線和焊盤之間建立良好的熱平衡，防止焊盤過熱。

圖3：將0.015英寸厚的鍍金銅排線焊接到金屬焊盤上。

焊接線與金屬焊盤/終端

連接實心線和絞線是工業(yè)電子學(xué)中另一種常見的終端配置。通過將激光合適地定位到導(dǎo)線的尖端和焊盤上，導(dǎo)線可以有效軟熔到焊盤上。值得注意的是，圖4中焊盤自身并沒有產(chǎn)生熱效應(yīng)。

圖4：將0.004英寸直徑的實心金導(dǎo)線焊接到鍍金金屬焊盤上。

在圖5中，絞線也是高度可焊接的。焊接絞線的關(guān)鍵是維持尖端，以確保絞線緊密排列。這可以通過壓實、浸在鍍層中等方法來實現(xiàn)。

圖5：直徑為0.01英寸的銀絞線與鍍鎳的銅終端焊接。

并排焊接方形終端與圓形導(dǎo)線

激光的靈活性對于焊接不同形狀的工件有著極其重要的價值。圖6顯示的是矩形截面的鍍金銅線接頭和鍍銀銅線接頭之間的焊接。焊接為對焊，與終端有關(guān)的導(dǎo)線位置有所變化，并且導(dǎo)線的圓邊和終端的方形邊之間有間隙。兩個零件對激光功率的受控和一致的吸收使得焊接非�？煽�。

圖6：0.016 x0.09英寸鍍金銅引線與直徑0.016英寸的鍍銀銅線之間的小焊縫焊接。

扁平與扁平引線框架連接

對于大批量生產(chǎn)，引線框架的多點焊接關(guān)注的是質(zhì)量和速度。作為一種非接觸過程，激光焊接適合于批量生產(chǎn)。它每秒可以完成多點的焊接，這取決于運(yùn)動集成。圖7顯示的是將扁平導(dǎo)線焊接到銅引線框架上。

圖7：將0.008英寸厚的銅扁平線到焊接到0.008英寸厚的鍍銅引線框架上。

微型鋰離子/聚合物電池連接

無線產(chǎn)品、智能卡或RFID標(biāo)簽等這些需要不到50mAh電源的應(yīng)用，一般采用鋰離子或鋰聚合物電池技術(shù)。對于這些需要連接電池終端的應(yīng)用，存在許多特殊的挑戰(zhàn)。每個終端都由銅和鋁組成，這兩種材料的焊接都存在問題。終端材料還非常薄，有時小于0.001英寸。一些應(yīng)用中使用超聲波焊接，但激光焊接也是一種新選擇，并且其可能特別適合將終端連接到PCB金屬焊盤上。圖8給出了用激光將薄銅和薄鋁焊接到鍍金銅焊盤上的幾處視圖。

圖8：用激光將薄銅和薄鋁焊接到鍍金銅焊盤上。a）將0.01英寸厚的鋁終端焊接到鍍金銅焊盤上的俯視圖；b）經(jīng)過牽引測試的鋁焊接的側(cè)視圖顯示了熔核形成；c）將0.01英寸厚的鍍鎳終端焊接到鍍金銅焊盤上的俯視圖；d）經(jīng)過牽引測試的銅焊接的側(cè)視圖顯示了熔核形成。

不同材料的微焊接

當(dāng)焊接吸收在不同水平的材料時，吸收較大的材料中會有過熱傾向，這會造成過多的飛濺和氣孔。這個問題通常通過傾向于一種材料來克服。但對于小零件，這種方法可能還是不可行，因為即使是最微小的吸收不平衡也可能造成過熱焊接。使用532nm激光焊接，兩種工件的反射變得更加接近，因此焊接能量平衡更好，進(jìn)而顯著提高了焊接性能。圖9顯示的是兩種差異很大的材料之間的焊縫。

圖9：鋁和鈦之間的焊縫，焊接過程中無需傾向于某種材料。

激光焊接：大批量微焊接的可行方法

像銅這樣的導(dǎo)電材料的微焊接是一個難題，但激光焊接提供了一種有用的非接觸式連接方法，非常適合自動化應(yīng)用。過去，銅在1064nm波長的反射率一直是實施激光焊接的一個巨大障礙，現(xiàn)在通過使用532nm綠光Nd：YAG激光焊接，這一障礙已不復(fù)存在，這為銅和其他導(dǎo)電材料的微焊接提供了一種可行方法。