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绿光激光器为导电材料的大批量微焊接提供了一种可行方法

作者：Geoff Shannon，Paul Severloh；Miyachi Unitek公司

通过连接导电部件实现电接触是最古老、最普遍的一种连接应用。连接应用乎遍及所有的工业领域，而实现连接的各项技术，受成本、连接性能和产量需求等诸多因素的驱动，也在不断发展。

随着零件尺寸不断小型化，以及扁平排线接头的厚度降至低于0.004英寸，压接、低温热焊接（soldering）和钎焊技术等传统工艺由于具有高连接电阻、连接可靠性和使用寿命等方面存在的问题而变得不太可行。相比之下，焊接（welding）凭借优异的连接完整性、较长的使用寿命和优异的导电性能，正快速为业界所青睐。对于连接两种材料、而其中至少一种材料的厚度小于0.02英寸的情况，其所需要的焊接技术称为“微焊接。”

在使用微焊接方法连接导电部件时，铜是最常用的材料选择，这是因为铜不但能够有效传导电能，而且还能有效传输信号。铜具有非常高的热导率，这使其非常适合作为热导体迅速将热从焊接处移除，但这也使其难以保持热平衡和焊接可靠性。提高生产率、减小零件尺寸，以及焊接不同材料和不同导体截面的趋势进一步加大了焊接的难度。微焊接铜的挑战在于如何控制这些小的高度导热零件的热平衡，使得焊接得以进行，同时确保没有过热或受热不足。解决这一重大挑战的一种方法是使用532nm的绿光激光进行焊接。

反射问题

激光焊接是一种非接触过程，只需要进行单面连接。该技术对于小面积工件焊接非常重要，并且可用来焊接不同形状、不同材料的工件。这种方法无需使用任何耗材，也不需要维护，并且焊接周期为毫秒级。基于上述诸多优势，激光焊接看似是铜微焊接的一种优异解决方案──但是这里却存在着一个问题。用于大多数微焊接应用的脉冲Nd：YAG激光器的输出光波长为1064nm，这其中有超过90％的光会被铜反射掉。

图1：激光焊接装置示意图

由于反射的存在，因此焊接过程就需要极高的功率，并且要确保有足够的光能传递到铜以引发焊接。然而，一旦一些激光功率传递到铜上并引起温度升高，反射率就会下降。由于激光功率吸收发生在小于十亿分之一秒的时间尺度内，被吸收功率的量将会迅速变化。最初需要的高功率，在此时已经远远超过形成焊接的需要。这将导致材料迅速过热并蒸发，进而在工件上留下一个较大的孔或洞。

目前，已有多项技术用来克服反射，包括脉冲整形、氧气辅助，以及使用低反射镀层。脉冲整形方法并不可靠，因为铜和其他导电零件的反射率不同，所以需要减小激光功率的精确时刻也不同。人们尝试通过反馈技术来更好地预测这个“精确时刻”，但至今还没有一种切实可行的方案。氧气辅助方法是通过氧气在待焊接的零件上产生氧化层，可以显著地增加铜在焊缝中的渗透，但这在点焊应用中不起作用，因为氧气的积极作用只有在连续几个脉冲后才能显现，因此不能为单点焊接或短焊缝接提供可靠的技术保证。使用较低反射率的膜层，如镍或锡，确实有助于降低初始反射，但这种方法并不能完全缓解问题，因为仍然需要大能量持续耦合到铜中，因此微焊接的工艺窗口变得非常小。

脉冲绿光激光器解决材料反射问题

正如前面所讨论的，要在铜上实现良好的、牢固的激光微焊接，必须要解决材料反射问题。如表1所示，将波长从1064nm降至532nm，能显著降低铜和其他导电材料的反射率。532nm（绿光）波长能够持续耦合进入铜内，并且能够实现稳定焊接。

表1：

图2中比较了用1064nm和532nm波长分别对未镀膜的铜实施焊接。532nm激光耦合进入了铜，而1064nm激光耦合进入了钢。由此可见，使用532nm激光将可以成功实现铜的微焊接。

图2：分别使用1064nm和532nm的脉冲Nd：YAG激光在铜条上进行点焊。

可以通过两种方式来获得532nm的波长。最常见的是使用调Q激光器，但这种激光器不能提供足够的脉冲能量来实施焊接。

另一种产生532nm波长的更新颖的方法是使用常规脉冲Nd：YAG激光器，其能提供峰值功率达1.5 kW、脉宽高达5ms的532nm光源。这提供了足够的焊接能量，以穿透约350μm厚的铜，该能量对于大多数微焊接应用来说已经足够了。使用光纤传输的脉冲Nd：YAG激光器的另一个好处在于光束的亮度低，这促进了整个聚焦点的均匀吸收，防止出现可能导致不稳定的焊接中心热点。

绿光激光微焊接应用实例

电气连接包括许多不同尺寸、不同形状和不同材料的连接。许多行业中都要求高质量、高可靠的终端连接。电气接点的焊接应该是无缝加工，才能保证零件的运行，这样接点就相当于一个单点实心连续组件。激光焊接为电气连接提供了极具潜力的解决方案。

例如，在汽车行业，监测汽车性能、功能和环境的传感器技术的应用增长日益增多。每个传感器都有许多终端连接，它们的使用寿命必须至少要大于汽车的使用寿命。在该领域，激光微焊接提供了一个可行的焊接解决方案。当然，激光器也成为了高速、高质量焊接的杰出工具。

在医疗行业，例如在植入式装置、传感和监测仪器中，对连接的要求非常高。在这些应用中，每个连接对于保持产品的功能和性能都至关重要，因此需要高度稳定的连接技术。

同样，在通信行业，信号强度和完整性对最大限度地提升性能、并确保接合不成为产品设计的限制因素，也是至关重要的。

各个行业中都需要许多电气接触配置，需要根据具体的零件和组件设计来选择。下面介绍了利用脉冲绿光激光器所能实现的电气连接的一些实例。

焊接扁平排线与厚膜金属焊盘

图3给出了电子行业常见的连接：将一个0.00150英寸厚的镀金铜排线接合到金属焊盘上。理想的焊盘厚度至少为排线厚度的1.5倍，这样才能够在线和焊盘之间建立良好的热平衡，防止焊盘过热。

图3：将0.015英寸厚的镀金铜排线焊接到金属焊盘上。

焊接线与金属焊盘/终端

连接实心线和绞线是工业电子学中另一种常见的终端配置。通过将激光合适地定位到导线的尖端和焊盘上，导线可以有效软熔到焊盘上。值得注意的是，图4中焊盘自身并没有产生热效应。

图4：将0.004英寸直径的实心金导线焊接到镀金金属焊盘上。

在图5中，绞线也是高度可焊接的。焊接绞线的关键是维持尖端，以确保绞线紧密排列。这可以通过压实、浸在镀层中等方法来实现。

图5：直径为0.01英寸的银绞线与镀镍的铜终端焊接。

并排焊接方形终端与圆形导线

激光的灵活性对于焊接不同形状的工件有着极其重要的价值。图6显示的是矩形截面的镀金铜线接头和镀银铜线接头之间的焊接。焊接为对焊，与终端有关的导线位置有所变化，并且导线的圆边和终端的方形边之间有间隙。两个零件对激光功率的受控和一致的吸收使得焊接非常可靠。

图6：0.016 x0.09英寸镀金铜引线与直径0.016英寸的镀银铜线之间的小焊缝焊接。

扁平与扁平引线框架连接

对于大批量生产，引线框架的多点焊接关注的是质量和速度。作为一种非接触过程，激光焊接适合于批量生产。它每秒可以完成多点的焊接，这取决于运动集成。图7显示的是将扁平导线焊接到铜引线框架上。

图7：将0.008英寸厚的铜扁平线到焊接到0.008英寸厚的镀铜引线框架上。

微型锂离子/聚合物电池连接

无线产品、智能卡或RFID标签等这些需要不到50mAh电源的应用，一般采用锂离子或锂聚合物电池技术。对于这些需要连接电池终端的应用，存在许多特殊的挑战。每个终端都由铜和铝组成，这两种材料的焊接都存在问题。终端材料还非常薄，有时小于0.001英寸。一些应用中使用超声波焊接，但激光焊接也是一种新选择，并且其可能特别适合将终端连接到PCB金属焊盘上。图8给出了用激光将薄铜和薄铝焊接到镀金铜焊盘上的几处视图。

图8：用激光将薄铜和薄铝焊接到镀金铜焊盘上。a）将0.01英寸厚的铝终端焊接到镀金铜焊盘上的俯视图；b）经过牵引测试的铝焊接的侧视图显示了熔核形成；c）将0.01英寸厚的镀镍终端焊接到镀金铜焊盘上的俯视图；d）经过牵引测试的铜焊接的侧视图显示了熔核形成。

不同材料的微焊接

当焊接吸收在不同水平的材料时，吸收较大的材料中会有过热倾向，这会造成过多的飞溅和气孔。这个问题通常通过倾向于一种材料来克服。但对于小零件，这种方法可能还是不可行，因为即使是最微小的吸收不平衡也可能造成过热焊接。使用532nm激光焊接，两种工件的反射变得更加接近，因此焊接能量平衡更好，进而显著提高了焊接性能。图9显示的是两种差异很大的材料之间的焊缝。

图9：铝和钛之间的焊缝，焊接过程中无需倾向于某种材料。

激光焊接：大批量微焊接的可行方法

像铜这样的导电材料的微焊接是一个难题，但激光焊接提供了一种有用的非接触式连接方法，非常适合自动化应用。过去，铜在1064nm波长的反射率一直是实施激光焊接的一个巨大障碍，现在通过使用532nm绿光Nd：YAG激光焊接，这一障碍已不复存在，这为铜和其他导电材料的微焊接提供了一种可行方法。