光纤激光器 半导体激光器 激光切割
工业应用
激光焊接
用绿光激光实现导电材料的微焊接
材料来源:激光世界           录入时间:2011-8-3 9:50:49

注:本文版权为《激光世界》所有,未经许可,请勿转载!

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:

材料

波长:1064 nm

波长:532 nm

铜的反射率

90%

45%

金的反射率

98%

42%

图2中比较了用1064nm532nm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。

 

 

2:分别使用1064nm532nm脉冲NdYAG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

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。

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。

60.016 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。

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。

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。

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NdYAG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。


上一篇:Synrad 公司CO2激光器用于着色锌材... 下一篇:光纤传感器在石油井下探测中的应用...
相关文章
·半导体激光器在太阳能电池领域的应用    工业应用    2010-7-16 14:52:35
·用于微型、低成本投影仪的硅基液晶激光显示技术    技术中心    2010-7-23 21:20:08
·楚天激光器JHM-2GX-300F太阳能吸热板激光焊接机    产品快讯    2010-9-3 10:56:25
·半导体激光器在塑料焊接中的应用    工业应用    2010-9-15 13:09:43
·半导体激光器在焊接领域的应用    工业应用    2010-10-11 15:43:13
·激光焊接技术在汽车制造领域的应用    工业应用    2010-10-18 11:11:37
·JK激光器在电池组焊接中找到用武之地    工业应用    2010-11-4 10:52:38
·相干公司推出HighLight FAP 60W/810nm    产品快讯    2010-11-11 11:17:31
·罗芬select和Integral焊接系统集成过程验证功能    产品快讯    2010-11-16 9:13:11
·激光直接成型技术实现低成本3D集成电路    工业应用    2010-11-29 10:18:07
·德研究太阳能吸收器焊接新方法    新闻聚集    2010-12-1 14:12:57
·用高功率二极管激光器进行塑料焊接    工业应用    2010-12-8 10:01:09
·相干公司推出HighLight FAP 60W/810nm    产品快讯    2010-12-15 22:23:40
·塑料激光焊接工艺    技术中心    2010-12-20 9:39:49
·激光打标在低压电器上的应用及优势    工业应用    2010-12-24 13:48:58
·消费电子领域的激光微加工    工业应用    2011-1-12 21:27:15
·德国透明塑料激光焊接技术研究取得重要突破    新闻聚集    2011-2-11 9:49:31
·激光用于焊接汽车离合器板    工业应用    2011-4-15 11:30:20
·GE研发出强大的激光焊接系统    新闻聚集    2011-4-18 11:17:20
·东台精机:激光打孔机销售额将超过4000万美元    新闻聚集    2011-4-21 11:06:39

版权声明:
《激光世界》网站的一切内容及解释权皆归《激光世界》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《激光世界》杂志社。
 
 
 
 
友情链接
首页 | 关于我们 | 联络我们
Copyright© 2018: 《激光世界》; All Rights Reserved.
请用 Microsoft Internet Explorer 6.0 或以上版本。
Please use Microsoft Internet Explorer 6.0 or higher version.
备案序号:粤ICP备12025165号