傳統微焊接技術的優缺點

 微焊接可通過幾種方式完成:超聲波焊接、電阻焊和激光焊接。每種焊接都有其優缺點,每種焊接均能在某種不同程度上滿足微焊接的要求。

  超聲波焊接:非常適合板材類焊接,但會使生產速度降低。

  超聲波焊接(圖1)利用振動能量在連接界麵上進行焊接。由接觸頂部部件的超聲波發生器或焊頭提供傳遞到界麵的振動能量。焊頭以每秒成百上千次的頻率振動,運動振幅位於0.0005至0.004英寸之間。部件的下側有“底砧”支持,底砧可以是靜態的,也可以是振動的。

  圖1 超聲波焊接裝置的示意圖

  施加力量下的振動作用在焊接界麵上造成不均勻表麵的塑性變形,從而導致形成高度密切的接觸和金屬原子擴散。由擴散形成連接,連接處沒有熔化。部件產生一些變形或變薄,但是可以正常控製。通過焊頭的摩擦來維持焊頭與部件之間的接觸,通過焊頭上的壓花紋加強摩擦。

  超聲波焊接特別適合於導電部件的薄板焊接,其中包括鋁和銅。超聲波工藝在微焊接中存在一些缺點。由於需要將力量傳輸到部件上,因此,連接的兩側要求產生機械接觸。另外,焊頭是一種要求檢驗和更換的損耗品。連接的幾何形狀在一定程度上僅限製於搭接焊接。最後,受焊頭驅動影響,焊接周期速度會降低生產速度。

  電阻焊接:工藝靈活,但是不適合於機械精密部件。

  當電流通過部件時,電阻焊(圖2)使用焊接界麵的高電阻產生熱量。電流產生於工件的相同側或相反側接觸部件的電極,形成回路。在部件上施加一些力量,以確保電氣接觸。

  圖2 電阻焊裝置的示意圖

  采用電阻焊方式焊接導電部件時,電極具有電阻,因此執行兩種功能:加熱和將熱量傳導到部件,並傳導充足的電流,以在連接界麵產生一些熱量。

  電阻焊適用於各種廣泛的連接應用和材料,性能優良。但是,由於電阻焊的工藝依賴於機械接觸以及需要在兩個電極之間形成電氣回路,因此並不能在所有情況下操作,特別是對於部件為機械精密部件的情況。另外,最小電極的直徑約為0.04英寸,會限製連接的接近操作。

  激光焊接:非接觸式工藝,快速和精確,但是必須處理材料反射問題。

  激光焊接(圖3)是一種非接觸式工藝,隻要求單側接近操作。在極小的連接區域內,這種技術十分有用。它可以用於焊接不同形狀的部件、不同的連接幾何形狀以及異種材料。它不使用需要維護或更換的損耗品,焊接周期隻有幾毫秒。表麵上看,激光焊接似乎是微焊接銅的一種卓越解決方案——但是也存在著問題。Nd:YAG激光器用於大多數微焊接應用,波長為1064納米,超過銅反射的90%。

  圖3 激光焊接裝置的示意圖

  通常采用極高的功率以克服反射問題,並確保將充足的光傳輸到銅。但是,當激光能量傳輸到銅上,並提升其溫度時,則反射率降低。由於激光功率的吸收出現時間範圍小於十億分之一秒,因此能量吸收的變化非常快速。最初所需的高功率遠遠超過焊接所需功率。因此,材料快速過熱和蒸發,留下了大量的小孔或孔洞。

  已經使用許多技術克服這種反射,包括脈衝整形、氧氣協助以及使用反射率更低的鍍層。脈衝整形不可靠,因為銅和其它導電部件的反射率不同,因此降低激光功率時的精確時間點也會變化。人們曾經嚐試采用反饋技術,以便更好地預期這種“精確時刻”,但是目前還沒有人證實可行。使用氧氣協助時,由於會在焊接的部件上形成氧化層,因此會大幅提高銅的焊接縫隙的滲透性,但是,對於點焊應用時卻沒有影響,因為隻有在幾個連續脈衝之後才能看到氧的積極效應,因此並不能為單點焊接或較短焊縫提供一種可靠的技術。使用鎳或錫等反射率更低的塗層,確實可以幫助降低最初的反射率,但是不能完全減輕問題,因為仍然需要較高的能量繼續滲入銅內;因此,微焊接的加工窗口極小。

  利用脈衝綠色激光器處理材料反射問題

  綜上所述,必須處理好材料反射率的問題,才能在銅材料上實現優良、結實的激光微焊接。如表1所示,將波長從1064納米降低到532納米會大幅降低銅和其它導電材料的反射率。532納米(綠光)波長能夠持續地滲入銅內並穩定焊接。

  表1 波長為1064納米和532納米的激光應用於銅與金時,其反射率對比。

  圖4顯示了1064納米和532納米波長激光焊接無鍍層銅的比較。波長為532納米時,激光滲入銅的情況與1064納米滲入鋼一樣。因此,如果使用532納米激光,則可以成功地實現銅的微焊接。

  圖4 使用1064納米和532納米脈衝Nd:YAG激光器在銅棒上產生的典型點焊

  可以采用兩種方式達到該波長。最常見的是使用調Q激光器,但是此類激光器沒有充足的脈衝能量執行焊接任務。

  一種更為新穎的途徑是使用正常脈衝的Nd:YAG激光器,它可以以1.5千瓦峰值功率提供532納米的光,脈衝寬度高達5毫秒。這樣可以提供充足的焊接能量,深入約350微米厚的銅材料。對於大多數微焊接應用來說,這一能量已經足夠。通過光纖傳輸及使用脈衝Nd:YAG激光,其優點是光束的亮度較低。這樣可以促進整個聚焦點的均勻吸收,防止焊接中心出現熱點而造成不穩定性。

  綠激光微焊接的應用實例

  電氣連接通常采用不同的尺寸、形狀和材料。許多工業需要優質、可靠的端子進行電氣連接。電氣接頭的焊接如同一種無縫工藝,使連接點就象部件本身固有的一部分。激光焊接似乎有這種潛力。

  例如汽車工業已經大幅度使用傳感器技術,以監控汽車性能、功能和環境。每種傳感器有許多端子連接,其使用壽命必須符合汽車的使用壽命。在這一方麵,激光微焊接可以提供一種可行的選擇,激光器可以用於高速優質的焊接。

  醫療工業的連接也十分重要,例如植入設備、感應和監控儀表,它們的每種連接對於維持部件的功能和性能十分關鍵,因此要求采用高度穩定的焊接技術。

  同樣,在通訊工業中,信號強度和完整性十分關鍵,可以最大化部件性能,以及確保連接不會成為部件設計的一種限製因素。

  根據特定部件和元件設計,可以選擇各種工業需要的多種電氣連接配置。在此介紹一些使用脈衝綠色激光完成的連接配置選項。

  排線連接到厚膜金屬化焊盤

  電子工業的常見連接參見圖5,其中采用了0.0015英寸厚的鍍金銅質扁平導線,將它焊接到金屬化焊盤上。在理想情況下,焊盤的厚度至少是排線厚度的1.5倍,因為這樣可以在導線和焊盤之間形成優良的熱平衡,以防止焊盤過熱。

  圖5 0.0015英寸厚的鍍金銅質扁平導線被焊接到金屬化焊盤上

  導線連接至金屬化焊盤/端子

  連接實心類和扭絞類導線是電力電子的另一種常見端子配置。通過將激光合適定位到導線尖部和焊盤上,可以將導線有效焊接到焊盤上。從圖6可以看出,焊盤本身沒有熱效應。

  圖6 0.004英寸直徑實心黃金導線被焊接到鍍金焊盤上

  如圖7所示,扭絞導線也具有高度的可焊接性。焊接扭絞導線的關鍵是保持尖部以確保扭絞導線密切壓實。通過壓實、電鍍浸入或短距離透焊至絕緣層等方法來實現優質焊接。

  圖7 直徑0.01英寸的扭絞銀導線被焊接到鍍鎳的銅端子上

  並排的方形端子連接至圓形導線

  由於不同連接物的幾何形狀和端子形狀等因素,激光的靈活性顯得極其重要。圖8顯示了矩形橫截麵鍍金銅連接器與鍍銀銅導線之間的焊接。采用搭接配置進行焊接,導線與端子的位置關係顯示了端子的導線圓形和方形邊緣之間的一些差異和間隙。由於激光能量可受控並能被持續吸收,使得兩個部件能被可靠地焊接在一起。

  圖8 0.016× 0.09英寸鍍金銅端子和0.016

  英寸直徑鍍銀銅導線之間的微小縫隙焊接。

  扁平線連接至扁平引線框

  對於大批量生產,在引線框上焊接多個連接的關鍵之處是質量和速度。作為一種非接觸式工藝,激光焊接本身就可實現大批量製造。它可以根據動作設計在每秒執行許多焊接任務。圖9顯示了扁平導線焊接到銅質引線框。

  圖9 厚度為0.008英寸的銅質扁平導線被

  焊接到0.008英寸厚鍍層銅質引線框上。

  微型鋰離子/聚合物電池連接

  對於要求低於50mAh的無線產品、智能卡或射頻標簽等應用的電源應用,一般使用鋰離子或聚合物鋰電池技術。在這些應用中連接電池端子,存在許多特殊的挑戰。各個端子均采用銅和鋁製造,但這兩種材料在焊接時都存在問題。端子材料也十分薄,有時低於0.001英寸。在一些應用中使用超聲波焊接,不過激光焊接也是一種選擇,可能特別適合於將端子連接到PCB金屬化焊盤。圖10顯示了激光將薄銅和鋁焊接到鍍金銅焊盤上的幾個視圖。

  圖10 激光將薄銅和鋁焊接到鍍金銅質焊盤上

  異種材料間的微焊接

  當焊接具有不同吸收率的材料時,吸收性強的材料會出現過度加熱的現象,因此造成過多飛濺和孔洞。通常采用以某種材料為主的方法來解決這一問題。但是,對於小部件,這種措施可能不充分,因為即使是最小的吸收不平衡也會造成過熱焊接。在532納米波長時,兩個部件的反射率更加接近,因此焊接能量平衡更加一致,大幅提高了可焊接性。圖11顯示了兩種差異性較大的材料之間的縫隙焊接。

  圖11 鋁和鈦之間的焊接縫隙

  大批量微焊接銅的可行方法

  對銅等導電材料的微焊接比較困難,但是激光焊接可以提供一種十分有用的非接觸式連接方法,是專門針對自動化而設計的。過去,銅在1064納米波長的反射率一直是實施激光焊接的一個障礙。由於使用532納米的綠色Nd:YAG激光焊接器,這種障礙已經清除,提供了大批量微焊接銅和其它導電材料的一種可行方法。

 

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