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(yōu)缺點(diǎn)，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(chǎn)速度降低。

　　超聲波焊接（圖1）利用振動(dòng)能量在連接界面上進(jìn)行焊接。由接觸頂部部件的超聲波發(fā)生器或焊頭提供傳遞到界面的振動(dòng)能量。焊頭以每秒成百上千次的頻率振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)振幅位于0.0005至0.004英寸之間。部件的下側(cè)有“底砧”支持，底砧可以是靜態(tài)的，也可以是振動(dòng)的。

　　圖1 超聲波焊接裝置的示意圖

　　施加力量下的振動(dòng)作用在焊接界面上造成不均勻表面的塑性變形，從而導(dǎo)致形成高度密切的接觸和金屬原子擴(kuò)散。由擴(kuò)散形成連接，連接處沒有熔化。部件產(chǎn)生一些變形或變薄，但是可以正常控制。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(qiáng)摩擦。

　　超聲波焊接特別適合于導(dǎo)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(diǎn)。由于需要將力量傳輸?shù)讲考?，因此，連接的兩側(cè)要求產(chǎn)生機(jī)械接觸。另外，焊頭是一種要求檢驗(yàn)和更換的損耗品。連接的幾何形狀在一定程度上僅限制于搭接焊接。最后，受焊頭驅(qū)動(dòng)影響，焊接周期速度會降低生產(chǎn)速度。

　　電阻焊接：工藝靈活，但是不適合于機(jī)械精密部件。

　　當(dāng)電流通過部件時(shí)，電阻焊（圖2）使用焊接界面的高電阻產(chǎn)生熱量。電流產(chǎn)生于工件的相同側(cè)或相反側(cè)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(dǎo)電部件時(shí)，電極具有電阻，因此執(zhí)行兩種功能：加熱和將熱量傳導(dǎo)到部件，并傳導(dǎo)充足的電流，以在連接界面產(chǎn)生一些熱量。

　　電阻焊適用于各種廣泛的連接應(yīng)用和材料，性能優(yōu)良。但是，由于電阻焊的工藝依賴于機(jī)械接觸以及需要在兩個(gè)電極之間形成電氣回路，因此并不能在所有情況下操作，特別是對于部件為機(jī)械精密部件的情況。另外，最小電極的直徑約為0.04英寸，會限制連接的接近操作。

　　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，只要求單側(cè)接近操作。在極小的連接區(qū)域內(nèi)，這種技術(shù)十分有用。它可以用于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(hù)或更換的損耗品，焊接周期只有幾毫秒。表面上看，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激光器用于大多數(shù)微焊接應(yīng)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，并確保將充足的光傳輸?shù)姐~。但是，當(dāng)激光能量傳輸?shù)姐~上，并提升其溫度時(shí)，則反射率降低。由于激光功率的吸收出現(xiàn)時(shí)間范圍小于十億分之一秒，因此能量吸收的變化非?？焖?。最初所需的高功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過焊接所需功率。因此，材料快速過熱和蒸發(fā)，留下了大量的小孔或孔洞。

　　已經(jīng)使用許多技術(shù)克服這種反射，包括脈沖整形、氧氣協(xié)助以及使用反射率更低的鍍層。脈沖整形不可靠，因?yàn)殂~和其它導(dǎo)電部件的反射率不同，因此降低激光功率時(shí)的精確時(shí)間點(diǎn)也會變化。人們曾經(jīng)嘗試采用反饋技術(shù)，以便更好地預(yù)期這種“精確時(shí)刻”，但是目前還沒有人證實(shí)可行。使用氧氣協(xié)助時(shí)，由于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，對于點(diǎn)焊應(yīng)用時(shí)卻沒有影響，因?yàn)橹挥性趲讉€(gè)連續(xù)脈沖之后才能看到氧的積極效應(yīng)，因此并不能為單點(diǎn)焊接或較短焊縫提供一種可靠的技術(shù)。使用鎳或錫等反射率更低的涂層，確實(shí)可以幫助降低最初的反射率，但是不能完全減輕問題，因?yàn)槿匀恍枰^高的能量繼續(xù)滲入銅內(nèi)；因此，微焊接的加工窗口極小。

　　利用脈沖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(shí)現(xiàn)優(yōu)良、結(jié)實(shí)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(dǎo)電材料的反射率。532納米（綠光）波長能夠持續(xù)地滲入銅內(nèi)并穩(wěn)定焊接。

　　表1 波長為1064納米和532納米的激光應(yīng)用于銅與金時(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)銅的微焊接。

　　圖4 使用1064納米和532納米脈沖Nd：YAG激光器在銅棒上產(chǎn)生的典型點(diǎn)焊

　　可以采用兩種方式達(dá)到該波長。最常見的是使用調(diào)Q激光器，但是此類激光器沒有充足的脈沖能量執(zhí)行焊接任務(wù)。

　　一種更為新穎的途徑是使用正常脈沖的Nd：YAG激光器，它可以以1.5千瓦峰值功率提供532納米的光，脈沖寬度高達(dá)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。對于大多數(shù)微焊接應(yīng)用來說，這一能量已經(jīng)足夠。通過光纖傳輸及使用脈沖Nd：YAG激光，其優(yōu)點(diǎn)是光束的亮度較低。這樣可以促進(jìn)整個(gè)聚焦點(diǎn)的均勻吸收，防止焊接中心出現(xiàn)熱點(diǎn)而造成不穩(wěn)定性。

　　綠激光微焊接的應(yīng)用實(shí)例

　　電氣連接通常采用不同的尺寸、形狀和材料。許多工業(yè)需要優(yōu)質(zhì)、可靠的端子進(jìn)行電氣連接。電氣接頭的焊接如同一種無縫工藝，使連接點(diǎn)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(yè)已經(jīng)大幅度使用傳感器技術(shù)，以監(jiān)控汽車性能、功能和環(huán)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。在這一方面，激光微焊接可以提供一種可行的選擇，激光器可以用于高速優(yōu)質(zhì)的焊接。

　　醫(yī)療工業(yè)的連接也十分重要，例如植入設(shè)備、感應(yīng)和監(jiān)控儀表，它們的每種連接對于維持部件的功能和性能十分關(guān)鍵，因此要求采用高度穩(wěn)定的焊接技術(shù)。

　　同樣，在通訊工業(yè)中，信號強(qiáng)度和完整性十分關(guān)鍵，可以最大化部件性能，以及確保連接不會成為部件設(shè)計(jì)的一種限制因素。

　　根據(jù)特定部件和元件設(shè)計(jì)，可以選擇各種工業(yè)需要的多種電氣連接配置。在此介紹一些使用脈沖綠色激光完成的連接配置選項(xiàng)。

　　排線連接到厚膜金屬化焊盤

　　電子工業(yè)的常見連接參見圖5，其中采用了0.0015英寸厚的鍍金銅質(zhì)扁平導(dǎo)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?yàn)檫@樣可以在導(dǎo)線和焊盤之間形成優(yōu)良的熱平衡，以防止焊盤過熱。

　　圖5 0.0015英寸厚的鍍金銅質(zhì)扁平導(dǎo)線被焊接到金屬化焊盤上

　　導(dǎo)線連接至金屬化焊盤/端子

　　連接實(shí)心類和扭絞類導(dǎo)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(dǎo)線尖部和焊盤上，可以將導(dǎo)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(yīng)。

　　圖6 0.004英寸直徑實(shí)心黃金導(dǎo)線被焊接到鍍金焊盤上

　　如圖7所示，扭絞導(dǎo)線也具有高度的可焊接性。焊接扭絞導(dǎo)線的關(guān)鍵是保持尖部以確保扭絞導(dǎo)線密切壓實(shí)。通過壓實(shí)、電鍍浸入或短距離透焊至絕緣層等方法來實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接。

　　圖7 直徑0.01英寸的扭絞銀導(dǎo)線被焊接到鍍鎳的銅端子上

　　并排的方形端子連接至圓形導(dǎo)線

　　由于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顯示了矩形橫截面鍍金銅連接器與鍍銀銅導(dǎo)線之間的焊接。采用搭接配置進(jìn)行焊接，導(dǎo)線與端子的位置關(guān)系顯示了端子的導(dǎo)線圓形和方形邊緣之間的一些差異和間隙。由于激光能量可受控并能被持續(xù)吸收，使得兩個(gè)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(dǎo)線之間的微小縫隙焊接。

　　扁平線連接至扁平引線框

　　對于大批量生產(chǎn)，在引線框上焊接多個(gè)連接的關(guān)鍵之處是質(zhì)量和速度。作為一種非接觸式工藝，激光焊接本身就可實(shí)現(xiàn)大批量制造。它可以根據(jù)動(dòng)作設(shè)計(jì)在每秒執(zhí)行許多焊接任務(wù)。圖9顯示了扁平導(dǎo)線焊接到銅質(zhì)引線框。

　　圖9 厚度為0.008英寸的銅質(zhì)扁平導(dǎo)線被

　　焊接到0.008英寸厚鍍層銅質(zhì)引線框上。

　　微型鋰離子/聚合物電池連接

　　對于要求低于50mAh的無線產(chǎn)品、智能卡或射頻標(biāo)簽等應(yīng)用的電源應(yīng)用，一般使用鋰離子或聚合物鋰電池技術(shù)。在這些應(yīng)用中連接電池端子，存在許多特殊的挑戰(zhàn)。各個(gè)端子均采用銅和鋁制造，但這兩種材料在焊接時(shí)都存在問題。端子材料也十分薄，有時(shí)低于0.001英寸。在一些應(yīng)用中使用超聲波焊接，不過激光焊接也是一種選擇，可能特別適合于將端子連接到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(gè)視圖。

　　圖10 激光將薄銅和鋁焊接到鍍金銅質(zhì)焊盤上

　　異種材料間的微焊接

　　當(dāng)焊接具有不同吸收率的材料時(shí)，吸收性強(qiáng)的材料會出現(xiàn)過度加熱的現(xiàn)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，對于小部件，這種措施可能不充分，因?yàn)榧词故亲钚〉奈詹黄胶庖矔斐蛇^熱焊接。在532納米波長時(shí)，兩個(gè)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(dǎo)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(dòng)化而設(shè)計(jì)的。過去，銅在1064納米波長的反射率一直是實(shí)施激光焊接的一個(gè)障礙。由于使用532納米的綠色Nd：YAG激光焊接器，這種障礙已經(jīng)清除，提供了大批量微焊接銅和其它導(dǎo)電材料的一種可行方法。
 

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