非接触式激光钎焊工艺研究

非接触式激光钎焊工艺研究

潘宏健

苏州华旃航天电器有限公司

摘要：电子装联领域普遍采用纯手工接触式烙铁钎焊工艺，接触式钎焊操作过程中易产生空间干涉及损害线材传输性能，影响批量产品钎焊效率及质量。激光钎焊作为非接触式钎焊工艺的典型代表，在焊接加热过程中无需直接接触待加工零件，钎焊过程无任何干涉及应力残留，在微电子工业及印制电路板装联行业中得到了广泛应用。本文主要针对非接触式激光钎焊工艺进行研究，重点阐述了激光钎焊工艺原理、激光钎焊工艺特点及激光钎焊工艺参数研究等等。

主题词：钎焊 热传导 功率 焦点 反射率 质量

1 引言

钎焊连接技术是将焊料及被焊金属同时加热到最佳温度，依靠熔融焊料润湿填满被焊金属接头间隙并与之形成金属合金结合的一种过程。按钎焊时对焊件加热的方法和条件不同来划分，钎焊工艺可分为接触式钎焊及非接触式钎焊两大类，接触式钎焊工艺方法主要有烙铁钎焊、电阻钎焊等，非接触式钎焊工艺方法主要有激光钎焊、红外钎焊、感应钎焊等。非接触式钎焊在焊接加热过程中无需直接接触待加工零件，焊接过程无干涉及应力残留，应用最广泛的非接触式钎焊工艺为激光钎焊工艺。

随着电子装联行业加工工艺的不断发展，针对连接器、印制板及接线端子尺寸的进一步微小化，传统的接触式烙铁钎焊存在明显工艺瓶颈，当加工零件表面比较复杂时易产生干涉，无法实现微小空间焊接作业。同时，线缆信号传输品质及传输速率要求在不断提升，接触式钎焊工艺存在对线材传输性能及热敏器件过热损害的隐患。激光钎焊作为一种非接触式加工手段，以其独特的优势越来越受到厂商的青睐，其在连接器及线材行业中的应用越发不容忽视。

目前，激光钎焊生产线已大规模出现在电子工业中，特别是在微电子工业中得到了广泛的应用。近年来，激光钎焊技术又逐渐应用到印制电路板的装联过程中，随着电路的集成度越来越高，零件尺寸及引脚间距越来越小，以往的工具已经很难在细小的空间操作，激光由于不需要接触到零件即可实现焊接，很好的解决了这个问题，具有非常可观的市场前景和需求。

2 激光钎焊工艺原理及特点

激光钎焊为无接触热传导型加热焊接工艺，是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效焊接方法。其基本原理为激光辐射加热焊料及待焊零件表面，表面的热量通过热传导方式向焊料内部快速扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量及功率等参数，使焊料充分熔融润湿被焊金属及导线芯线表面并相互扩散后发生冶金反应形成金属合金层，自然冷却后形成牢固的焊接接头，从而达到可靠的钎焊连接。

激光钎焊为无接触传导集中加热，热应力低、热变形小、热影响区小，无空间干涉及静电威胁，焊接质量较高。激光钎焊使用细小的激光束代替烙铁头，在加工工件表面有其它干涉物时同样便于加工，可以实现微小空间的焊接作业，加工精度较高，光斑可达微米级别，加工时间程序控制。激光束易于聚焦，可通过反射镜或光纤改变光的走向，因而它的可达性好，在其它焊接方法难以接近的工件部位也能进行焊接，激光对邻近金属没有机械扭曲作用，能保证焊接强度，光束能量和光速移动速度都是可以调节的，可以实现各种加工目的，焊接效率高。采用非接触式激光钎焊技术代替传统的接触式手工钎焊技术，可从源头解决微小空间焊接操作困难、焊点质量无法保证、焊接效率低下及焊点一致性差的问题。

3 激光钎焊工艺参数研究

零件表面待焊接区域吸收能量的多少受激光输出功率及激光辐照时间的影响，在其它参数都相同的条件下，提高激光输出功率可提高钎焊效率。一般激光输出功率越大，待焊零件表面所能吸收的能量就越高，焊接材料表面所能达到的温度就越高，激光钎焊效率也会提升明显。但也不能为了提高钎焊效率而随意增大激光输出功率，否则易造成周围零件及导线热损伤质量异常。因此，如何在提高激光输出功率保证钎焊效率的前提下，杜绝激光能量对周围零部件的损伤是激光钎焊工艺需重点研究的关键指标，最终得出不同类型产品激光输出功率最佳参数，保证产品的钎焊质量及效率。

不同材料对激光能量的吸收程度主要取决于材料的吸收率及反射率特性，材料的电阻系数及表面状态对激光光束的吸收率有重要影响，不同材料对激光的反射率差别较大。当高强度的激光束射入材料表面，必定会有一定比例的激光能量反射而损失，且反射率随材料表面温度而变化。因此，需要在实际焊接过程中针对不同材料的焊接特性，灵活调整脉冲波形，降低材料表面反射率，保证激光能量集中。量化不同材料的电阻系数及表面状态对光束吸收率的影响，通过控制激光脉冲波形参数来保证钎焊过程中激光能量集中，避免激光能量反射损失，提升钎焊效率。

激光束的焦距及离焦量特性对钎焊质量有重大影响，采用短焦距可获得较高的激光能量密度，短焦距光斑小就要求零件配合精度要高，长焦距能量密度低且焦距较大，但仍可维持一定的能量密度。通过调节离焦量参数可以保证在激光束的某一截面选择光斑直径使其能量密度适合于钎焊，因激光焦点处于光斑中心的功率密度过高，而在离开激光焦点的各平面上，其功率密度分布相对均匀，因此合理地控制正负离焦量参数，即可获得更好的焊点质量。不同产品焊接结构参差不齐，焊接间隙及焊点大小差异较大，需研究出不同焊点焦距参数要求，保证焊点处光斑大小及能量密度，激光焦点位置需避开光斑中心处，合理控制不同焊点离开光斑中心的参数。

激光光斑直径的大小对钎料的铺展及浸润影响程度较大，光斑直径过小时，激光能量集中在钎料上，对母材零件的加热不足，钎料在母材上铺展时冷却过快导致不易铺展而出现虚焊质量异常。激光光斑直径过大时，若激光功率不够的话则无法快速熔化钎料，若激光功率足够高则会损伤母材导致零件报废。不同焊接结构产品有不同的焊点形态大小，需研究不同光斑直径大小对钎料铺展及浸润的影响，通过控制不同焊点激光光斑直径的大小，有效提升钎焊效率及质量。

激光钎焊可实现各类金属材料的焊接，不同材料的激光钎焊工艺参数差别较大，不同金属材料的亲和力及可焊性差异较大，现阶段采用常规烙铁焊接对于可焊性较差的材料工艺上无法保证。因此，可以分别采用焊锡膏及焊锡丝研究与镀镍材料、不锈钢材料、铝材等可焊性较差的金属材料之间激光钎焊效果，对工艺可行性进行深入研究，保证焊料、焊材特性满足激光钎焊对焊接效率及焊接质量的要求。

4 总结展望

激光钎焊技术已在制造业、汽车工业、电子工业、生物医学等国内外各行各业得到重点发展，基本涵盖了所有的金属材料的加工，广泛应用在航空航天、国防工业及海洋工程等重要领域。激光钎焊生产线已大规模出现在电子工业及电子装联领域中，特别是在微电子工业及印制电路板装联行业中得到了广泛应用，以其独有的优势受到各大厂商的青睐，成为推动焊接加工手段发展和制造业进步的重要动力。

总之，在电子装联行业中，激光钎焊技术的发展形势还是非常乐观的，但是，我们想要真正应用激光钎焊技术全面代替手工钎焊，还有不少难题等着我们去解决。随着对激光钎焊技术研究的不断深入，激光钎焊技术必定会成为电子装联行业的发展重心，推动钎焊工艺自动化转型升级革命性的发展。

参考文献：

［1］张文举.浅析激光焊接技术的工艺与方法.黑龙江科技信息，2011(06)

［2］陈祝年.焊接工程师手册.机械工业出版社，2002.1