激光微焊接薄金屬材料的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

作者：SPI Lasers營(yíng)銷與業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Jack Gabzdyl 博士

在現(xiàn)代工業(yè)中，對(duì)薄金屬材料進(jìn)行高效的加工和／或電氣微連接的需求不斷增加。在很多領(lǐng)域中，材料或工藝的兼容性不足以進(jìn)行常規(guī)的熱處理，例如焊接、硬釬焊和軟釬焊，或不希望使用粘合劑和機(jī)械緊固件。這種情況可能在儲(chǔ)能行業(yè)非常普遍，因?yàn)樽鳛樾屡d動(dòng)力電池行業(yè)關(guān)鍵部件的下一代電池，需要使用薄箔片來(lái)制造陰極和陽(yáng)極。而在消費(fèi)電子行業(yè)中，高密度封裝和微型化不斷推動(dòng)創(chuàng)新，也對(duì)傳統(tǒng)的連接技術(shù)提出挑戰(zhàn)。

從激光器的角度來(lái)看，存在諸多挑戰(zhàn)，使得薄金屬材料的微焊接異常困難。要成功進(jìn)行焊接，需要避免焊接穿孔、變形和彎曲，所有這些目標(biāo)都需要仔細(xì)控制過(guò)程的熱輸入。在傳統(tǒng)的激光深熔焊接工藝中，克服材料閾值通常需要較高的平均功率。高反材料和異種金屬的焊接所需的平均功率可能更高，基本難題之一是使用熱傳導(dǎo)焊工藝還是使用深熔焊工藝。熱傳導(dǎo)焊接時(shí)，寬度較大、強(qiáng)度較弱的熱源往往會(huì)產(chǎn)生較高的熱輸入和熱影響區(qū)，因此通常不建議將其作為解決薄片金屬焊接問(wèn)題的辦法。在深熔焊時(shí)，高集中、高強(qiáng)度的熱源可盡可能減小熔池，從而有助于控制熱輸入。因此，深熔焊接參數(shù)的調(diào)試對(duì)于獲得高質(zhì)量的結(jié)果至關(guān)重要。

焊接時(shí)廣泛采用的一種方法是使用納秒（ns）脈沖光纖激光器。這些短脈沖、高峰值強(qiáng)度的激光器可能更適合于打標(biāo)、雕刻和其他材料去除過(guò)程，所以憑直覺(jué)判斷，它們用于材料焊接過(guò)程時(shí)可能會(huì)起相反的作用。但主振蕩功率放大器（MOPA）提供的脈沖控制具有出色的參數(shù)靈活性，從而實(shí)現(xiàn)了可能進(jìn)行金屬接合的處理方式。納秒脈沖光纖激光器以幾微焦到＞1mJ的脈沖能量運(yùn)行，脈沖持續(xù)時(shí)間范圍10－1000ns，并能達(dá)到＞10千瓦的峰值功率，以高達(dá)4MHz的頻率運(yùn)行，從而明顯區(qū)別于連續(xù)波（CW）等傳統(tǒng)激光器甚至準(zhǔn)CW（QCW）長(zhǎng)脈沖激光器，但很多還是在這些范圍內(nèi)運(yùn)行。

使用納秒微焊接作為焊接工具適用于多種應(yīng)用，也適合于克服從箔材到異種金屬的焊接挑戰(zhàn)。薄金屬箔（＜50μm）的接合尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰M(jìn)行非常微妙的能量平衡，足以使金屬熔化，但又不能產(chǎn)生顯著的汽化和等離子體。箔材易于使用搭接方式進(jìn)行焊接，在這種工藝中，箔材之間緊密接觸是實(shí)現(xiàn)良好效果的必要條件，但這對(duì)夾具提出了重大挑戰(zhàn)。如今的電池生產(chǎn)過(guò)程對(duì)多層箔材疊合焊接有許多嚴(yán)格的要求，現(xiàn)有技術(shù)是超聲焊接，但制造商越來(lái)越希望使用激光焊接來(lái)提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量并改進(jìn)箔材堆疊限制。激光器可提供很多潛在解決方案，但紅外（IR）納秒激光器已證明能夠使用200W EP-Z激光器焊接多達(dá)20層以上銅箔或鋁箔，但消除該應(yīng)用中的孔隙率具有高度的挑戰(zhàn)性。

納秒脈沖光纖激光器的峰值功率較高，意味著可以較容易地以很小的平均功率進(jìn)入銅等高反金屬中。使用納秒微焊接工藝作為焊接的一種替代方法，將元件直接貼合在銅印刷電路板（PCB）軌道上的研究顯示出了巨大的前景。目前已經(jīng)成功將厚達(dá)150μm的銅引線貼合到＞60μm的沉積軌道上，而與FR4基板之間沒(méi)有任何明顯的分層。這為熱敏元件或工作溫度可能超過(guò)傳統(tǒng)焊接極限的元件的貼合提供了替代方案。

基于貼合的挑戰(zhàn)，很難對(duì)箔材進(jìn)行對(duì)接焊接。但這一點(diǎn)可以通過(guò)邊緣焊接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將兩個(gè)箔材夾緊在一起，用激光進(jìn)行切割，通過(guò)所使用的參數(shù)使上下箔材的邊緣焊接在一起。隨后的重熔過(guò)程可顯著提高連接強(qiáng)度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)一致的抗拉強(qiáng)度。將10μm銅箔焊接到25μm鋁箔上，獲得了＞2.5N的抗拉強(qiáng)度，而將50μm鋁箔焊接到50μm鋁箔上，獲得了＞25N的抗拉強(qiáng)度。

審核編輯 黃昊宇