半導體激光器在電子焊接領域的應用

高密度互連隨著電子器件和集成電路的微型發展，使得傳統的軟熔焊接方法不斷受到挑戰。如何在高密度相互連接中成功地完成對每個細小的焊腳的焊接，而不造成相鄰焊腳間的粘連和電路板的熱損壞，采用激光進行無接觸焊接成為解決方案之一。以前，能夠提供足夠功率的激光器大多體積龐大、日常維護成本高，因此很不實用。但是，隨著高功率半導體激光器技術的發展，采用激光進行無接觸焊接已經成為實用、高效的重要手段。

事實證明，采用近紅外波長790-900nm、功率8到20W的半導體激光器焊接電子元件比傳統的軟熔技術有著更多的優點：它可以大幅度地減少傳到部件上的熱量；精確定位點焊；在復雜的幾何位置上焊接；還可以一步完成剝線和焊線。由于焊點尺寸小，使得在電路板、連接器和柔性印刷電路板的部件焊接厲為可能；而且，焊點間潛在的架橋現象大為減少。不僅如此，激光器還具有輸出功率恒定的能力，這保證了每一個焊點的均勻一致，大大提高了焊接質量及可靠性。下面介紹的就用實例均使用COHERENT公司生產的30W帶光纖半導體激光器系統。系統內集成了一套完整的溫度控制器、驅動電源和帶800μm芯徑耦合光纖的半導體激光器，輸出800nm波長、30W功率的激光，光束通過一對焦距為31mm的平凸透鏡，1：1成像，聚焦點直徑為800μm。具有多種控制界面的FAP-System，使自動材料處理和計算機數字控制系統的集成得以簡化。

高密集度互連使用半導體激光器系統焊接高密集度互連的焊接面，工藝要求是將柔性電路固定到100針以上的連接器上。在這項工作中先進行焊接預處理，即將預制焊劑放在焊點上；再用10W的激光以0.5秒/針的速度焊接，使用少量含松香的焊劑來降低表面氧化。密集的幾何形狀、針的長度以有為柔性電路的使用，都使傳統的軟熔技術以以施展，而激光卻能無須接觸部件，就使焊料在每根針和焊接位置上軟熔，從而減少了熱損壞。

柔性印刷電路柔性電路的應用很廣，而體積也越來越小，加上電路板的材料容易燒焦，使用傳統的焊接方法有一定的困難。 對助聽器中柔性電路的焊接，這種電路是為一種助聽器設計的，因此要求結構緊湊、重量輕。焊接點的寬度只有1mm，每個電路有7個焊接點，助聽器由5塊電路組成。為把分立元件焊接到柔性印刷電路上，每個焊點使用標準松香焊料，整個過程使用10W激光以1秒1個焊點的速度完成，高的能量密度及小的聚焦尺寸避免了散逸熱量燒焦柔性電路板材料。

剝線和焊線使用激光處理某些導線絕緣層，如氨基甲酸乙酯和聚酰亞胺，能夠一步完成剝線和焊接。也就是說，上述過程發生在激光輸出的同一工作周期中，只是要通過使用模擬控制調整FAP-System的輸出波形，使得脈沖的前期過程完成剝線，隨后過程完成焊接。氫基甲酸乙酯和聚酰來胺絕緣材料最適合于這種處理方式。在激光處理這睦材料的過程 中，絕緣層并沒有被完全清除，而只是對電線尾端露出裸線進行焊接。焊接完成后，電線表面幾乎沒有氧化，焊料非常容易地覆蓋表面，而且焊點十分干凈。激光的工作周期一般在0.5到2秒，有時更長一些，這取決于焊線的尺寸、焊接點的尺寸、絕緣材料及其厚度。

技術比較常用的焊接還有加熱槍、微火焰焊接機、石英燈焊接機、全自動焊接機等。加熱槍和微火焰焊接機的輸出熱量難以控制，很容易燒壞集成電路的基體材料。石英燈焊接機系統的工作方式和半導體激光器焊接系統相類似，但是聚焦點大，而且石英燈容易損壞。雖然燈的價格并不貴，但是使用時的噪聲大。最常用的是自動焊接機，但由于焊料很容易堵住焊接機。需要經常清理和維護。半導體激光器焊接系統采用無接觸焊接方式，能夠把熱量聚焦到非常小的點并精確定位到指定部位進行焊接。不僅如此，半導體激光器焊接系統還能夠產生非常短的光脈沖進行無焊料焊接錫或鉛等材料，焊接速度快于氧化反應的速度。在自動焊接機無法靠近的場合，半導體激光器焊接系統更加顯示出蛇的靈活性，因為它工作距離僅取決于價格便宜的光路部分。購買半導體激光器焊接系統的初期投入經費略高于其它焊接系統，但由于系統易于控制，穩定性、可靠性更高。而且半導體激光器的壽命高達數千乃至上萬小時，所以后期的維護費用低，故障停工時間少，可大幅度降低操作耗費。

總結這類半導體激光系統輸出功率穩定、與元件處理系統集成方便，對最終用戶頗具價值。在各種應用中，輸出激光的功率密度高對加工處理十分有利，可能提高生產速度。總之，靈活的運動控制系統、精確細小的激光焊點、以及對加工部件極小的熱影響區域，都能有產地提高生產率，降低廢品率。半導體激光器焊接適用于表面元件安裝、柔性印刷電路、高密集度連接器、微型分立元件、以及低熱質電子元件的生產廠家。?