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鐳射微焊接薄金屬材料的優勢與挑戰

釋出時間: 2020-05-22


鐳射焊接/傳統焊接

在現代工業中╃◕,對薄金屬材料進行高效的加工和/或電氣微連線的需求不斷增加✘·╃。在很多領域中╃◕,材料或工藝的相容性不足以進行常規的熱處理╃◕,例如焊接₪☁•₪☁、硬釺焊和軟釺焊╃◕,或不希望使用粘合劑和機械緊韌體✘·╃。這種情況可能在儲能行業非常普遍╃◕,因為作為新興動力電池行業關鍵部件的下一代電池╃◕,需要使用薄箔片來製造陰極和陽極✘·╃。而在消費電子行業中╃◕,高密度封裝和微型化不斷推動創新╃◕,也對傳統的連線技術提出挑戰.

從鐳射器的角度來看╃◕,存在諸多挑戰╃◕,使得薄金屬材料的微焊接異常困難✘·╃。要成功進行焊接╃◕,需要避免焊接穿孔₪☁•₪☁、變形和彎曲╃◕,所有這些目標都需要仔細控制過程的熱輸入✘·╃。在傳統的鐳射深熔焊接工藝中╃◕,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焊工藝還是使用深熔焊工藝✘·╃。熱傳導焊接時╃◕,寬度較大₪☁•₪☁、強度較弱的熱源往往會產生較高的熱輸入和熱影響區╃◕,因此通常不建議將其作為解決薄片金屬焊接問題的辦法✘·╃。在深熔焊時╃◕,高集中₪☁•₪☁、高強度的熱源可儘可能減小熔池╃◕,從而有助於控制熱輸入✘·╃。因此╃◕,深熔焊接引數的除錯對於獲得高質量的結果至關重要.

焊接時廣泛採用的一種方法是使用納秒(ns)脈衝光纖鐳射器✘·╃。這些短脈衝₪☁•₪☁、高峰值強度的鐳射器可能更適合於打標₪☁•₪☁、雕刻和其他材料去除過程╃◕,所以憑直覺判斷╃◕,它們用於材料焊接過程時可能會起相反的作用✘·╃。但主振盪功率放大器(MOPA)提供的脈衝控制具有出色的引數靈活性╃◕,從而實現了可能進行金屬接合的處理方式✘·╃。納秒脈衝光纖鐳射器以幾微焦到>1mJ的脈衝能量執行╃◕,脈衝持續時間範圍10-1000ns╃◕,並能達到>10千瓦的峰值功率╃◕,以高達4MHz的頻率執行╃◕,從而明顯區別於連續波(CW)等傳統鐳射器甚至準CW(QCW)長脈衝鐳射器╃◕,但很多還是在這些範圍內執行✘·╃。

使用納秒微焊接作為焊接工具適用於多種應用╃◕,也適合於克服從箔材到異種金屬的焊接挑戰✘·╃。薄金屬箔(<50μm)的接合尤其具有挑戰性╃◕,因為它需要進行非常微妙的能量平衡╃◕,足以使金屬熔化╃◕,但又不能產生顯著的汽化和等離子體✘·╃。箔材易於使用搭接方式進行焊接╃◕,在這種工藝中╃◕,箔材之間緊密接觸是實現良好效果的必要條件╃◕,但這對夾具提出了重大挑戰✘·╃。如今的電池生產過程對多層箔材疊合焊接有許多嚴格的要求╃◕,現有技術是超聲焊接╃◕,但製造商越來越希望使用鐳射焊接來提高生產效率₪☁•₪☁、質量並改進箔材堆疊限制✘·╃。鐳射器可提供很多潛在解決方案╃◕,但紅外(IR)納秒鐳射器已證明能夠使用200W EP-Z鐳射器焊接多達20層以上銅箔或鋁箔╃◕,但消除該應用中的孔隙率具有高度的挑戰性✘·╃。

納秒脈衝光纖鐳射器的峰值功率較高╃◕,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✘·╃。目前已經成功將厚達150μm的銅引線貼合到>60μm的沉積軌道上╃◕,而與FR4基板之間沒有任何明顯的分層✘·╃。這為熱敏元件或工作溫度可能超過傳統焊接極限的元件的貼合提供了替代方案✘·╃。

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