半导体激光器在电子焊接领域的应用

半导体激光器在电子焊接领域的应用
  高密度互连随着电子器件和集成电路的微型发展，使得传统的软熔焊接方法不断受到挑战。如何在高密度相互连接中成功地完成对每个细小的焊脚的焊接，而不造成相邻焊脚间的粘连和电路板的热损坏，采用激光进行无接触焊接成为解决方案之一。以前，能够提供足够功率的激光器大多体积庞大、日常维护成本高，因此很不实用。但是，随着高功率半导体激光器技术的发展，采用激光进行无接触焊接已经成为实用、高效的重要手段。
  事实证明，采用近红外波长790-900nm、功率8到20W的半导体激光器焊接电子元件比传统的软熔技术有着更多的优点：它可以大幅度地减少传到部件上的热量；精确定位点焊；在复杂的几何位置上焊接；还可以一步完成剥线和焊线。由于焊点尺寸小，使得在电路板、连接器和柔性印刷电路板的部件焊接厉为可能；而且，焊点间潜在的架桥现象大为减少。不仅如此，激光器还具有输出功率恒定的能力，这保证了每一个焊点的均匀一致，大大提高了焊接质量及可靠性。下面介绍的就用实例均使用COHERENT公司生产的30W带光纤半导体激光器系统。系统内集成了一套完整的温度控制器、驱动电源和带800µm芯径耦合光纤的半导体激光器，输出800nm波长、30W功率的激光，光束通过一对焦距为31mm的平凸透镜，1：1成像，聚焦点直径为800µm。具有多种控制界面的FAP-System，使自动材料处理和计算机数字控制系统的集成得以简化。
  高密集度互连使用半导体激光器系统焊接高密集度互连的焊接面，工艺要求是将柔性电路固定到100针以上的连接器上。在这项工作中先进行焊接预处理，即将预制焊剂放在焊点上；再用10W的激光以0.5秒/针的速度焊接，使用少量含松香的焊剂来降低表面氧化。密集的几何形状、针的长度以有为柔性电路的使用，都使传统的软熔技术以以施展，而激光却能无须接触部件，就使焊料在每根针和焊接位置上软熔，从而减少了热损坏。
  柔性印刷电路柔性电路的应用很广，而体积也越来越小，加上电路板的材料容易烧焦，使用传统的焊接方法有一定的困难。 对助听器中柔性电路的焊接，这种电路是为一种助听器设计的，因此要求结构紧凑、重量轻。焊接点的宽度只有1mm，每个电路有7个焊接点，助听器由5块电路组成。为把分立元件焊接到柔性印刷电路上，每个焊点使用标准松香焊料，整个过程使用10W激光以1秒1个焊点的速度完成，高的能量密度及小的聚焦尺寸避免了散逸热量烧焦柔性电路板材料。
  剥线和焊线使用激光处理某些导线绝缘层，如氨基甲酸乙酯和聚酰亚胺，能够一步完成剥线和焊接。也就是说，上述过程发生在激光输出的同一工作周期中，只是要通过使用模拟控制调整FAP-System的输出波形，使得脉冲的前期过程完成剥线，随后过程完成焊接。氢基甲酸乙酯和聚酰来胺绝缘材料最适合于这种处理方式。在激光处理这睦材料的过程 中，绝缘层并没有被完全清除，而只是对电线尾端露出裸线进行焊接。焊接完成后，电线表面几乎没有氧化，焊料非常容易地覆盖表面，而且焊点十分干净。激光的工作周期一般在0.5到2秒，有时更长一些，这取决于焊线的尺寸、焊接点的尺寸、绝缘材料及其厚度。
  技术比较常用的焊接还有加热枪、微火焰焊接机、石英灯焊接机、全自动焊接机等。加热枪和微火焰焊接机的输出热量难以控制，很容易烧坏集成电路的基体材料。石英灯焊接机系统的工作方式和半导体激光器焊接系统相类似，但是聚焦点大，而且石英灯容易损坏。虽然灯的价格并不贵，但是使用时的噪声大。最常用的是自动焊接机，但由于焊料很容易堵住焊接机。需要经常清理和维护。半导体激光器焊接系统采用无接触焊接方式，能够把热量聚焦到非常小的点并精确定位到指定部位进行焊接。不仅如此，半导体激光器焊接系统还能够产生非常短的光脉冲进行无焊料焊接锡或铅等材料，焊接速度快于氧化反应的速度。在自动焊接机无法靠近的场合，半导体激光器焊接系统更加显示出蛇的灵活性，因为它工作距离仅取决于价格便宜的光路部分。购买半导体激光器焊接系统的初期投入经费略高于其它焊接系统，但由于系统易于控制，稳定性、可靠性更高。而且半导体激光器的寿命高达数千乃至上万小时，所以后期的维护费用低，故障停工时间少，可大幅度降低操作耗费。
  总结这类半导体激光系统输出功率稳定、与元件处理系统集成方便，对最终用户颇具价值。在各种应用中，输出激光的功率密度高对加工处理十分有利，可能提高生产速度。总之，灵活的运动控制系统、精确细小的激光焊点、以及对加工部件极小的热影响区域，都能有产地提高生产率，降低废品率。半导体激光器焊接适用于表面元件安装、柔性印刷电路、高密集度连接器、微型分立元件、以及低热质电子元件的生产厂家。