傳統微焊接技術的優缺點
微焊接可通過幾種方式完成：超聲波焊接、電阻焊和激光焊接。每種焊接都有其優(you) 缺點，每種焊接均能在某種不同程度上滿足微焊接的要求。
超聲波焊接：非常適合板材類焊接，但會(hui) 使生產(chan) 速度降低。
超聲波焊接（圖1）利用振動能量在連接界麵上進行焊接。由接觸頂部部件的超聲波發生器或焊頭提供傳(chuan) 遞到界麵的振動能量。焊頭以每秒成百上千次的頻率振動，運動振幅位於(yu) 0.0005至0.004英寸之間。部件的下側(ce) 有“底砧”支持，底砧可以是靜態的，也可以是振動的。
圖1 超聲波焊接裝置的示意圖
施加力量下的振動作用在焊接界麵上造成不均勻表麵的塑性變形，從(cong) 而導致形成高度密切的接觸和金屬原子擴散。由擴散形成連接，連接處沒有熔化。部件產(chan) 生一些變形或變薄，但是可以正常控製。通過焊頭的摩擦來維持焊頭與(yu) 部件之間的接觸，通過焊頭上的壓花紋加強摩擦。
超聲波焊接特別適合於(yu) 導電部件的薄板焊接，其中包括鋁和銅。超聲波工藝在微焊接中存在一些缺點。由於(yu) 需要將力量傳(chuan) 輸到部件上，因此，連接的兩(liang) 側(ce) 要求產(chan) 生機械接觸。另外，焊頭是一種要求檢驗和更換的損耗品。連接的幾何形狀在一定程度上僅(jin) 限製於(yu) 搭接焊接。最後，受焊頭驅動影響，焊接周期速度會(hui) 降低生產(chan) 速度。
電阻焊接：工藝靈活，但是不適合於(yu) 機械精密部件。
當電流通過部件時，電阻焊（圖2）使用焊接界麵的高電阻產(chan) 生熱量。電流產(chan) 生於(yu) 工件的相同側(ce) 或相反側(ce) 接觸部件的電極，形成回路。在部件上施加一些力量，以確保電氣接觸。
圖2 電阻焊裝置的示意圖
采用電阻焊方式焊接導電部件時，電極具有電阻，因此執行兩(liang) 種功能：加熱和將熱量傳(chuan) 導到部件，並傳(chuan) 導充足的電流，以在連接界麵產(chan) 生一些熱量。
電阻焊適用於(yu) 各種廣泛的連接應用和材料，性能優(you) 良。但是，由於(yu) 電阻焊的工藝依賴於(yu) 機械接觸以及需要在兩(liang) 個(ge) 電極之間形成電氣回路，因此並不能在所有情況下操作，特別是對於(yu) 部件為(wei) 機械精密部件的情況。另外，最小電極的直徑約為(wei) 0.04英寸，會(hui) 限製連接的接近操作。
激光焊接：非接觸式工藝，快速和精確，但是必須處理材料反射問題。
激光焊接（圖3）是一種非接觸式工藝，隻要求單側(ce) 接近操作。在極小的連接區域內(nei) ，這種技術十分有用。它可以用於(yu) 焊接不同形狀的部件、不同的連接幾何形狀以及異種材料。它不使用需要維護或更換的損耗品，焊接周期隻有幾毫秒。表麵上看，激光焊接似乎是微焊接銅的一種卓越解決(jue) 方案——但是也存在著問題。Nd：YAG激光器用於(yu) 大多數微焊接應用，波長為(wei) 1064納米，超過銅反射的90%。
圖3 激光焊接裝置的示意圖
通常采用極高的功率以克服反射問題，並確保將充足的光傳(chuan) 輸到銅。但是，當激光能量傳(chuan) 輸到銅上，並提升其溫度時，則反射率降低。由於(yu) 激光功率的吸收出現時間範圍小於(yu) 十億(yi) 分之一秒，因此能量吸收的變化非常快速。最初所需的高功率遠遠超過焊接所需功率。因此，材料快速過熱和蒸發，留下了大量的小孔或孔洞。
已經使用許多技術克服這種反射，包括脈衝(chong) 整形、氧氣協助以及使用反射率更低的鍍層。脈衝(chong) 整形不可靠，因為(wei) 銅和其它導電部件的反射率不同，因此降低激光功率時的精確時間點也會(hui) 變化。人們(men) 曾經嚐試采用反饋技術，以便更好地預期這種“精確時刻”，但是目前還沒有人證實可行。使用氧氣協助時，由於(yu) 會(hui) 在焊接的部件上形成氧化層，因此會(hui) 大幅提高銅的焊接縫隙的滲透性，但是，對於(yu) 點焊應用時卻沒有影響，因為(wei) 隻有在幾個(ge) 連續脈衝(chong) 之後才能看到氧的積極效應，因此並不能為(wei) 單點焊接或較短焊縫提供一種可靠的技術。使用鎳或錫等反射率更低的塗層，確實可以幫助降低最初的反射率，但是不能完全減輕問題，因為(wei) 仍然需要較高的能量繼續滲入銅內(nei) ；因此，微焊接的加工窗口極小。
利用脈衝(chong) 綠色激光器處理材料反射問題
綜上所述，必須處理好材料反射率的問題，才能在銅材料上實現優(you) 良、結實的激光微焊接。如表1所示，將波長從(cong) 1064納米降低到532納米會(hui) 大幅降低銅和其它導電材料的反射率。532納米（綠光）波長能夠持續地滲入銅內(nei) 並穩定焊接。
表1 波長為(wei) 1064納米和532納米的激光應用於(yu) 銅與(yu) 金時，其反射率對比。
圖4顯示了1064納米和532納米波長激光焊接無鍍層銅的比較。波長為(wei) 532納米時，激光滲入銅的情況與(yu) 1064納米滲入鋼一樣。因此，如果使用532納米激光，則可以成功地實現銅的微焊接。
圖4 使用1064納米和532納米脈衝(chong) Nd：YAG激光器在銅棒上產(chan) 生的典型點焊
可以采用兩(liang) 種方式達到該波長。最常見的是使用調Q激光器，但是此類激光器沒有充足的脈衝(chong) 能量執行焊接任務。
一種更為(wei) 新穎的途徑是使用正常脈衝(chong) 的Nd：YAG激光器，它可以以1.5千瓦峰值功率提供532納米的光，脈衝(chong) 寬度高達5毫秒。這樣可以提供充足的焊接能量，深入約350微米厚的銅材料。對於(yu) 大多數微焊接應用來說，這一能量已經足夠。通過光纖傳(chuan) 輸及使用脈衝(chong) Nd：YAG激光，其優(you) 點是光束的亮度較低。這樣可以促進整個(ge) 聚焦點的均勻吸收，防止焊接中心出現熱點而造成不穩定性。
綠激光微焊接的應用實例
電氣連接通常采用不同的尺寸、形狀和材料。許多工業(ye) 需要優(you) 質、可靠的端子進行電氣連接。電氣接頭的焊接如同一種無縫工藝，使連接點就象部件本身固有的一部分。激光焊接似乎有這種潛力。
例如汽車工業(ye) 已經大幅度使用傳(chuan) 感器技術，以監控汽車性能、功能和環境。每種傳(chuan) 感器有許多端子連接，其使用壽命必須符合汽車的使用壽命。在這一方麵，激光微焊接可以提供一種可行的選擇，激光器可以用於(yu) 高速優(you) 質的焊接。
醫療工業(ye) 的連接也十分重要，例如植入設備、感應和監控儀(yi) 表，它們(men) 的每種連接對於(yu) 維持部件的功能和性能十分關(guan) 鍵，因此要求采用高度穩定的焊接技術。
同樣，在通訊工業(ye) 中，信號強度和完整性十分關(guan) 鍵，可以最大化部件性能，以及確保連接不會(hui) 成為(wei) 部件設計的一種限製因素。
根據特定部件和元件設計，可以選擇各種工業(ye) 需要的多種電氣連接配置。在此介紹一些使用脈衝(chong) 綠色激光完成的連接配置選項。
排線連接到厚膜金屬化焊盤
電子工業(ye) 的常見連接參見圖5，其中采用了0.0015英寸厚的鍍金銅質扁平導線，將它焊接到金屬化焊盤上。在理想情況下，焊盤的厚度至少是排線厚度的1.5倍，因為(wei) 這樣可以在導線和焊盤之間形成優(you) 良的熱平衡，以防止焊盤過熱。
圖5 0.0015英寸厚的鍍金銅質扁平導線被焊接到金屬化焊盤上
導線連接至金屬化焊盤/端子
連接實心類和扭絞類導線是電力電子的另一種常見端子配置。通過將激光合適定位到導線尖部和焊盤上，可以將導線有效焊接到焊盤上。從(cong) 圖6可以看出，焊盤本身沒有熱效應。
圖6 0.004英寸直徑實心黃金導線被焊接到鍍金焊盤上
如圖7所示，扭絞導線也具有高度的可焊接性。焊接扭絞導線的關(guan) 鍵是保持尖部以確保扭絞導線密切壓實。通過壓實、電鍍浸入或短距離透焊至絕緣層等方法來實現優(you) 質焊接。
圖7 直徑0.01英寸的扭絞銀導線被焊接到鍍鎳的銅端子上
並排的方形端子連接至圓形導線
由於(yu) 不同連接物的幾何形狀和端子形狀等因素，激光的靈活性顯得極其重要。圖8顯示了矩形橫截麵鍍金銅連接器與(yu) 鍍銀銅導線之間的焊接。采用搭接配置進行焊接，導線與(yu) 端子的位置關(guan) 係顯示了端子的導線圓形和方形邊緣之間的一些差異和間隙。由於(yu) 激光能量可受控並能被持續吸收，使得兩(liang) 個(ge) 部件能被可靠地焊接在一起。
圖8 0.016× 0.09英寸鍍金銅端子和0.016
英寸直徑鍍銀銅導線之間的微小縫隙焊接。
扁平線連接至扁平引線框
對於(yu) 大批量生產(chan) ，在引線框上焊接多個(ge) 連接的關(guan) 鍵之處是質量和速度。作為(wei) 一種非接觸式工藝，激光焊接本身就可實現大批量製造。它可以根據動作設計在每秒執行許多焊接任務。圖9顯示了扁平導線焊接到銅質引線框。
圖9 厚度為(wei) 0.008英寸的銅質扁平導線被
焊接到0.008英寸厚鍍層銅質引線框上。
微型鋰離子/聚合物電池連接
對於(yu) 要求低於(yu) 50mAh的無線產(chan) 品、智能卡或射頻標簽等應用的電源應用，一般使用鋰離子或聚合物鋰電池技術。在這些應用中連接電池端子，存在許多特殊的挑戰。各個(ge) 端子均采用銅和鋁製造，但這兩(liang) 種材料在焊接時都存在問題。端子材料也十分薄，有時低於(yu) 0.001英寸。在一些應用中使用超聲波焊接，不過激光焊接也是一種選擇，可能特別適合於(yu) 將端子連接到PCB金屬化焊盤。圖10顯示了激光將薄銅和鋁焊接到鍍金銅焊盤上的幾個(ge) 視圖。
圖10 激光將薄銅和鋁焊接到鍍金銅質焊盤上
異種材料間的微焊接
當焊接具有不同吸收率的材料時，吸收性強的材料會(hui) 出現過度加熱的現象，因此造成過多飛濺和孔洞。通常采用以某種材料為(wei) 主的方法來解決(jue) 這一問題。但是，對於(yu) 小部件，這種措施可能不充分，因為(wei) 即使是最小的吸收不平衡也會(hui) 造成過熱焊接。在532納米波長時，兩(liang) 個(ge) 部件的反射率更加接近，因此焊接能量平衡更加一致，大幅提高了可焊接性。圖11顯示了兩(liang) 種差異性較大的材料之間的縫隙焊接。
圖11 鋁和鈦之間的焊接縫隙
大批量微焊接銅的可行方法
對銅等導電材料的微焊接比較困難，但是激光焊接可以提供一種十分有用的非接觸式連接方法，是專(zhuan) 門針對自動化而設計的。過去，銅在1064納米波長的反射率一直是實施激光焊接的一個(ge) 障礙。由於(yu) 使用532納米的綠色Nd：YAG激光焊接器，這種障礙已經清除，提供了大批量微焊接銅和其它導電材料的一種可行方法。
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