激光軟釬焊技術：SMT領域內的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢（上）

激光是20世紀與微機技術、原子技術等并列的最偉大的技術之一，世界上第一臺紅寶石激光器，誕生于20世紀60年代。與其他種類的光相比，激光具有高方向性，高單色性，高功率，高相干性等一系列優(yōu)點。目前，激光技術已經應用于焊接、醫(yī)療、材料切割、新型武器等多個方面。

微電子技術的兩大主導部分：微電子元器件和微電子組裝技術，正以日新月異的速度高速發(fā)展，并相輔相成，互相促進。隨著微電子組裝技術的發(fā)展，電子元器件越來越呈現(xiàn)出微型化的趨勢。SM T技術是包括表面安裝元件SM C、表面安裝器件SM D、表面安裝印刷電路板、普通混裝印刷電路板、點膠、涂膏、表面安裝設備、元器件取放系統(tǒng)、焊接及在線測試等技術內容的一整套工藝技術過程的統(tǒng)稱。激光軟釬焊技術就是用激光為熱源，輻射引線或焊盤，通過釬料向基板傳熱，當溫度達到軟釬焊溫度時，釬料潤濕鋪展形成焊點。由于具有光斑面積可調，熱影響區(qū)小，快速加熱與冷卻等優(yōu)點，激光軟釬焊技術已經成為了具有廣闊發(fā)展前景的SMT技術。

1 激光加工的含義及特點

激光加工就是將激光照射到待加工工件的表面，用以去除和熔化材料，改變物體表面或內部的性質，以期達到想要的結果，屬于非接觸式加工。激光加工的主要特點是被加工工件變形小，熱影響區(qū)小，無污染，無噪音，加工速度快。與其他焊接技術相比，激光焊接技術是一種現(xiàn)代的新型焊接技術，并有如下特點：
(1)激光輸出的功率密度高，可達1×105~1×107W/cm2。同時，激光束與被加工物體之間的作用區(qū)域是局部的，熱影響區(qū)小，對周圍零部件幾乎不產生影響。因此，激光適用于精密元器件和帶有熱敏感元器件的線路板的焊接。
(2)激光具有光學特性，可以透過透明介質對密閉的工件進行加工。
(3)激光適用于難熔金屬，異種金屬之間的焊接。
(4)由于激光不受電磁干擾，無磁偏吹現(xiàn)象，適用于磁性材料之間的焊接。
激光可以實現(xiàn)碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等多種材料的焊接，焊接質量優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接方法。激光焊接技術在飛行器制造、汽車制造、壓力容器制造、船舶等領域已經有了較為廣泛的應用。目前，應用于軟釬焊領域內的激光器主要有五種：CO2氣體激光器，Nd:YAG固體激光器，半導體激光器、光纖激光器和飛秒激光器。

2軟釬焊激光器

2.1 紅外CO2激光器

CO2激光器是目前在工業(yè)中應用最廣泛，大量應用于航天、船舶、汽車等領域。它的工作氣體主要是CO2、N2和He。其中，CO2是產生激光的粒子；N2用來激勵CO2粒子，使高能級的CO2粒子數增加，加速CO2粒子的弛豫過程，同時也有抽空低能級CO2分子的作用；He同樣有抽空較低能級的CO2分子的作用，同時具有散熱作用，提高激光器的輸出功率和效率。對于不同結構，不同功能需求的CO2激光器，其工作氣體的組成成分及比例亦有不同。

CO2激光器具有輸出功率范圍大(從幾毫瓦到幾百千瓦的連續(xù)功率輸出)，能量轉換效率高等優(yōu)點。它產生的激光波長一般為10.6μm，屬于遠紅外波段，不易為金屬釬料吸收，而容易被有機物吸收，因此，必須避免其直接照射PCB板。在軟釬焊過程中，CO2激光器產生的激光可強烈的被釬料中的釬劑吸收，使釬劑的溫度迅速升高，受熱的釬劑再將熱量傳導給金屬釬料，完成整個釬料的熔化，實現(xiàn)焊點的連接。
但是，由于CO2激光器產生的激光不能通過光纖進行傳輸，影響了其加工的自動化程度和靈活性，同時，其機器設備成本高，耗材費用高，內部很多零部件過于精細，對使用的環(huán)境要求較高，這些都限制了它的使用范圍。

2.2 紫外Nd:YAG固體激光器

Nd:YAG激光器是摻Nd的釔鋁石榴石（Yttrium Aluminum Garnet）固體激光器的簡稱。釔鋁石榴石的化學式為Y3Al5O12，由Y2O3和Al2O3按照摩爾比3:5混合而成。在其晶格點陣上，Y3+按照一定的規(guī)律排列，而在摻了一定量的Nd2O3之后，一些點陣上的Y3+被Nd3+取代，形成了淡紫色的Nd:YAG晶體。

Nd:YAG 能級簡圖

Nd:YAG激光器具有如下優(yōu)點：
（1）Nd:YAG激光器屬于四能級結構，量子效率高，受激輻射截面積大，閾值遠遠低于紅寶石和Nd玻璃等固體激光器。
（2）Nd:YAG具有良好的熱穩(wěn)定性能，熱膨脹系數小、熱導率高。
（3）Nd:YAG化學性質穩(wěn)定，晶體硬度大，易于制成高穩(wěn)定度要求的器件。它是當前應用最廣泛的激光固體工作物質。
（4）Nd:YAG激光器產生的激光波長為1.06μm，更適合于金屬的吸收，易被樹脂、陶瓷等反射，因此對PCB的影響不大。圖1給出了不同物質對不同波長激光的吸收率。

圖1 材料對不同波長激光的吸收率

Nd:YAG激光器產生的激光可以通過光纖傳輸，易于實現(xiàn)遠距離的加工和自動化。但是，Nd:YAG激光器多采用光浦泵，而且能量轉換環(huán)節(jié)多，器件總效率約為1%～3%，遠低于CO2激光器的10%，而且泵浦燈使用壽命較短，需要經常更換。Nd:YAG激光器一般輸出多模光束，模式不規(guī)則，發(fā)散角大，對待焊工件加熱不集中，這些都限制了它的使用。

2.3半導體激光器

半導體激光器是以半導體材料做為光增益介質的激光器，又稱為二極管激光器（DiodeLaser）或者激光二極管（LaserDiode），其核心是一個具有光反饋結構的PN結的二極管，它是利用半導體中的電子躍遷引起光子受激發(fā)射而產生的光振蕩器和光放大器的總稱。半導體激光器是一種固體激光器件，由紫外到紅外光譜范圍的材料組成。半導體有源材料的基本結構單元是PN節(jié)，它的電光轉換效率可達30%左右，而其它工業(yè)激光器的轉換效率為1%~10%。半導體激光器輸出激光的特征波長780~830nm，比Nd:YAG激光波長更短、效率更高、所需能量更少。此外，半導體激光器的使用壽命和服役時間很長（4000～5000h，最高可達10000h）。

半導體激光器結構示意圖

與CO2激光器和Nd:YAG激光器相比，半導體激光器具有很多突出的特點：
（1）半導體激光器是直接的電子-光子轉換器，具有很高的轉換效率。理論上，半導體激光器的內量子效率可接近100%，雖然實際上由于存在某些非輻射復合損失，其內量子效率要低一些，但仍可以達到70%以上，遠遠高于其它激光器。
（2）半導體激光器所覆蓋的波段范圍最廣。通過選用不同的半導體激光器有源材料或改變多元化合物半導體各組元的組分，可以得到范圍很廣的激光波長以滿足不同的需要。
（3）半導體激光器的使用壽命最長。目前用于光纖通信的半導體激光器，其工作壽命可達數十萬小時。
（4）具有直接波形調制能力的是半導體激光器區(qū)別于其它激光器的重要特點。

在SMT中，采用半導體激光器進行高密度引線器件的焊接，其突出的特點是不會對元器件有太大的熱影響；激光照射區(qū)域被限制在引線和焊盤范圍內，還可有效地避免細間距引線間的釬料橋連。半導體激光器在SMT領域已經得到了應用，在超微型，高精密元器件領域內有著廣闊的應用前景。

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審核編輯 黃宇