大研智造丨半导体激光器在电子焊接中的应用及优势

在电子器件和集成电路日益微型化的今天，传统软熔焊接方法面临着前所未有的挑战。关键在于如何在高密度的互连中，精准地完成细小焊脚的焊接，同时避免相邻焊脚粘连和电路板热损伤。无接触的激光焊接技术因此成为了一种有效的解决方案。曾经，高功率激光器因体积庞大和高昂的维护成本而难以普及，但高功率半导体激光器技术的进展，使得激光焊接变得实用且高效。

实践证明，使用近红外波长790—900nm、功率8到20W的半导体激光器焊接电子元件，相较于传统软熔技术，拥有显著优势：它极大减少了热量传递给部件；能够精确定位点焊；适应复杂几何位置的焊接；甚至能够一步完成剥线和焊线。小尺寸焊点使得电路板、连接器和柔性印刷电路板上的部件焊接成为现实，焊点间潜在的桥接现象也大幅减少。此外，激光器的恒定输出功率确保了每个焊点的均匀一致性，显著提升了焊接质量和可靠性。

本文介绍的应用实例均采用了大研智造公司生产的30W带光纤半导体激光器系统。该系统集成了完整的温度控制器、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。光束通过焦距为31mm的平凸透镜，以1：1成像，聚焦点直径为800μm。系统提供多种控制界面，简化了自动材料处理和计算机数字控制系统的集成。

高密集度互连

在高密集度互连的焊接中，半导体激光器系统的应用要求将电路固定到100针以上的连接器上。预制焊料锡球通过分球盘落入喷嘴并卡住，然后对准焊接部位，使用10W的激光以0.3秒/针的速度进行焊接，同时用高浓度氮气N2降低表面氧化。复杂的几何形状、针的长度和柔性电路的使用，使得传统软熔技术难以应对，而激光焊接则无需接触部件，即可在每根针和焊接位置上实现焊料的精确熔化，减少热损伤。

柔性印刷电路

柔性电路的应用范围不断扩大，体积也越来越小，其材料容易烧焦，传统焊接方法难以适应。例如，助听器中的柔性电路焊接要求结构紧凑、重量轻。焊接点宽度仅为1mm，每个电路有8个焊接点，整个助听器由5块电路组成。使用10W激光以1秒3个焊点的速度将分立元件焊接到柔性印刷电路上，高能量密度和小聚焦尺寸避免了热量散逸导致的柔性电路板材料（如聚酰亚胺薄膜）烧焦。激光精确点焊减少了元件吸热量，避免了焊接热量对分立元件中细电线的损伤。

剥线和焊线

激光技术能够一步完成某些导线绝缘层的处理和焊接，如氨基甲酸乙酯和聚酰亚胺。这一过程在激光输出的同一工作周期中完成，通过模拟控制调整输出波形，使脉冲的前期完成剥线，随后完成焊接。这些绝缘材料非常适合这种处理方式。激光处理过程中，绝缘层并未完全清除，而是露出电线尾端的裸线进行焊接。焊接完成后，电线表面氧化极小，焊料易于覆盖，焊点干净。激光的工作周期通常在0.5到2秒之间，取决于焊线尺寸、焊接点尺寸、绝缘材料及其厚度。

技术比较

传统的焊接技术，如加热枪、微火焰焊接机、石英灯焊接机和全自动焊接机，存在输出热量难以控制、容易损坏集成电路基体材料等问题。石英灯焊接机虽然与半导体激光器焊接系统工作方式相似，但聚焦点大且易损坏。自动焊接机虽常用，但需要频繁清理和维护。

半导体激光器焊接系统采用无接触焊接方式，能够将热量精确聚焦到指定部位进行焊接。它还能产生短光脉冲进行无焊料焊接，焊接速度快于氧化反应速度。在自动焊接机难以接近的场合，半导体激光器焊接系统展现了其灵活性。虽然初期投入略高，但易于控制、稳定性和可靠性更高，且维护费用低，故障停工时间少。

总结

这类半导体激光系统以其稳定的输出功率和便捷的系统集成能力，为用户提供了巨大价值。在各种应用中，高功率密度的激光输出对加工处理极为有利，可能提高生产速度。灵活的运动控制系统、精确细小的激光焊点、及对加工部件极小的热影响区域，都能有效地提高生产率，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（尤其是梯导线或小规格导线）、以及低热质电子元件的生产厂家。

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