激光软钎焊技术：SMT领域内的现状与未来发展趋势（上）

激光是20世纪与微机技术、原子技术等并列的最伟大的技术之一，世界上第一台红宝石激光器，诞生于20世纪60年代。与其他种类的光相比，激光具有高方向性，高单色性，高功率，高相干性等一系列优点。目前，激光技术已经应用于焊接、医疗、材料切割、新型武器等多个方面。

微电子技术的两大主导部分：微电子元器件和微电子组装技术，正以日新月异的速度高速发展，并相辅相成，互相促进。随着微电子组装技术的发展，电子元器件越来越呈现出微型化的趋势。SM T技术是包括表面安装元件SM C、表面安装器件SM D、表面安装印刷电路板、普通混装印刷电路板、点胶、涂膏、表面安装设备、元器件取放系统、焊接及在线测试等技术内容的一整套工艺技术过程的统称。激光软钎焊技术就是用激光为热源，辐射引线或焊盘，通过钎料向基板传热，当温度达到软钎焊温度时，钎料润湿铺展形成焊点。由于具有光斑面积可调，热影响区小，快速加热与冷却等优点，激光软钎焊技术已经成为了具有广阔发展前景的SMT技术。

1  激光加工的含义及特点

激光加工就是将激光照射到待加工工件的表面，用以去除和熔化材料，改变物体表面或内部的性质，以期达到想要的结果，属于非接触式加工。激光加工的主要特点是被加工工件变形小，热影响区小，无污染，无噪音，加工速度快。与其他焊接技术相比，激光焊接技术是一种现代的新型焊接技术，并有如下特点：
(1)激光输出的功率密度高，可达1×105~1×107W/cm2。同时，激光束与被加工物体之间的作用区域是局部的，热影响区小，对周围零部件几乎不产生影响。因此，激光适用于精密元器件和带有热敏感元器件的线路板的焊接。
(2)激光具有光学特性，可以透过透明介质对密闭的工件进行加工。
(3)激光适用于难熔金属，异种金属之间的焊接。
(4)由于激光不受电磁干扰，无磁偏吹现象，适用于磁性材料之间的焊接。
激光可以实现碳钢、不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金等多种材料的焊接，焊接质量优于传统的焊接方法。激光焊接技术在飞行器制造、汽车制造、压力容器制造、船舶等领域已经有了较为广泛的应用。目前，应用于软钎焊领域内的激光器主要有五种：CO2气体激光器，Nd:YAG固体激光器，半导体激光器、光纤激光器和飞秒激光器。

2软钎焊激光器

2.1  红外CO2激光器

CO2激光器是目前在工业中应用最广泛，大量应用于航天、船舶、汽车等领域。它的工作气体主要是CO2、N2和He。其中，CO2是产生激光的粒子；N2用来激励CO2粒子，使高能级的CO2粒子数增加，加速CO2粒子的弛豫过程，同时也有抽空低能级CO2分子的作用；He同样有抽空较低能级的CO2分子的作用，同时具有散热作用，提高激光器的输出功率和效率。对于不同结构，不同功能需求的CO2激光器，其工作气体的组成成分及比例亦有不同。

CO2激光器具有输出功率范围大(从几毫瓦到几百千瓦的连续功率输出)，能量转换效率高等优点。它产生的激光波长一般为10.6μm，属于远红外波段，不易为金属钎料吸收，而容易被有机物吸收，因此，必须避免其直接照射PCB板。在软钎焊过程中，CO2激光器产生的激光可强烈的被钎料中的钎剂吸收，使钎剂的温度迅速升高，受热的钎剂再将热量传导给金属钎料，完成整个钎料的熔化，实现焊点的连接。
但是，由于CO2激光器产生的激光不能通过光纤进行传输，影响了其加工的自动化程度和灵活性，同时，其机器设备成本高，耗材费用高，内部很多零部件过于精细，对使用的环境要求较高，这些都限制了它的使用范围。

2.2  紫外Nd:YAG固体激光器

Nd:YAG激光器是掺Nd的钇铝石榴石（Yttrium Aluminum Garnet）固体激光器的简称。钇铝石榴石的化学式为Y3Al5O12，由Y2O3和Al2O3按照摩尔比3:5混合而成。在其晶格点阵上，Y3+按照一定的规律排列，而在掺了一定量的Nd2O3之后，一些点阵上的Y3+被Nd3+取代，形成了淡紫色的Nd:YAG晶体。

Nd:YAG 能级简图

Nd:YAG激光器具有如下优点：
（1）Nd:YAG激光器属于四能级结构，量子效率高，受激辐射截面积大，阈值远远低于红宝石和Nd玻璃等固体激光器。
（2）Nd:YAG具有良好的热稳定性能，热膨胀系数小、热导率高。
（3）Nd:YAG化学性质稳定，晶体硬度大，易于制成高稳定度要求的器件。它是当前应用最广泛的激光固体工作物质。
（4）Nd:YAG激光器产生的激光波长为1.06μm，更适合于金属的吸收，易被树脂、陶瓷等反射，因此对PCB的影响不大。图1给出了不同物质对不同波长激光的吸收率。

图1 材料对不同波长激光的吸收率

Nd:YAG激光器产生的激光可以通过光纤传输，易于实现远距离的加工和自动化。但是，Nd:YAG激光器多采用光浦泵，而且能量转换环节多，器件总效率约为1%～3%，远低于CO2激光器的10%，而且泵浦灯使用寿命较短，需要经常更换。Nd:YAG激光器一般输出多模光束，模式不规则，发散角大，对待焊工件加热不集中，这些都限制了它的使用。

2.3半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料做为光增益介质的激光器，又称为二极管激光器（DiodeLaser）或者激光二极管（LaserDiode），其核心是一个具有光反馈结构的PN结的二极管，它是利用半导体中的电子跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称。半导体激光器是一种固体激光器件，由紫外到红外光谱范围的材料组成。半导体有源材料的基本结构单元是PN节，它的电光转换效率可达30%左右，而其它工业激光器的转换效率为1%~10%。半导体激光器输出激光的特征波长780~830nm，比Nd:YAG激光波长更短、效率更高、所需能量更少。此外，半导体激光器的使用寿命和服役时间很长（4000～5000h，最高可达10000h）。

半导体激光器结构示意图

与CO2激光器和Nd:YAG激光器相比，半导体激光器具有很多突出的特点：
（1）半导体激光器是直接的电子-光子转换器，具有很高的转换效率。理论上，半导体激光器的内量子效率可接近100%，虽然实际上由于存在某些非辐射复合损失，其内量子效率要低一些，但仍可以达到70%以上，远远高于其它激光器。
（2）半导体激光器所覆盖的波段范围最广。通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，可以得到范围很广的激光波长以满足不同的需要。
（3）半导体激光器的使用寿命最长。目前用于光纤通信的半导体激光器，其工作寿命可达数十万小时。
（4）具有直接波形调制能力的是半导体激光器区别于其它激光器的重要特点。

在SMT中，采用半导体激光器进行高密度引线器件的焊接，其突出的特点是不会对元器件有太大的热影响；激光照射区域被限制在引线和焊盘范围内，还可有效地避免细间距引线间的钎料桥连。半导体激光器在SMT领域已经得到了应用，在超微型，高精密元器件领域内有着广阔的应用前景。

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审核编辑 黄宇