激光是20世紀與微機技術(shù)、原子技術(shù)等并列的最偉大的技術(shù)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(shù)已經(jīng)應(yīng)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(shù)的兩大主導(dǎo)部分：微電子元器件和微電子組裝技術(shù)，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(shù)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(shù)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(shè)備、元器件取放系統(tǒng)、焊接及在線測試等技術(shù)內(nèi)容的一整套工藝技術(shù)過程的統(tǒng)稱。激光軟釬焊技術(shù)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(diào)，熱影響區(qū)小，快速加熱與冷卻等優(yōu)點，激光軟釬焊技術(shù)已經(jīng)成為了具有廣闊發(fā)展前景的SMT技術(shù)。

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(nèi)部的性質(zhì)，以期達到想要的結(jié)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(shù)相比，激光焊接技術(shù)是一種現(xiàn)代的新型焊接技術(shù)，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(chǎn)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(xué)特性，可以透過透明介質(zhì)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(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接方法。激光焊接技術(shù)在飛行器制造、汽車制造、壓力容器制造、船舶等領(lǐng)域已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用。目前，應(yīng)用于軟釬焊領(lǐng)域內(nèi)的激光器主要有五種：CO2氣體激光器，Nd:YAG固體激光器，半導(dǎo)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(yīng)用最廣泛，大量應(yīng)用于航天、船舶、汽車等領(lǐng)域。它的工作氣體主要是CO2、N2和He。其中，CO2是產(chǎn)生激光的粒子；N2用來激勵CO2粒子，使高能級的CO2粒子數(shù)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。它產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)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(shè)備成本高，耗材費用高，內(nèi)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(xué)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(jié)構(gòu)，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(shù)小、熱導(dǎo)率高。
（3）Nd:YAG化學(xué)性質(zhì)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(yīng)用最廣泛的激光固體工作物質(zhì)。
（4）Nd:YAG激光器產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料做為光增益介質(zhì)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(jié)構(gòu)的PN結(jié)的二極管，它是利用半導(dǎo)體中的電子躍遷引起光子受激發(fā)射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱。半導(dǎo)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(dǎo)體有源材料的基本結(jié)構(gòu)單元是PN節(jié)，它的電光轉(zhuǎn)換效率可達30%左右，而其它工業(yè)激光器的轉(zhuǎn)換效率為1%~10%。半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖

與CO2激光器和Nd:YAG激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有很多突出的特點：
（1）半導(dǎo)體激光器是直接的電子-光子轉(zhuǎn)換器，具有很高的轉(zhuǎn)換效率。理論上，半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率可接近100%，雖然實際上由于存在某些非輻射復(fù)合損失，其內(nèi)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(dǎo)體激光器所覆蓋的波段范圍最廣。通過選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多元化合物半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的使用壽命最長。目前用于光纖通信的半導(dǎo)體激光器，其工作壽命可達數(shù)十萬小時。
（4）具有直接波形調(diào)制能力的是半導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)，還可有效地避免細間距引線間的釬料橋連。半導(dǎo)體激光器在SMT領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用，在超微型，高精密元器件領(lǐng)域內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景。

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審核編輯 黃宇