采用微焊件图案的激光焊接方法技术

第一材料(1)与第二材料(2)之间的焊件(3)，第一材料(1)是第一金属材料，而第二材料(2)是第二金属材料，焊件(3)具有0.5mm与7mm之间的宽度(4)，焊件(3)包括至少一个微焊件(8)，微焊件(8)形成平行于第一材料(1)的表面(6)限定的焊接图案(5)，并且微焊件(8)具有20μm与400μm之间的特性特征大小(7)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用微焊件图案的激光焊接方法
本专利技术涉及焊件。该焊件可联结一个或多个反射材料。该焊件可具有低欧姆电阻、较高的剪切强度以及高剥离强度。本专利技术还涉及包括该焊件的制品以及用于激光焊接的方法。专利技术背景通过近红外频谱(800nm到2500nm)的激光焊接接合光亮金属(诸如，金、铜、铝、铂和银)提出了挑战。这是因为光亮金属的表面是高反射性的，吸收不良。为了克服表面反射以及发起激光能量耦合至金属表面中，使用具有高功率密度的激光束是必要的。激光束对光亮材料的函数接近具有来自光束抵抗(hold-off)(反射)和吸收中的非常窄的工作窗口的离散函数。首先，表面反射基本上所有激光。然而，一旦通过足够的激光强度克服了表面反射，则引发表面的熔化。该反射随后几乎立即从其原有超过80％反射率的高反射状态转变为较低值，对于某些金属而言，可能低于50％的反射率。这导致表面上的熔池非常迅速地生长。因此非常难以控制。当焊接薄且小质量的工件时，挑战增加。高功率密度通常是不利的，这导致激光束的过穿透，结果是不可靠的接头。相反，如果激光以刚刚在吸光率限制以上的较低功率密度工作，则必须增加脉冲历时。所吸收的能量热沉至焊件周围的区域内随后导致工件的过热，结果是弱焊件或没有焊件。现在已知的铜与其它光亮金属(诸如，金和银)的激光焊接的较佳方法涉及使用以可见绿波长发射的激光器。最常见的激光器是以532nm发射的频率加倍的1064nm激光器。这是因为光亮金属在532nn的反射率比在近红外波长低。光亮金属与此类激光器的激光接合产生可重复和一致的焊件，但以与频率加倍相关联的效率、复杂性和成本为代价。在一些应用中，将532nm处发射的激光器与1064nm处的第二激光器结合以增加效率和生产率是必要的。此类双波长系统要求使用复杂的光束监视和实时分析以便分析和定制焊件的结构的激光焊接工艺的闭环监视。此类诊断设备使用背反射光以及焊池特性的视频分析以便向激光器控制器提供反馈。这些系统是复杂的和昂贵的。已经采用了使用绿色激光器来执行光亮金属的焊件接合，无需特别解决接合不同金属的应用。不同金属的常规焊接依赖于对接口处金属的稀释以及结果所得热条件的特定控制以将导致接头中的所谓的金属间化合物的不同金属的混合最小化。大的金属间化合区域易于因作用于接头上的应力断裂，并且该断裂传播通过整个接头直到发生故障。具有连续波和脉冲激光的激光焊接是已知的，其具有或连续焊件前端，或交叠点焊，其中该焊件形成连续接缝。由焊接工艺导致的材料中的缺陷造成了薄弱，并且在大部分应用中是不可接受的。脉冲焊件通常使用微秒和毫秒脉冲来形成。该脉冲导致材料熔化，再固化以形成焊件。当焊接不同材料时，焊件接口可包含金属间化合物，该金属间化合物是由被接合的两种材料形成并且通常本质上是易碎和不期望的化合物。因此，在机械负载下，焊件可优先地沿该金属间化合物层断裂。在高反射材料之间形成低欧姆电阻焊件在电子和电气工程行业，包括电池制造、太阳能电池、半导体封装、以及电子印刷电路板中具有重要的应用。使用各种技术，包括激光焊接。然而，高反射率可能需要相对昂贵的可见激光器。另外，焊接装备、工艺和结果所得的焊件不满足快速制造速度、低欧姆电阻、高剪切强度以及高剥离强度的当前要求。因此，通常使用除激光焊接以外的工艺。包括一种或多种反射金属，例如金、铜、铝、铂和银的工件中的激光焊件通常是不可靠的和薄弱的。包括不同材料的制品中的激光焊件通常在本质上是易碎的和不期望的。对于在光亮和/或不同金属和合金之间没有可靠性问题的焊件存在需要，并且本专利技术的目的是提供此种焊件。本专利技术因此，在本专利技术的一个非限制性实施例中，在第一材料与第二材料之间提供了一种焊件，第一材料是第一金属材料，而第二材料是第二金属材料，该焊件具有0.5mm与7mm之间的宽度，该焊件包括至少一个微焊件，该微焊件形成平行于第一材料的表面限定的焊接图案，并且该微焊件具有20μm与100μm之间的特性特征大小。本专利技术的焊件在电子和电气工程行业中具有重要的应用。使用在1μm波长窗口中发射并且具有约1mJ的脉冲能量的纳秒光纤激光器在反射金属中创建焊件是新出现的和非预期的。此外，焊件可具有比现有技术焊件更大的强度和可靠性。焊件可被用于制品中，诸如举例而言，电池、太阳能电池、半导体封装、以及电子印刷电路板。焊件包括至少一个微焊件。微焊件形成焊接图案。焊接图案可由多个微焊件形成。替换地，焊接图案可由单个微焊件形成。焊接图案可包括螺旋形式的线。替换地或附加地，焊接图案可包括多个剖面线。剖面线可以是网格形式。剖面线可形成矩形网格。剖面线可形成三角形网格。焊接图案较佳地是二维焊接图案。第一材料和第二材料可在焊件中保持实质上不混合。通过“实质上不混合”，意指由单个共混合合金相中组合在一起的第一材料和第二材料形成的金属间化合物含量包括焊件材料的至多20％，并且较佳地至多10％。第一材料与第二材料之间的界面处的金属间化合物含量可足以达成与预定机械特性和欧姆电阻的接头。第一材料与第二材料之间的界面处的金属间化合物含量可足够少以避免诸如由重结晶导致的脆化。焊件可以是基本不同质的。焊件可包括第一金属材料和第二金属材料的有区别区域。第一材料可在1微米的光波长处具有大于90％的反射率。第一材料可具有与第二材料不同的熔化温度。微焊件可包括在第一材料中形成的孔。第一材料可包含在第二材料中。第一和第二材料中的至少一者可流入孔中。第一材料可具有顶表面和底表面。底表面可比顶表面更靠近第二材料。孔可具有顶表面处的宽度和底表面处的宽度，其中顶表面处的宽度宽于底表面处的宽度。孔可以是埋头孔(countersunkhole)，并且微焊件可类似于铆钉。微焊件可包括第二金属材料内的第一金属材料的区域。出乎意料地，焊件提供用于接合光亮和不同金属和合金的更简单方案，从而在由焊件形成的每个接头处产生了一致的和可预测的结果。安排第一和第二材料之一以流入孔中而无需与另一种材料实质上混合有助于防止形成金属间化合物，并且避免与诸如易碎和薄弱焊件之类的金属间化合物相关联的可靠性问题。可用一系列合金，包括不规则金属合金、铸件、烧结合金以及注射成型合金来获得一致性和可预测结果。它们也可用难熔金属，包括铱、钨、钼、铌和钽来获得。难熔金属是化学惰性的，具有比诸如铁、铜和镍之类的金属更高的密度和更高的硬度，并且其特征是熔化温度高于2000℃。焊件增大的表面面积提供更多的接触面积，这进而减小了欧姆电阻。减少欧姆电阻是用于增加电池和太阳能板的效率的重要考量。可连接的部件的示例包括：电连接，诸如电池内铜与铝的连接；柔性电路元件与薄截面母线之间的低轮廓电连接；用于医疗电子设备的金属外壳；电磁干扰和电组件的射频屏蔽；至电连接和电路板的附连导线、灯丝、和线路；消费电子产品(诸如移动电话、膝上型计算机、电视机和其它消费电子设备)中的其它电连接；金属标签和标记；珠宝中的银、铂和金部件；以及医疗设备、传感器和其它电路。不规则金属合金用于三维印刷形式的添加剂制造，其中用激光来烧结金属粉末。第一材料可包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、镍、锡、钛、铱、钨、钼、铌、钽、铼、银、铂、金、和包括以上材料中的至少一者的合金。第二材料可包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种第一材料与第二材料之间的焊件，所述第一材料是第一金属材料，而所述第二材料是第二金属材料，·所述焊件具有0.5mm与7mm之间的宽度，·所述焊件包括至少一个微焊件，·所述微焊件形成平行于所述第一材料的表面限定的焊接图案，以及·所述微焊件具有20μm与400μm之间的特性特征大小。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.09 GB 1502149.6;2015.06.01 GB 1509504.5;201.一种第一材料与第二材料之间的焊件，所述第一材料是第一金属材料，而所述第二材料是第二金属材料，·所述焊件具有0.5mm与7mm之间的宽度，·所述焊件包括至少一个微焊件，·所述微焊件形成平行于所述第一材料的表面限定的焊接图案，以及·所述微焊件具有20μm与400μm之间的特性特征大小。2.如权利要求1所述的焊件，其特征在于，所述焊接图案包括螺旋形式的线。3.如权利要求1或2所述的焊件，其特征在于，所述焊接图案包括网格形式的多条剖面线。4.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述第一材料和所述第二材料在所述焊件中保持实质上不混合。5.如前述权利要求中任一项权利要求所述的焊件，其特征在于，所述焊件实质上不同质。6.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述焊件包括所述第一金属材料和所述第二金属材料的有区别区域。7.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述第一材料在1微米的光学波长处具有大于90％的反射率。8.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述第一材料具有与所述第二材料不同的熔化温度。9.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述微焊件包括在所述第一材料中形成的孔，并且其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一者已经流入所述孔中。10.如权利要求9所述的焊件，其特征在于，所述第一材料具有顶表面和底表面，所述底表面比所述顶表面更靠近所述第二材料，所述孔在所述顶表面具有宽度并且在所述底表面具有宽度，并且其中所述顶表面处的所述宽度宽于所述底表面处的所述宽度。11.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述微焊件包括所述第二材料内的所述第一材料的区。12.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述第一材料包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、镍、锡、钛、铱、钨、钼、铌、钽、铼、银、铂、金、和包括以上材料中的至少一者的合金。13.如前述权利要求中任一权利要求所述的焊件，其特征在于，所述第二材料包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、镍、锡、钛、铱、钨、钼、铌、钽、铼、银、铂、金、和包括以上材料中的至少一者的合金。14.如前述权利要求的任一项权利要求所述的焊件，其特征在于，所述宽度在0.5mm与2.5mm之间。15.如前述权利要求中任一项权利要求所述的焊件，其特征在于，所述特性特征大小在40μm与100μm之间。16.一种包括如前述权利要求中任一项权利要求所述的至少一个焊件的制品。17.如权利要求16所述的制品，其特征在于，所述制品的形式是智能电话、移动电话、膝上型计算机、平板计算机、电视机、消费者电子设备；电池；太阳能电池；集成电子电路组件；印刷电路板；电连接；柔性电路元件与薄截面母线之间的低轮廓电连接；用于医疗电子设备的金属外壳；以及消费者电子设备中的电连接；金属标签和标记；珠宝中的银、铂、和金部件。18.一种用于将第一材料激光焊接至第二材料的方法，所述方法包括：·将包括所述第一材料的第一金属部件放置到包括所述第二材料的第二金属部件上，·提供用于以激光脉冲形式发射激光束的激光器，·提供用于相对于所述第一金属部件的表面扫描所述激光束的扫描仪，·提供用于将所述激光脉冲聚焦到所述表面上的物镜，以及·提供被适配成控制所述扫描仪从而所述扫描仪相对于所述表面移动所述激光束的控制器，其特征在于，·相对于所述表面移动所述激光束，·用导致形成以平行于所述表面限定的焊接图案形式的至少一个微焊件的光斑大小和脉冲通量来聚焦所述激光脉冲；·所述激光束相对于所述金属表面的移动使得所述焊件具有0.5mm与7mm之间的宽度；以及·其中所述微焊件具有20μm与400μm之间的特性特征大小。19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，操作所述激光器以在所述第一金属部件中形成多个熔池，并且在所述第二金属部件中形成多个热桩，其中每个热桩从所述熔池中的一个不同熔池延伸并且具有远端，并且所述方法包括适配所述控...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·A·卡波斯塔尼奥，J·T·加布笛尔，M·P·瓦纳姆，P·M·哈里森，S·R·诺曼，A·P·罗索斯基，T·墨菲，
申请(专利权)人：司浦爱激光技术英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB