激光錫焊機(jī)為什么選用半導(dǎo)體激光器

激光焊錫機(jī)為什么選擇半導(dǎo)體激光器

激光二極管的優(yōu)點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕且價(jià)格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，總而言之能量效率高是其較大特色。另外，它的連續(xù)輸出波長(zhǎng)涵蓋了紅外線到可見(jiàn)光范圍，而光脈沖輸出達(dá)50W(帶寬100ns)，用在激光焊錫上半導(dǎo)體激光器是非常理想的選擇。

什么是半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光作為熱源時(shí)，利用的是光纖傳輸，因此可在常規(guī)方式不易施焊部位進(jìn)行加工，靈活性好，聚焦性好，易于實(shí)現(xiàn)多工位裝置的自動(dòng)化等等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是激勵(lì)方式。利用半導(dǎo)體物質(zhì)，即利用電子在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。半導(dǎo)體激光器在基本構(gòu)造上，它屬于半導(dǎo)體的P-N接面，但激光二極管是以金屬包層從兩邊夾住發(fā)光層(有源層)，是“雙異質(zhì)結(jié)接合構(gòu)造”。而且在激光二極管中，將界面作為發(fā)射鏡(諧振腔)使用。在使用材料方面，有鎵(Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)等。此外在多量子阱型中，也使用Ga·Al·As等。

半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)

一、波長(zhǎng)與材料吸收特性匹配

錫焊的核心是通過(guò)激光能量使錫(熔點(diǎn)約 232℃)快速熔化，而半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)(常見(jiàn) 808nm、915nm、980nm 等近紅外波段)能被錫及助焊劑高效吸收。

二、高電光轉(zhuǎn)換效率，降低能耗與散熱壓力

半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 30%-50%(部分高端型號(hào)更高)，遠(yuǎn)高于 CO?激光器(約 10%)、固體激光器(約 15%-20%)。

三、體積小巧，易于集成自動(dòng)化系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光器由半導(dǎo)體芯片直接發(fā)光，無(wú)需復(fù)雜的泵浦源(如固體激光器的閃光燈 / 二極管泵浦)或諧振腔結(jié)構(gòu)，因此體積僅為傳統(tǒng)激光器的 1/10-1/100.重量輕(僅幾十克到數(shù)千克)。

四、參數(shù)可調(diào)性強(qiáng)，適配多樣化焊點(diǎn)需求

錫焊場(chǎng)景中，焊點(diǎn)大小(從 0.1mm 到數(shù)毫米)、錫量(微焊點(diǎn)到較大焊盤)、基材(PCB 板、芯片引腳等)差異極大，需精準(zhǔn)控制激光能量輸出。

半導(dǎo)體激光器的輸出功率(毫瓦級(jí)到百瓦級(jí))、脈沖寬度(納秒到毫秒)、重復(fù)頻率均可快速調(diào)節(jié)(響應(yīng)速度達(dá)納秒級(jí))，能實(shí)現(xiàn)：

五、低成本與長(zhǎng)壽命，符合工業(yè)量產(chǎn)需求

成本優(yōu)勢(shì)：半導(dǎo)體激光器基于成熟的半導(dǎo)體工藝批量生產(chǎn)(類似芯片制造)，規(guī)模化后單價(jià)遠(yuǎn)低于固體激光器(需晶體、泵浦源等昂貴元件)或光纖激光器，降低設(shè)備整體成本，適合消費(fèi)電子等大規(guī)模量產(chǎn)場(chǎng)景。

長(zhǎng)壽命與高可靠性：半導(dǎo)體激光器的工作壽命可達(dá) 1 萬(wàn) - 10 萬(wàn)小時(shí)(遠(yuǎn)超固體激光器的數(shù)千小時(shí))，且抗震性強(qiáng)(無(wú)精密光學(xué)元件易損問(wèn)題)，減少維護(hù)更換頻率，降低工業(yè)生產(chǎn)的停機(jī)損失。

六、熱影響區(qū)(HAZ)小，保護(hù)敏感電子元件

電子錫焊的核心挑戰(zhàn)是避免高溫?fù)p傷周邊元件(如電容、芯片等耐溫性差的器件)。

半導(dǎo)體激光器的能量集中且可控，配合短脈沖模式，可實(shí)現(xiàn) “局部瞬時(shí)加熱”—— 僅熔化錫料，而基材(如 PCB 板、金屬引腳)的熱影響區(qū)(HAZ)極小(通常小于 100μm)，有效保護(hù)敏感元件。

這一特性是傳統(tǒng)熱風(fēng)焊、烙鐵焊難以實(shí)現(xiàn)的，也是激光錫焊在精密電子制造中不可替代的核心原因。

閉環(huán)激光焊錫機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

采用閉環(huán)控制系統(tǒng)是為了監(jiān)測(cè)和控制焊錫的質(zhì)量，先進(jìn)的激光焊錫設(shè)備配備有實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)單元，將焊點(diǎn)的溫度通過(guò)紅外傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)出來(lái)，模數(shù)轉(zhuǎn)換送入控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)溫度的變化情況監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)的形成過(guò)程，或?qū)崟r(shí)改變激光功率控制焊點(diǎn)的形成和質(zhì)量。溫度上升過(guò)快時(shí)，可立即切斷激光輸出，保證不燒毀器件的引線。圖像監(jiān)視器可以觀察激光與引線的為位置情況以及焊接的過(guò)程，可對(duì)焊錫過(guò)程錄像或拍照。激光器的輸出功率由控制計(jì)算機(jī)設(shè)定并可程序控制，保證加熱能量的精確性。

目前，國(guó)內(nèi)大部分激光焊錫模組可以實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，測(cè)溫單元可以在每秒較多檢查 1000次事實(shí)溫度，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)測(cè)溫度的變化來(lái)實(shí)時(shí)改變激光功率，每秒可以較多反應(yīng)200次。但對(duì)應(yīng)高精密、高要求的產(chǎn)品焊錫建議采用測(cè)溫單元采集頻率大于8000次/s、反應(yīng)速度大于5000次/s的前端激光焊錫模組設(shè)備來(lái)確保焊錫的可靠性。

半導(dǎo)體激光器憑借波長(zhǎng)匹配性好、效率高、體積小、參數(shù)可調(diào)、成本低、熱影響區(qū)小等優(yōu)勢(shì)，完美適配了激光錫焊對(duì) “精準(zhǔn)、高效、低損傷、易集成” 的需求，因此成為主流選擇。其性能特性與電子制造業(yè)(如 5G 設(shè)備、新能源汽車電子、半導(dǎo)體封裝)的精密焊接需求高度契合，推動(dòng)了激光錫焊技術(shù)的普及與發(fā)展。