不僅限于半導體領域的高質量焊線

當導線需要高電流，而傳統的超聲焊線達到它的極限時，激光焊線，這種最新技術，加上振蕩焊接工藝，有助于此焊線要求。它非常適用于較大的連接體截面，同時保留了傳統焊線的靈活性和自動化的優勢和潛力。

功率器件在面對封裝技術的新挑戰時，不得不具有處理更大電流的能力。在半導體領域，目前最重要的技術莫過于粗鋁絲的焊線。在這里，一條直徑為500微米的鋁絲在超聲焊線技術作用下能直接焊接到半導體器件的表面，然后引線至封裝器件的第二個焊接處使其產生導通。該封裝可以是單體（比如所謂的引線框架）或者也可以是較大的模塊，如在陶瓷襯底上的功率模塊中，頂部具有厚銅層（直接 銅鍵，DCB）。平均20mm長度的粗鋁絲能夠承受35A的熔斷電流。出于目前功率模塊的高電流負載的考慮，利用多條焊絲平行焊接在于各器件表上，以此來增加更高電流負載的需求。

優勢與挑戰

超聲波焊線具有三個主要的優勢：

1）焊接具有優良的可靠性和壽命

2）具有非常高的靈活性因為焊接位置和距離可自定義

3）具有成本效益

但是，有兩個影響超聲焊線技術的因素必須要考慮到：首先是焊接表面需要非常干凈并且能反復焊接。同時，焊線區域需要堅固和穩定。在粗鋁絲的焊接過程中，較強的超聲波能量釋放使得焊接表面較難的被穩定住，在此，越粗的焊絲所需要的焊接壓力和能量也越大。在相關的焊接因素的同時作用下，這對約500μm線徑設定了實際限制。但是較粗的焊絲會對一些敏感的焊接表面形成一定的損壞。

圖1 激光壓焊機分為（左邊）壓焊作業單元和（右邊）標準焊機以及相應的電控單元

盡管如此，利用超聲波焊線技術的高功率器件已經發展了好幾年了。目前不同之處在于已經用2×0.2mm 的鋁帶代替了傳統的鋁線。例如一條鋁帶就能代替3條直徑500微米的鋁線。它最主要運用的領域是汽車電子，尤其是電子汽車行業。

超聲波焊線技術：能較好的應用于電池模塊

超聲波焊線技術另一個應用是在新能源汽車電池模組的封裝上?；谔厥饽＞咴O計，一節節電池被大量的安裝在特制的模具中形成一個很大的電池模組，并通過超聲波焊線技術使單獨的電池串聯起來。目前，該行業主流選用的是代號為18650鋰離子電池同時也是超聲波焊線效果較好的一種電池。在這里，它的優勢在于能連續不斷的將大量的電池通過很簡單的自動化方法有效的整合在一起，這就是為什么特斯拉公司把超聲波焊線作為他們電池模塊生產的主要技術。

即便如此，超聲波焊線正在步入可控電流的極限。消費類電池例如18650通常被設計為負載電流在20安培以下，利用單根焊線將電池和外部電路串聯起來。同樣各個電池也是通過單根焊線實現內部導通，這樣的話它不能夠承受很大的電流負載。此外，更新一代的電池模塊的研發是通過平行的焊接多跟焊線在單個電池和外部電路之間來提升電流負載至45安培。另一種選擇就是我們之前有提到過的鋁帶焊接，但是這項技術不是十分的可行。一方面，鋁帶的成本比較貴，另一方面，鋁帶的焊接工藝對電池模塊的夾緊強度要求更高，以維持更高的超聲能量輸入。

激光焊接技術：是對超聲波焊線的完美補充

激光焊接是焊線技術的另外一種選擇，它對傳統的超聲波焊接有以下幾個技術上的優勢：

不需要對焊接表面有高質量的要求，在焊線過程中不需要非常強的夾緊壓力。甚至，能焊接橫截面非常大的導通材料，以此來滿足高電流負載的需求。最后，它對于焊接材料的低要求能降低更多的材料成本。

但是相比傳統的超聲波焊線技術，它同樣存在一些缺點，尤其體現在較復雜的自動化焊線的情況下。超聲波焊線（鋁線或者鋁帶）是通過一個線軸不斷的送線至焊頭的劈刀上，通過焊頭的精確走位將焊線焊接在定義位置或者定義方向上（也通過圖案識別系統進行公差補償），最后根據客戶自定義來切割焊線的線尾長度。而激光焊接就比較復雜了，一個預制的連接元件必須定位在接觸點上，并保持在那里等待激光焊接的實施。因此，這個連接原件不得不單獨作為一個部分的處理，并且在激光束發射前進行精確的焊接定位。

另外，這個連接元件必須根據焊線的尺寸進行特殊的加工，通常像一個沖壓部件。在自動焊線過程中，接觸位置的高度和偏差變量會產生大量額外的工作。

一個顯著的組合：激光焊線

兩個世界中最好的 - 激光焊接和引線接合 - 是一個明顯的組合，現在已經用新開發的激光焊接機實現。 在由德國聯邦教育和研究部（BMBF）支持的一項名為RoBE（電子汽車焊接中的穩健性）的聯合研究項目中，“LaserBonder”由慕尼黑的F&K Delvotec Bondtechnik，和在亞琛的Fraunhofer ILT 與奧迪（Audi），大陸（Continental）和英飛凌（Infineon）合作開發，建造并引入市場（圖1）。

激光焊線主要有兩部分構成：一部分是F&K Delvotec生產的標準超聲波焊線機，另一部分是具有500W功率和1070納米光波波段發射器。激光束通過連接到檢流計掃描器的光纖被帶入鍵合頭。利用可變焦的光學鏡片將激光束非常清晰的聚集在直徑為35微米的射線上。該光學系統能夠將聚焦的激光束移動到正好在鍵合工具（劈刀）前面的鍵合帶上。焊接所配備的劈刀也進行了相應的改進，能更有效的將焊線焊接到材料表面上。焊頭上的其余部分沒有任何改變，包括焊頭前端的導線器和切刀等。

鋁線和銅線的應用

對于激光焊線來說，鋁帶由于它的矩形橫截面的特點，比鋁線更具有穩定的焊接面。鋁線廣泛的運用在超聲波焊線領域中，比起銅線工藝更簡單。而銅線具有較好的傳導性，但是很難運用在電池模塊的焊接上。目前的超聲波焊接技術還是很大的限制了鋁帶的尺寸，最大尺寸接近于2×0.3mm ( 圖2)。但是大尺寸的鋁帶對于激光焊線來說不是什么挑戰了，但是目前該技術的一些細節部分正在改進中。

圖2 配備激光掃描的壓焊頭

總體來說，激光焊線選用銅帶為焊接材料的話會比鋁帶難焊接。這是因為在1μm波長處，銅具有非常差的，甚至更差的吸收性能。如果選用綠激光的話效果就會好的多，但是價格非常昂貴。作為代替品，Fraunhofer ILT公司改良出一個非常細小的聚焦鏡片。通過這塊鏡片產生了極高密度的能量實際上蒸發了銅，而不是融化了它，銅蒸氣吸收紅外線輻射要好得多。

圖3 深溶焊

激光焊線技術將深熔焊接代替了傳統的熱傳導焊接，通過內部多重反射產生極深和極高的焊接圈（圖3）由于這種行為，它也被稱為鑰匙孔焊接。通過使激光束不僅沿著焊縫直線移動，可以避免由于窄的焊縫而產生的小的連接面積的副作用，而形成不理想的高過渡電阻。相反，檢流計掃描器使光束圓形地振蕩，疊加在線性運動上。其結果是產生一個焊接深度和焊縫寬度都可以很大程度上的獨立控制的焊縫，并且能在一個較差的焊接表面上焊接深較淺但寬的一致焊點。

高電流攜帶能力以及低焊接穿透深度

圖4和圖5展示了焊縫的機械強度和它的幾何寬度可以被前進速度和振蕩幅度所控制。在優化的條件下，它們可以被增加一倍以上，而不增加處理時間和能量輸入。因此，這也是有吸引力的，因為焊接區的冶金性能強烈地依賴于它所暴露的熱負荷。因此，激光焊接允許創建一個幾乎任何大小的連接接口（和相應的高電流承載能力），同時保持低的焊縫穿透深度。這種方法對電池是非常有吸引力的。18650 類型的小電池，正極是一個帽狀沖壓金屬盤，不需使用較大的壓力就能使銅帶可以被焊接在它中間，所以不會使金屬片變形（圖6）。

圖4 焊點的抗震動性 – 振幅特征曲線

第二焊點到電池的負極會更加有利。負極是由250-300微米左右薄的金屬板制成，如果它是通過焊接步驟滲透，由于輸入過多的熱量，其中會有相當大的風險。任何不受控制的熱量輸入都會降低電池壽命。這是一個方面，激光焊接是非常有利的。它甚至可以焊接在電池的卷邊上，緊挨著正極。在電池頂部有兩個連接，使電池的整個剩余部分不需要再連接引線，提供兩個優點：制造簡單，因為無需翻轉電池組件，并且有更多的空間可用于電池的熱管理，再則有助于增加電池壽命。

圖5 表面淺位寬焊點

長期目標：半導體應用

對于其中采用大得多的電流并且具有專用接觸塊的較大的棱柱形電池單元，需要甚至更大的鋁/銅帶。 在由聯邦經濟和能源部（BMWi）資助的聯合研究項目FlexJoin框架內，已經開始了針對寬度為10 毫米和厚度為1毫米的帶材的開發的第一步。有一些進一步的潛在應用已初具規模。激光焊接對表面質量要求比較低使得鋁帶可直接被焊接到壓鑄的鋁外殼上，無需額外表面處理。這是非常完美的對類似于發動機和發電機上的PCB到外殼的接地連接，因為這些無縫管體的壽命是非常之長的。這些目前都是既昂貴而且不容易實現的。

圖6 18650 型圓柱電芯和激光壓焊

激光焊接的長遠方向是放在半導體焊接上。今天，焊接深度和熱輸入能量仍然很高，即使有厚的銅緩沖層，也會造成破壞半導體的高風險。第一次嘗試用新工藝方法看起來非常有前途并且在未來幾年里會有快速的發展。