激光焊缝的制作方法
【专利摘要】一种激光焊缝。一种在第一材料(1)和第二材料(2)间的焊缝(3)，第一材料(1)为第一金属材料，且第二材料(2)为第二金属材料，焊缝(3)具有在0.5和0.7mm之间的宽度(4)，焊缝(3)包括至少一个微焊缝(8)，该至少一个微焊缝(8)形成平行于焊缝(3)的表面(6)定义的焊缝图案(5)，且微焊缝(8)具有在20μm和400μm之间的特定特征尺寸(7)。
【专利说明】
激光焊缝
技术领域
[0001]本发明涉及一种激光焊缝。激光焊缝可连接一种或多种反射材料。激光焊缝具有低欧姆电阻、高切变强度和高剥离强度。本发明还涉及一种包括激光焊缝的物品。
【背景技术】
[0002]包括一种或多种反光金属，如金、铜、铝、铂和银，的工件中的激光焊缝通常不可靠和不牢固。包括不同材料物品中的激光焊缝通常在性质上硬脆且不合需。
[0003]需要一种光亮和/或异种金属及合金之间的焊缝，其没有可靠性问题，且本发明的目的就是提供这样一种焊缝。
【发明内容】
[0004]因此，在本发明的一个非限制实施例中，提供第一材料和第二材料间的焊缝，第一材料为第一金属材料，且第二材料为第二金属材料，焊缝具有在0.5和0.7mm之间的宽度，焊缝包括至少一个微焊缝，该至少一个微焊缝形成平行于焊缝表面定义的焊缝图案，且微焊缝具有在20μπι和ΙΟΟμπι之间的特定特征尺寸。
[0005]本发明的焊缝在电子和电气工程行业中具有重要应用。焊缝可用在物品，诸如举例而言电池、太阳能电池、半导体封装和电子电路印刷板中。
[0006]焊缝图案可包括螺旋形式的线。
[0007]焊缝图案可包括多条剖面线。剖面线可以是网格形式的。剖面线可形成矩形网格。剖面线可形成三角形网格。
[0008]第一材料和第二材料在焊缝中可保持基本不混合。“基本不混合”意味着，组合成单一共混合金相的第一材料和第二材料形成的金属间内容物包括最多20%，且优选最多10%的焊缝的材料。第一材料和第二材料之间的界面上的金属间内容物可足以获得具有预定机械性能和欧姆电阻的接头。第一材料和第二材料之间的界面上的金属间内容物可以足够少到避免如再结晶引起的脆化。
[0009]焊缝可基本不均一。焊缝可包括第一金属材料和第二金属材料的分立区。
[0010]第一材料在I微米光学波长下可具有大于90%的的反光率。
[0011]第一材料可具有高于第二材料的融化温度。
[0012]微焊缝可包括形成在第一材料中的孔。第一材料可被包含在第二材料中。第二材料可已流入孔中。第一材料可具有顶面和底面。底面可比顶面距离第二材料更近。孔可在顶面具有一宽度，且在底面具有一宽度，其中在顶面的宽度比在底面的宽度更宽。孔可以是埋头孔，且微焊缝可类似于铆钉。
[0013]意料之外的是，焊缝提供连接光亮和异种金属及合金的简单解决方案，从而在焊缝形成的每一个接头上产生一致且可预测的结果。无需与在不与第一材料基本混合，的情况下第二材料流入孔的设计安排，帮助防止金属间物质的生成，且避免与金属间物质有关相关联的如脆性或薄弱焊缝的可靠性问题产生。微焊缝增长增大的表面积区提供更多的接触区面积，反过来这进而会降低欧姆电阻。降低欧姆电阻是增加电池和太阳能板效率的重要考虑因素。可被连接的部件的例子包括:电池内的电连接，电池内例如铜至铝的连接;柔性电路元件与薄剖面汇流排间的低轮廓(low profile)电连接;用于医疗电子设备的金属外壳;如移动电话、膝上型计算机、电视机以及其他消费者电子设备等消费者电子设备中的电连接;金属标签与标记；以及珠宝中银、铂和金部件。
[0014]第一材料可包括选自由铜、铝、铁、镍、锡、钛、钨、钼、铌、钽和铼、银、铂、金、以及包括至少一种前述材料的合金组成的组的金属。
[0015]第二材料可包括选自由铜、铝、铁、镍、锡、钛、钨、钼、铌、钽和铼、银、铂、金、以及包括至少一种前述材料的合金组成的组的金属。
[0016]用于第一材料和第二材料的其他金属也可以被采用。第一材料和第二材料可以相同或不同。
[0017]宽度可位于0.5mm和2.5mm之间。
[0018]特定特征尺寸可位于40μηι和ΙΟΟμπι之间。
[0019]本发明还提供了一种包括根据本发明的焊缝的物品。物品的例子为为智能手机电话、移动手机电话、手提电脑膝上型计算机、平板电脑计算机、电视机以及、其他消费型者电子设备；电池;太阳能电池;整体电路部件集成电路组件；印刷电路板；电气连接;柔性电路元件与薄剖面汇流排间的低轮廓电连接；用于医疗电子设备的金属外壳;和消费者电子设备的电气连接;金属标签与标记;珠宝中的银、铂和金部件。
【附图说明】
[0020]本发明的实施例现在将通过例子和参考附图分别描述，其中:
[0021]图1示出根据本发明的焊缝；
[0022]图2示出连续螺旋形式的焊缝；
[0023]图3示出矩形剖面线形式的焊缝；
[0024]图4示出矩形剖面线形式的焊缝；
[0025]图5示出三角形剖面线形式的焊缝；
[0026]图6示出用于制造本发明的焊缝的激光系统；
[0027]图7示出被激光在第一材料上切出的孔；
[0028]图8示出已被激光熔融的第二材料；
[0029]图9示出最终焊缝，其中熔融的第二材料已经流入通过激光形成在第一材料中的孔中；
[0030]图10示出没有穿透第一材料的孔；
[0031]图11示出在孔下的熔融的第二材料；
[0032]图12示出最终焊缝，其中熔融的第二材料已经流入通过激光形成在第一材料中的孔中；
[0033]图13示出形成中的焊缝；
[0034]图14示出在第二材料中具有第一材料区域的焊缝；
[0035]图15示出铜和铝之间形成的焊缝的例子；
[0036]图16示出焊缝切变测试结果；以及
[0037]图17示出由黄铜和铜形成的焊缝。
【具体实施方式】
[0038]根据本发明的焊缝现在将分别通过例子和参考图1被描述。图1示出第一材料I和第二材料2之间的焊缝3，第一材料I为第一金属材料，且第二材料2为第二金属材料，焊缝3具有在0.5mm和7mm之间的宽度4，焊缝包括至少一个微焊缝8，该至少一个微焊缝8形成平行于焊缝3的表面6定义的焊缝图案5(被放大显示)，而微焊缝8具有在30μπι和400μπι之间的特定特征尺寸7。
[0039]“平行于焊缝3的表面6”的意思是或者位于表面6之上，或者表面6之下，例如在焊缝熔池下。
[0040]图1显示的焊缝图案5包括螺旋形式的多个微焊缝8。微焊缝8的特定特征尺寸7是微焊缝8的直径。螺旋的臂9被第一间距10分隔。微焊缝8在螺旋的臂9内被第二间距11分隔。第二间隔11可以为5(^111到45(^1]1。优选地，第二间隔11在5(^1]1和20(^1]1之间。螺旋可以是圆形，或者可以被拉长，诸如赛道形式。其他图案也可以被使用。
[0041]焊缝3可以是图2示出的焊缝图案20的形式，焊缝图案20包括螺旋形式的单一微焊缝21。微焊缝21的特定特征尺寸为微焊缝8的宽度。螺旋的臂9被第一间距10分隔。
[0042]焊缝图案5可包括如图3和4中显示的多个剖面线31，每一条剖面线包括至少一个微焊缝8。微焊缝8的特定特征尺寸7为微焊缝8的宽度。剖面线31为矩形网格的形式，个体剖面线31被第一间距10或第三间距32分隔。剖面线31也可以形成为如参考图5所示的三角网格。
[0043]图1到5中的第一间距10可在20μηι到2000μηι范围内。第一间距10可在50μηι到500μηι范围内。优选地，第一间距10在50μηι到250μηι范围内。更优选地，第一间距10在50μηι到125μηι
范围内。
[0044]图3到5中的第三间距32可在20μπι到2000μπι范围内。第三间距32可在50μπι到500μπι范围内。优选地，第三间距32在50μπι到250μπι范围内。更优选地，第三间距32在50μπι到125μπι
范围内。
[0045]焊缝3可以使用图6所示的设备制作。该设备包括激光器61，该激光器通过光束传导线缆60被親合到激光扫描器67。激光束62由物镜86聚焦到表面6上。
[0046]激光器61可以是光纤激光器、棒状固体激光器、片状固体激光器或气体激光器，如二氧化碳激光器。激光器61可以是飞秒纳秒激光器。激光器61优选的可以是稀土掺杂飞秒纳秒脉冲纤维光纤激光器，如掺镱光纤激光器、掺饵(或掺镱饵)光纤激光器、掺钬光纤激光器或掺镑光纤激光器。这些激光器分别发射lym、l.5μηι、2μηι和2μηι波长窗口内的激光分别为Ιμπι、1.5μηι、2μηι和2μηι波长窗口。一个微秒纳秒脉冲激光器，意味着的意思是该激光器以发射具有Ins-到100ns范围内的脉冲宽度发射的脉冲。这些激光器也可以能够发射短更短的脉冲、长更长的脉冲，并且也可以能够发射连续波辐射。这些激光器区别于现有技术的传统上用于制造焊缝的微秒激光器，这些激光器常用于制造焊缝。微秒激光器通常通过发射单脉冲形成焊缝，且与本发明的焊缝3相比，由微秒激光器形成的焊缝具有与本发明的焊缝3极为不同的视觉外形。惊喜意料之外的是，本发明的焊缝3可用在反光金属中形成，并且即使在使用不相似的高反光率金属时，通过含更少能量的更短的脉冲，焊缝3却极其坚固。可以相信，这是因为个体微焊缝8中第一材料I或第二材料2的至少一种在各脉冲之间极快地冷却，且因此没有足够时间形成金属间物质。
[0047]如图7到9中所示，第一材料I和第二材料2可基本不在微焊缝8处混合。图7示出已用激光器61形成的孔71。图8显示已经被激光熔融的熔融第二材料81。图8显示在熔融第二材料81流入孔71并再次凝固后形成的微焊缝8。这种流动由于毛细作用或Marangoni效应而发生，其是由于表面张力梯度沿两个流体之间的界面的质量迀移。在取决于温度的情况下，这种现象可被称为热-毛细对流(或Bgnard-Marangoni对流)。
[0048]参考图7到9示出的焊缝3具有顶面72和底面73。孔71在顶面72上具有宽度74，其比底面73处的宽度75更宽。重要的是，这种安排能增加微焊缝8的剥离强度。孔71为埋头孔且微焊缝8类似铆钉。宽度74可小于200μηι。宽度74可小于50μηι。宽度74可小于20μηι。
[0049]孔71在初次形成时可以不穿透第一材料I。这参考图10示出。可通过确保脉冲中的能量不足以提高第一材料的蒸汽压压强的水平到孔71能够穿透到第一材料I的底面73的水平，而形成这样的孔71。这可通过选择激光器61完成，以使得该激光器能够传递低激光更低能量的脉冲，如具有更低峰值功率，或小于20ns的脉冲宽度的脉冲，来实现。可使用扫描器67在第一材料I上扫描激光束2，以获得特定预定形状的孔71。对于高反光率材料(例如在1μm波长处反光率大于约60%的反光率)，可以优先有利地使用皮秒激光器(发射脉冲的具有脉冲宽度在IPS-和100ps之间的脉冲宽度的激光器)。图11示出已经被激光器61熔融的熔融第二材料81。激光器可以被脉冲化，从而以使得孔71可以穿透至第二材料73，从而允许第二材料2的至少一部分流入孔71，如参考图12所示。第一材料I的至少一部分可被注入到第二材料2中，如图12中的所得到的微焊缝8的区121所示。至少一个空隙122也可出现在第二材料2中。空隙122可帮助第二材料2藉由蒸汽压流动穿过孔71。
[0050]图13和14示出用激光器形成的微焊缝8，该激光器具有足够的峰值功率来克服第一材料的反光，和足够的能量使得第一材料I的快速加热产生的蒸汽压引起第一材料I的至少一部分被注射入孔71或从孔71中射出。这通过注入形成在第二材料2上的匙孔133的材料131，以及从孔71中射出的材料132示出。材料131和132可以是气态、液态、固态或至少两种前述材料形态。熔融第二材料81随后可流入孔71，如参考图14所示。第一材料I的区121和空隙122可出现在微焊缝8中。
[0051]参考图1到5所示的微焊缝可以为参考图9、12至14所示的微焊缝中的一个或多个。
[0052]微焊缝8可以是基本不均匀的。与现有技术的焊缝不同，微焊缝8基本不混合。“基本不混合”的意思是在单一共混合金相中结合的第一材料I和第二材料2形成的金属间内容物包括最多20 %，且优选最多1 %的微焊缝8的材料。第一材料I和第二材料2间界面处的金属间内容物可足够多到实现具有预定机械属性和欧姆电阻的接头。第一材料I和第二材料2间界面处的金属间内容物的量足够少到避免如再结晶引起的脆化。有利地，这避免了脆性或薄弱焊缝问题，这些问题由异种金属间形成焊缝时可产生的金属间物质引起。结果是能够连接光亮和异种金属与合金的焊缝3，从而在每个焊缝上带来均一且可预测的结果。在不与第一材料I基本混合的情况下第二材料2流入孔71的安排帮助防止金属间物质的生成，且避免与金属间物质相关联的如脆性或薄弱焊缝的可靠性问题产生。微焊缝8增大的表面积提供更多的接触面积，这进而减小欧姆电阻。减小欧姆电阻是增加电池和太阳能板效率的重要考虑因素。
[0053]第一材料I可具有比第二材料2更高的熔融温度。这使得第一材料I能够先于第二材料2再凝固，并且使第二材料2能够流动，而不引起与第一材料I的基本混合。为优化微焊缝8的性能，激光器61的参数，如脉冲宽度、脉冲重复频率、脉冲能量和峰值功率可被调整。第一材料I可具有比第二材料2的熔融温度高至少50%的熔融温度。
[0054]第一材料I在I微米光学波长可具有大于90%的反光率。
[0055]参考图1到5和图7到14，第一材料I可包括选自由铜、铝、铁、镍、锡、钛、钨、钼、铌、钽和铼、银、铂、金、以及包括至少一种前述材料的合金组成的组的金属。第二材料2可包括选自由铜、铝、铁、镍、锡、钛、钨、钼、铌、能钽和铼、银、铂、金、以及包括至少一种前述材料的合金组成的组的金属。也可采用其他用于第一材料I和第二材料2的金属。第一材料I和第二材料2可以相同或不同。
[0056]意料之外的是，光亮和异种金属与合金间的焊缝3具有一致且可预测的质量。在不与第一材料I基本混合的情况下第二材料2流入孔71的安排帮助防止金属间物质的生成，且避免与金属间物质相关联的如脆性或薄弱焊缝的可靠性问题产生。焊缝3增大的表面积提供更多的接触面积，者进而减小欧姆电阻。减小欧姆电阻是增加电池和太阳能板效率的重要考虑因素。
[0057]本发明还提供了一种包括至少一个根据本发明焊缝3的物品。物品的例子是智能电话、移动电话、膝上型计算机、平板计算机、电视机以及其他消费者电子设备；电池;太阳能电池;整体电路组件;印刷电路板;电池内的电气连接，例如铜至铝的连接;柔性电路元件与薄剖面汇流排间的低轮廓面电连接；用于医疗电子设备的金属外壳;和消费者电子设备的电连接;金属标签与标记;珠宝中银、铂和金部件。
[0058]下面提供一个例子，其中激光器为纳秒掺镱光纤激光器，型号为SPIG470EP-Z，由英格兰南安普顿SPI激光器英国有限公司制造。激光器61是主振荡器功率放大器，其对激光参数具有极好的控制，所述激光参数包括峰值功率、平均功率、脉冲形状、脉冲能量、脉冲宽度和脉冲重复频率。扫描器67为德国慕尼黑Raylase制造的振镜扫描器型Super Scan II，其具有1mm的光束光圈(未显示)。它可用控制器(未显示)控制，控制器如为具有Windows 8操作系统的台式计算机，其上德国慕尼黑SCAPS GmbH授权SCAPS扫描器应用软件。这可用来编程、操作和存储用于操纵激光束62的代码。透镜68是163mm焦距的平场聚焦透镜。
[0059]上述设备可用来形成并传导激光束62至第一材料I的顶面72之上，焦点具有40μπι的1/e2直径和1.256 X 10—5cm2的面积。
[0060]例I
[0061 ] 图15显示艺术处理的焊缝150的横截面，焊缝150形成于厚度151为ΙΟΟμπι的铜和厚度152为400μπι的铝之间。焊缝150为螺旋型，如图2所示，螺旋臂之间的第一间隔10为50μπι，直径4为1mm。孔71的宽度74约为5μπι至20μπι。焊缝使用来自激光器61的多脉冲形成，脉冲以95 % -98 %的面积相互重叠在第一材料I上。激光器61切开第一材料I铜，第二材料2 (铝)流入孔71。至少一部分第一材料I被注入第二材料2内，如包括第一材料I的区121所见。区121延伸大约300μπι-400μπι至第二材料2内。空隙122也出现。如虚线所示的类三角形的热影响区155，出现在孔71之下。出于清楚考虑仅显示一个热影响区155。热影响区155就像一个热熔柱，将热塑性部件焊接到一起时经常可见。
[0062]焊缝具有良好的切变强度，通过切变测试可见。图16表示如图15所示的焊缝3切变时的三种缺陷类型。第一材料I在焊缝3外断裂，而没有穿过焊缝3，因此证明焊缝3的强度高于周围材料。这是一种不希望的结果，表明不形成典型硬脆金属间化合物而使第二材料2流入孔3的重要性。
[0063]焊缝150具有令人惊奇的高切变强度和优异的欧姆电阻。这使得焊接工艺适合铜带连接铝板，如图15所示，其中焊缝3提供铝和铜之间的电接触。
[0064]另外的剥离强度通过提高如图12所示的孔71的埋头孔获得。
[0065]例2
[0066]图17显示艺术处理的第一材料I铜和第二材料2黄铜之间形成的焊缝170横截面。焊缝170也可形成为如图13所示焊缝的类螺旋型。令人惊奇的，黄铜已经流入铜材料中，已形成具有非常少量金属间化合物混合的焊缝170。焊缝170基本不均一。(漏句)铜和黄铜产生流动，但没有混合到一起形成新的均匀材料相。铜和黄铜的材料相大部分未混合，铜和黄铜都为原始材料相。尤其惊奇的是，黄铜是铜和锌的合金。在第二材料2内具有一些第一材料I。这些也是空隙122。焊缝170形成的最终接头具有良好的切变强度。
[0067]可以理解，参考附图和例子上述本发明的实施例仅通过例子给出，修改可以达到目的。图中所示的各部件和例子中所示的各个数值可用在其他附图和其他例子以及本发明的所有方面。
【主权项】
1.一种在第一材料和第二材料间的焊缝，所述第一材料为第一金属材料，且所述第二材料为第二金属材料， ?所述焊缝具有在0.5和0.7_之间的宽度， ?所述焊缝包括至少一个微焊缝， ?所述至少一个微焊缝形成平行于所述焊缝的表面定义的焊缝图案，以及 ?所述微焊缝具有在20μηι和400μηι之间的特定特征尺寸。2.根据权利要求1所述的焊缝，其中所述焊缝图案包括螺旋形式的线。3.根据权利要求1所述的焊缝，其中所述焊缝图案包括网格形式的多个剖面线。4.根据权利要求1所述的焊缝，其中所述第一材料和所述第二材料在所述焊缝中保持基本不混合。5.根据权利要求1或权利要求4所述的焊缝，其中所述焊缝基本不均一。6.根据权利要求1或权利要求4所述的焊缝，其中所述焊缝包括所述第一金属材料和所述第二金属材料的不连续区。7.根据权利要求1或权利要求4所述的焊缝，其中所述第一材料在I微米光学波长下具有尚于90%的反光率。8.根据权利要求1或权利要求4所述的焊缝，其中所述第一材料具有高于所述第二材料的熔融温度。9.根据权利要求1或权利要求4所述的焊缝，其中所述微焊缝或每个微焊缝包括形成在所述第一材料中的孔，且所述第一材料包含在所述第二材料中，且其中所述第二材料已流入所述孔中。10.根据权利要求9所述的焊缝，其中所述第一材料具有顶面和底面，所述底面比所述顶面更靠近所述第二材料，所述孔在所述顶面具有一宽度且在所述底面具有一宽度，其中在所述顶面的宽度比在所述底面的宽度更宽。11.根据权利要求1或权利要求4所述的焊缝，其中所述第一材料包括选自由铜、铝、铁、镍、锡、钛、钨、钼、铌、钽和铼、银、铂、金、以及包括至少一种前述材料的合金组成的组的金属O12.根据权利要求4所述的焊缝，其中所述第二材料包括选自由铜、铝、铁、镍、锡、钛、钨、钼、铌、能钽和铼、银、铂、金、以及包括至少一种前述材料的合金组成的组的金属。13.根据权利要求1所述的焊缝，其中所述宽度在0.5mm和2.5mm之间。14.根据权利要求1所述的焊缝，其中所述特定特征尺寸在40μηι和ΙΟΟμπι之间。15.包括根据权利要求1或权利要求14所述至少一种焊缝的物品。16.根据权利要求15所述的物品，且所述物品的形式为智能电话、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;集成电路组件；印刷电路板;电气连接;柔性电路元件与薄剖面汇流排间的低轮廓电连接;用于医疗电子设备的金属外壳；以及消费者电子设备的电连接;金属标签与标记;珠宝中的银、铂和金部件。
【文档编号】B23K33/00GK105855706SQ201610210928
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月6日
【发明人】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
【申请人】司浦爱激光技术英国有限公司