IPC-A-610“电子组件的可接受性”是大多数公司采用的标准。作为最终产品验收标准的来源，它在国际上享有盛誉。
它不仅得到 ISO-9000 和 IEC 等标准机构的支持，还得到许多专注于质量保证的公司的支持。

A-610 标准概述

该标准是电子组件视觉质量公差的汇编。本文件介绍了电气和电子组件制造的允许条件。以前的电子组装标准包括更全面的指导，重点关注原理和技术。建议将本文件与 IPC-HDBK-001、IPC-HDBK-610 和IPC J-STD-001结合使用，以全面理解本文件的建议和要求。

当前最新版本：H版本，即IPC-A-610H。英文版本于2020年12月发布，中文版本与2021年3月发布。

验收标准

该标准用来规范电子组件最终产品的可接受条件以及明确其缺陷条件，并通过彩色图片和插图描述了电子组件业界公认的验收要求，基板和电子组件的各种属性的图解文档，显示了超出最终产品性能标准规定的最低可接受属性的所需状态。它还反映了各种失控（过程改进、失败）的情况，以便现场过程管理者确定是否需要采取适当的行动。是质保、采购、组装、工艺等部门必备的宝典。

本标准包括对该文档的一般更新，引入了几种新的表面贴装组件类型，并删除了目标条件。另外 来自29个国家/地区的参与者提供了他们的投入和专业知识，以将本文档引入电子行业。对于检查员，操作员和对电子装配的验收标准感兴趣的其他人员，这份标准是必不可少的。 IPC-A-610与J-STD-001和IPC / WHMA-A-620协同开发。

本标准已被翻译成近30种语言在全球70多个国家采用。

3 类可接受条件示例

钩焊料	焊杯	焊料润湿	圆角厚度
大于线径 30% 的缠绕焊料凹坑是可以接受的。〇还是×？	杯中的焊料填充系数必须超过 70%。〇还是×？	焊料润湿的最小允许范围下列哪一项？ 180°、240°、270°、300°、330°	跟部圆角高度 (F) 等于焊料厚度 (G) 加上引线厚度 (T) 的 50%。
×：超过线径的25%时为不良品。	×：即使是1级，如果填充率低于75％，则为不良品。100%目标	270°：目标为 360°	×：必须是F=G+T。对于2级，F = (G+T)/2是允许范围

IPC J-STD-001 的要求作为电子组装制造的独特行业标准而备受关注。该标准规定了实现高质量焊接的材料和方法，及其验证和质量标准。在制定这一重要标准时，IPC 收到了来自世界各地27个国家的公司的数百条要求。因此，J-STD-001 已被全球许多公司采用作为提高员工焊接技能的工具

美国国家航空航天局（NASA）也改变了自己的标准，宣布应用J-STD-001作为NASA批准的焊接标准。

IPC-J-STD-001 标准概述

IPC-J-STD-001H以其焊接工艺和材料的标准而享誉全球。该标准规定了电子组件制造的焊接实践和质量要求。传统上，电子组装（尤其是焊接）标准包括更全面的教程，重点关注原理和技术。 为行业带来了最新标准，包括有关使用X射线检查通孔焊料状况的指南。为了充分理解本文件的建议和要求，可以结合IPC-HDBK-001、 IPC-A-610获得更深入的知识。它们被同步开发，能更好的服务于电子组件的工艺和质量管控。

当前最新版本：IPC-J-STD-001H，英文版本于2020年12月发布，中文版本于2021年5月发布。

验收标准

该标准描述了制造焊接电气和电子组件的材料、方法和验收质量标准。本文件的目的是确保过程控制方法能够确保产品制造过程中质量水平的一致性。

J-STD-001H（修订内容）

001H的重要变化

在IPC J-STD-001H中，对焊接工艺的清洁度（评估离子残留物的测试方法）进行了重要修订，这一点在过去25年或更长时间里没有改变。多年来，军事应用标准（MIL-STD-2000、J-STD-001等）已包括ROSE测试（通过溶剂萃取剂的电阻率检测和测量离子表面污染：M 2.3.28 T ）。 ）满足氯化钠当量1.56μg/cm2的离子洁净度要求。然而，20 世纪 70 年代制定的统一 ROSE 测试值 1.56 µg/NaCl 不再被视为可接受性的客观证据，并被结论为“过时”。因此，对于高可靠性制造工艺，建议使用此修订版的清洁度要求。

离子清洁度要求的国际审查

J-STD-001H 随附一份白皮书“IPC-WP-019A：离子清洁度要求国际审查概述”，报告了变更的背景。关于 ROSE 测试的最大误解是，如果测试通过的数字为 1.56 或更低，则组件是“干净的”或“可接受的”，如果测试结果为 1.56 或更大，则该测试通常被称为“清洁度测试”是在组件“脏”或“不合格”的自然假设下进行的。目前的情况是，正确判断的案例并不多。

3 类可接受条件示例

L型带状引线		高调组件
最小焊角高度 (F) 在焊料焊角厚度 (G) + 25% 引线高度 (H) 范围内。〇还是×？	最小尖端结宽度 (C) 为引线宽度 (W) 的 50%。〇还是×？	最小端接宽度 (C) 应为端接宽度 (W) 的 75%。〇还是×？	允许的最大侧面突出 (A) 最多为端接宽度 (W) 的 25%。〇还是×？
〇：(G)+25%(H)以内或(G)+0.5mm以内	×：(W)的75%或(P)的75%，以较小者为准	×：C=W	×：不允许

焊接的结合过程是通过助焊剂“去除氧化膜”后，通过基材与焊料之间的“润湿”、“溶解”、“扩散”等界面现象来实现的。

熔融焊锡在氧化膜被除去的金属表面扩散，母材的金属成分溶解到焊锡成分中（溶解）。
在金属成分溶解的过程中，焊料材料和母材的原子相互运动（扩散）而形成金属间化合物。

通过这种溶解和扩散可以实现焊料金属与金属的接合，但同时需要小心，因为金属反应现象会降低焊料质量。

如果安装在适当的温度范围之外，金属间化合物会膨胀，结合强度会降低。

金属间化合物状态 30000次（适当加热）	5000倍金属间化合物生长过多而变成针状的状态 （过热）

• 锡是焊料的主要成分，与其他金属接触时具有很强的熔化能力。

无铅焊料含有大量的锡，当焊料浴熔化或将印刷电路板浸入水中时，基体金属的金和铜被侵蚀并流入焊料中，因此杂质的百分比往往会增加。

烙铁焊锡的特点

1. 兼具强度和可靠性的最高品质焊接
2. 100%全新焊料
3. 热损伤少，可用于易受热影响的电子部件
4. 设备体积小、价格便宜、易于引进

粘合强度和可靠性。可以进行最高质量焊接的烙铁

烙铁的最大优点在于它可以进行“最高质量的焊接”。焊接有两个品质：“接合强度”和“可靠性”。
烙铁始终是全新且纯净的。在流动法等中，基材的金属物质熔化到焊料浴中，引起成分变化。
杂质的流入被认为是降低焊接接头强度的主要因素。

瞬时热传递最大限度地减少对电子元件的损坏

使用烙铁焊接期间，部件会短时间（通常少于 2 秒）受热。由于它不会向电子元件传递大量热量，因此可以在不降低元件性能的情况下进行安装。
与对整个表面加热的回流焊方法相比，接触点为1mm-5mm。传递的热量要小得多，不受热量的影响。

以传统为后盾的可靠的烙铁焊接技术

可以毫不夸张地说，烙铁焊是现有焊接技术中历史最悠久、强度和可靠性最成熟的技术。
然而，在技术不断发展的现代焊接中，有许多工件难以用烙铁处理。
为了应对这些问题，除了引进新技术之外，充分理解焊接理论并利用新技术的特点也很重要。

一、焊接原理

1.焊接过程

激光送锡线焊锡是一种用红外光源代替传统烙铁加热，用自动送丝代替人工送丝的新型焊锡

自动焊接系统，该系统主要包括预热、送丝、焊接、退丝和冷却五个环节。

预热-红外激光通过光学系统聚焦在焊接位置，加热焊盘和端子，为熔锡提供足够的热量

送锡-通过自动送锡装置准确地将锡线输送到焊接位置

焊接-通过激光加热熔化锡线，并与焊盘和端子融合

回锡-拉回锡线，使其与焊点分离

冷却-焊接完成后，关闭激光器

2.焊接优势

◆无应力非接触焊接

◆无静电威胁

◆焊接速度快

◆不受空间限制，可焊接狭窄区域和微型部件

◆不损坏焊头，耗材少

◆可实现自动可视化编程，易于实现自动化

二、系统组成

1.激光源

在激光送丝焊接过程中，一般采用半导体光源作为焊接光源。与其他激光光源相比，半导体光源

体光源有以下优点。

◆能量转换效率高

◆使用寿命长达10万小时

◆较低的功率密度使加热更加均匀

◆可选择808nm、915nm、941nm,980nm，可根据不同材料的吸收特性选择不同的波长

◆体积小，易于与自动化设备集成

2.自动送锡系统

焊丝(锡丝)通过自动送锡系统精确输送到焊接位置，精密电机可确保已焊接送丝稳定。

防止炸溅和锡球的措施—破锡送锡装置。在送锡线时，松香芯锡线会被切开，以防止锡飞溅。松香芯锡线会被切开，以防止锡飞溅。

3.红外温度监控

通过红外温度传感器，可以实时监测焊点温度，确保焊接过程处于可控温度

在的情况下，防止焊盘和部件因高温而损坏。

三，应用领域

激光送丝焊料可广泛应用于电子、汽车行业，尤其是易受干扰的焊头和焊接设备

它在传统烙铁焊接无法解决的领域，如温度敏感性、自动化要求高等方面具有更明显的优势。同时，激光

送丝焊锡可以代替传统的手工焊接，实现自动化生产。

激光送丝焊料适用于PCB板、FPCB板、连接端子等焊点较大的产品；同时，由于激光

能量可控性好，可焊接传统高散热材料。

四.应用案例

标准焊接系统

焊接产品:印刷电路板

功能:

◆同轴CCD和温度监测

◆集成送丝和焊接控制

电子设备小型化的趋势以及电信设备行业中使用的昂贵且对温度敏感的组件的使用导致了一种新的高度可控的选择性激光焊接技术。其次，现代高密度电子和光电元件通常包括热敏元件和复杂的三维(3-D)电路几何形状，这是传统波峰焊或回流焊技术无法焊接的。激光特别用于焊接温度敏感元件和电路板，也可用于连接传统回流工艺无法焊接的高热容量元件。 

1.1 激光焊接 

激光焊接是一种技术，其中精确聚焦的激光束可以控制焊料合金的加热，从而实现快速无损的电连接。在这个过程中，受控的激光束被用来将能量传递到焊接位置，在那里吸收的能量加热焊料，直到焊料达到其熔化温度，导致接触焊接，这完全消除了任何机械接触。激光焊接使用焊料，焊料以液态润湿待连接的材料，并在固化时提供机械和电气稳定的连接。加热区域的形状和位置容易控制，可以实现可靠的焊点，元件的加热最少，非常适合高密度封装。与对流红外回流焊接相比，激光焊接工艺更有利于使用具有宽范围熔化温度的焊料的互连，因为在这种类型的焊接工艺中，只有焊点区域被加热，而不会损坏电子元件或电路板。熔化焊料的能量由激光束提供。激光技术的使用提供了精确的加热，从而防止热应力，同时允许在高温下焊接这些敏感元件。聚焦光学器件可用于焊接空间小、间距小的部件，电动光学器件的可用性优化了每个接头的聚焦。激光焊接已经生产出电子元件和电路板的电子元件。 

1.2 激光焊接系统 

激光焊接系统包括激光发生器、光纤模块、聚焦光学器件、带摄像头的计算机视觉模块、照明器和运动模块，以及带伺服控制系统的XY定位台，如图1所示。

激光束由激光二极管产生并被调制。在光学系统中，由于激光束由柔性光缆引导，因此激光束可以精确地聚焦在焊点上。焊点所需的温度是通过吸收热辐射产生的。能量的应用可以精确控制。该步骤适用于锡膏回流焊接和焊丝焊接。激光输出由光纤模块传输，光纤模块包括安装在可调底座上的输入耦合光学装置、带连接器的铠装护套光纤电缆和用于将光束准直和聚焦到目标区域的输出耦合光学装置。由于激光提供的精度和可控性，这些设备通常与自动精确XY定位台一起使用。设备由伺服操作的XY工作台放置在焊接位置。XY工作台用于在固定激光束下精确定位和移动工件，这实际上提供了精确的非接触焊接。计算机中的外围组件互连总线卡控制XY平台。在焊接过程中，给定表面贴装器件(SMD)上激光点的移动由计算机控制的定位镜(称为检流计)负责，用于控制激光路径。这些检流计针对每种元件类型进行编程，路径存储在计算机接口中。所需的焊接材料可以通过送丝系统提供，也可以通过焊膏施加。激光焊接系统的高度自动化导致了非常重复的过程。为了提高工艺稳定性，需要闭环控制焊点的温度，这可以通过使用高温计来实现。高温计在温度敏感环境下小型化部件焊接过程的质量控制中起着可靠的作用。在最佳控制过程中，高温计每10毫秒连续监测一次表面温度，这确保了该过程的可重复性和可靠性[16]。高温计集成在加工头中，并对准激光束的光路。可以集成一个电荷耦合器件摄像机，使用允许同轴实时观察激光点的附件直接观察激光点。当发出的热波温度偏离(高或低)时，反馈控制电路将在不到几秒钟的时间内帮助调整激光输出。与其他传统焊接技术相比，激光焊接具有许多优点。它们包括        非接触、局部受限的能源应用         良好的能量输入在时间和空间上受到控制，         低热应力          由于接头形成迅速，可以减少金属间化合物的形成，从而形成高质量的接头。          它的维护成本也很低           非常灵活，易于适应           它具有精细的晶粒尺寸(由于快速冷却)，因此具有更好的疲劳性能。激光焊接的局限性在于其极端的非平衡特性。对于给定的激光焊接任务，每个接头都有自己的热质量和反射率，因此需要精确定义的激光脉冲。任何微小的偏差(例如，弯曲的引线或焊膏量的微小变化)都可能导致接头打开或损坏[18]。激光焊接的其他限制包括:大面积焊接能力有限、激光相对价格高以及为满足安全要求而增加的成本。 

1.3 工艺参数 

诸如激光功率、工艺时间和激光束几何形状等工艺参数可以容易地编程，以获得一致的焊接结果。根据，一些可能影响焊点形成的变量(如焊盘的几何形状或凸度的大小)会干扰激光焊接过程。重要的是冠部尺寸和通孔之间的比例。如果该比率不是最佳的-如果孔的直径相对于引脚太大或太小，元件侧的锡回流可能会导致问题。如果引脚太长或太短，引脚和焊盘之间可能存在粘合不良的问题。除了印刷电路和元件的物理和几何变量之外，还必须考虑在此过程中应用的焊接参数。分配给每个接头的温度曲线控制允许优化这些焊接参数，特别是当焊盘连接到接地层、电路具有多层结构或待焊接的零件具有大的热质量时[3]。

 高温计用作温度测量工具，在整个过程中每隔10ms连续监测待焊接接头的表面温度，以实现最佳的过程控制[16]。此外，高温计的使用可以加快焊接程序的生成。 

1.4 激光焊接工艺的类型 

有三种不同的激光钎焊工艺:单点焊接和带掩膜的同时焊接单点焊:这种焊接方法特别适用于多维配置、紧密封装和热敏元件或基板。在这个过程中，激光点焊可以快速准确地焊接单个触点，从而提供高灵活性、高质量和可重复性。由软件控制的点激光束移动到每个编程点。这里，焊点用单独匹配的光束直径和激光功率分布加热。同时焊接:这个概念允许快速焊接单个部件或完整的连接阵列。多个接触点同时被辐射和焊接，并且不需要激光束和工件之间的相对运动。这里使用线性激光束。它可以缩短周期时间，提高产量。掩模焊接:掩模焊接适用于焊接非常敏感的基底或精细的触点和结构。在这个过程中，掩模被放置在大部分线性准直激光束和目标之间。面罩覆盖了所有不应暴露在激光辐射下的部分。激光束仅穿过掩模上的开口，只有待焊接的触点位于下方，以确保局部有限的加热。接触点之间的区域受到保护，基板不会被损坏。又快又准。  

2.焊接中使用的激光类型 

已经发现三种主要类型的激光器适用于焊接过程。它们是二氧化碳激光器(气体激光器)、Nd:YAG激光器(固体激光器)和半导体激光器(二极管激光器)。

2.1 二氧化碳激光器 

二氧化碳激光器是一种在远红外区[波长21-23]波长为10.6μm的气体激光器。它从金属表面反射，但被焊剂强烈吸收，然后加热的焊剂将热量传递给焊点和接头中的金属。二氧化碳激光器中的活性介质是二氧化碳、氮气和氦气的混合物。二氧化碳气体是激光气体，而氮气分子有助于激发CO 2分子，提高发光过程的效率。氦在辅助从受激氮分子到co 2分子的热传递中起着双重作用，并且还通过获得co 2来帮助维持粒子数反转。分子从较低的激光水平下降到地面水平。二氧化碳激光器的效率高达20%，通过将气体泵送通过热交换器来冷却。 

2.1.1 泵源 

活性介质需要外部泵浦源来产生激光。活性介质包含二氧化碳、氮气和氦气。泵浦的选择取决于激光介质的类型，由于活性介质处于气体状态，通过气体放电实现最佳激发。通过激光气体的放电激发co 2激光器。加速电子的能量通过碰撞转移到氮分子，然后转移到co 2分子。因此，co 2分子被激发到激发态 

2.1.2 共鸣器 

谐振腔的设计对发射激光束的质量和空间功率分布有非常重要的影响。二氧化碳激光器通常有全反射镜和部分反射输出镜。腔镜通常由金属制成，其输出通过镜中的孔耦合，而不是通过部分透射涂层[24]。它们由腔光学制成，可以在9至11μm范围内反射，以便从co 2激光腔中提取尽可能多的能量。

 2.1.3 CO2激光焊接的缺点 

它阻止了二氧化碳激光作为激光源用于焊接应用[技术和经济原因 1.10.6µm处的能量会被金属强烈反射，但用于制造助焊剂的有机材料、印刷电路板和用于焊接应用的其他材料以及焊接合金(如锡和铅)的吸收率将超过90%。在相同波长下，反射率约为74%。结果，由于主要的或扩散的散射激光辐射，烧毁电路板的风险很高。2.由于其电效率低(将输入电能转换成有用的激光能量)，运行成本高。3.CO 2激光器依赖于恒定的气体供应，因此必须保持4.激光源的尺寸很大，co 2激光器产生的光无法通过光纤传输。 

2.2 Nd:YAG激光 

这是固态激光器。它使用掺钕钇铝石榴石作为激光材料。钕是一种杂质，它取代了一些大小大致相同的钇原子。其发射波长为1.06µm，位于近红外区。钕是一种优秀的激光材料，因为它可以产生比任何其他掺杂元素都高的功率水平。钕钇铝石榴石棒的小尺寸和钕原子的光学特性将典型棒中可以存储的能量限制在大约半焦耳。焊接一般使用10-20瓦的束流能量。焊料很好地吸收了1m的热辐射，这意味着Nd: YAG发射的光具有很高的加热效率。 

2.2.1 泵源 

Nd: YAG是一种固体晶体的固态激光器，它利用光能作为泵浦光源。钕钇铝石榴石的热特性和光学特性使得用弧光灯或一系列闪光灯脉冲连续泵浦成为可能。闪光灯泵浦在脉冲固态激光器中很常见，而连续波固态激光器可以在弧光灯中泵浦。能量泵选择性地激发钕离子，随后导致级联效应并激发光发射。这种光足够亮，可以在一些能够连续激光工作的固态激光材料中维持粒子数反转。钕钇铝石榴石激光器的最大平均功率可以超过1000瓦，尽管大部分功率要低得多。 

2.2.2 共鸣器 

最常用的谐振器设计由两个彼此面对的球面或平面反射镜组成，光束的传播特性由反射镜的曲率和这些反射镜之间的距离决定[27]。作为固体晶体的介质，两端涂有银，一点点银，另一端很重，所以起着谐振腔的作用。当激光吸收泵浦能量时，激光棒会产生热量。如果泵浦能量的频率超过晶体的热弛豫时间，晶体的温度就会升高。这将在激光棒晶体中引起温度梯度，从而引起热透镜效应，这使得晶体充当衍射激光的透镜，从而降低功率。

2.2.3 钕钇铝石榴石激光焊接的缺点 

1.灯泡需要相对更换。2.能量强度是不均匀的，因为激光器输送的总能量减少了。钕:钇铝石榴石激光器发射的近红外波长为1.06µm。幸运的是，近红外光谱在金属表面的反射较少，在有机材料上的吸收较少，因此与co 2激光相比，Nd: YAG是激光焊接的较好选择。较短的发射也可以实现更灵活和更便宜的光束整形和引导。光纤可以用来引导激光产生的光 

2.3 二极管激光器 

这类似于二极管，即工作在正向偏置模式下的PN结。它们有时被称为半导体二极管，提供790纳米到980纳米的波长范围。通过注入电子，在有源区发生粒子数反转。通过在有源区中重组电子和空穴，可以在高于特征阈值的电流密度下进行激光操作。通过改变Al×Ga 1-x As半导体的Al掺杂，在一定范围内调节激光辐射的波长，可以影响带隙的宽度[28]。它们主要基于砷化镓(GaAs)和砷化镓铝(砷化镓)。在这个二极管中，电子被注入并与空穴结合。它们的一些剩余能量将作为光子释放，光子将与更多的电子相互作用，从而在一个称为共振的自持过程中产生更多的光子。这种入射电子到光子的重复转换实际上类似于传统气体激光器中发生的受激发射过程。使用两个半导体层的基本类型是低效的。一个更好的设计有多个层，通过结合更多的电荷载流子并在充当波导的有源层内捕获更多的光来增加功率。光被限制在波导内，在那里被反射和放大，直到从一端射出。单个激光二极管的功率非常低，其中许多可以组合成单个高功率激光器。与co 2和Nd: YAG激光器相比，二极管激光器在激光焊接方面提供了许多技术进步，包括：

1.由于其波长短，在金属中的吸收率高，而在通常用于制造PCBs和其他基底的有机材料中的吸收率低。

2.它为制造商提供了灵活而强大的工具来解决供暖问题。

3.无论光斑大小如何，产生的激光束能量密度分布在整个光斑内是均匀的。

4.它是免维护的。

5.高功率激光二极管非常紧凑

6.转换输入电效率的最大转换效率约为59%，这转化为高功率二极管激光器系统的总电效率约为40%，这实际上导致较低的运行成本。 

2.3.1 泵源 

泵浦源由光激发。如果带隙较多的光子击中半导体，会使电子从价带跃迁到导带，从而形成一对电洞，即一对载流子。这种效应可以通过产生与照明量成比例的电流来检测光。流经半导体激光器的电流在结中产生粒子数反转，结恰好是有源层。在结内，半导体的成分发生变化。在这种情况下，粒子数反转将是同一区域中的大量自由电子和空穴。 

2.3.2 共鸣器 

在传统的激光系统中，激光束是由两个反射镜之间的原子发出的泵浦光产生的。在激光二极管中，当光子在N型和P型半导体之间的结(有源层)中来回反弹时，会发生等效过程。这种谐振器称为法布里-珀罗谐振器。两个平行的抛光平面用于在空腔中产生多次反射，以获得非常高的激光束强度。放大的激光最终从腔的抛光端出来。 

3.二极管激光焊接

二极管激光器是一种直接将电能转化为激光的半导体器件。一般在808nm或980nm的近红外光下输出功率较高的二极管激光器。二极管激光器的小尺寸使它们更容易集成到工作站中。它们在相对较小的物理区域产生废物，因此可以用少量的循环水和冷却器进行冷却。在二极管激光焊接中，聚焦激光束可以快速可控地加热焊料合金，从而使焊料回流并形成稳定的接头。输出功率在30W-80W范围内的激光器足以满足焊接应用要求。典型的二极管激光焊接系统由激光器/控制单元和光纤电缆组成，用于将激光点传输到任何所需位置。激光器/控制单元提供二极管激光器的温度和电流控制，并可以使用内部和外部系统接口对输出进行脉冲控制，从而使它们易于适应自动化。更高功率的激光二极管焊接已经通过了一些电子和电信设备制造商，原因如下；1.它提供时间和空间的过程控制，并且控制延伸到连接位置和冶金，从而为热敏元件提供优化的接头。2.复杂应用的自动化解决方案–具有热敏或高价值元件的复杂三维(3-D)电路几何形状。难以到达的位置和精细间距的方形扁平封装3.它可以轻松定制特定的接头设计和一致的高质量接头。 

3.1 二极管激光焊接工艺 

激光束由激光二极管产生，并使用光学系统精确聚焦在焊点上。焊点所需的温度是通过吸收产生的。这种方法既适用于焊膏的回流焊接，也适用于焊丝的焊接。对于选择性回流焊，首先分配焊膏，然后缓慢加热和预热焊点。最后，焊膏完全熔化，然后在焊点处形成弯月面，触点完全被焊剂覆盖。对于使用焊丝的焊接，该过程分为三个步骤[30]第一步:预热激光器打开，焊线进入激光束范围。直接辐射将金属丝加热到接近熔化温度。如果激光束击中焊盘外部的印刷电路板，印刷电路板的表面可能会燃烧。第二步:送丝这个过程对于精确的焊接过程非常重要。在焊料进给过程中，焊丝以特定的速度进给。温度接近熔化温度的焊丝会碰到焊点，并在预热的焊盘和预热的引脚处熔化。如果焊盘和引脚的温度不够高，导线会出现毛刺或弯曲。焊线进给器由DC电机驱动，编码器用于控制进给速度。进料长度和进料速度可编程。第三步:保持时间熔化的焊丝可以均匀地分散以形成典型的焊点形状。液态焊料的吸收率明显较低。它就像一面镜子。在焊接过程的这个阶段，激光束可能会部分偏转，并可能损坏周围可能的部件或塑料外壳。许多单个二极管光束必须捆绑到焦点上，这样直径为0.8毫米的焦点的能量约为30 W，这只有在使用复杂的光学元件时才有可能(见图3)。激光二极管的光束首先通过柱面透镜在一个轴上准直，然后耦合到光纤中。

3.2 高功率二极管激光器焊接 

在微电子工业中，平均2到80瓦的激光功率可以用来完成焊接任务。激光的平均功率取决于焊点的大小和所需的速度。焊接任务根据大小分为小、中、大焊接区域。小 40至100μm(0.0016至0.004英寸。)焊接这些小焊盘的典型应用是高密度封装。一般来说，几瓦的平均功率足以焊接这些接头。许多商用光学成像附件(OIA)可以解决特定的光斑尺寸和工作距离要求。中等，100至500μm(0.004至0.02英寸)焊盘在这些情况下，直径为800 m的光纤传输的25瓦功率(OIA)可以将光源的尺寸缩小1.8: 1，这带来了一些好处。每个焊点的停留时间约为1秒。1至3毫米(0.04至0.12英寸)大垫板在某些情况下，同时扫描多个关节是非常重要的，这可以通过扩大二极管激光器的光斑尺寸来实现。这项技术是在密集的印刷电路板上焊接多个连接器的可行解决方案。为了增加扫描时间，可以使用具有更高平均功率(高达80瓦的连续波)的二极管激光系统。 

3.3 激光焊接参数 

确定了一系列激光焊接参数，在开发焊接工艺以实现高质量接头时需要考虑这些参数。它们包括以下内容1.平均功率:激光的平均功率控制热量传递到焊接点的速率。高平均功率是优选的，因为它可以减少焊接时间，但是过大的功率会导致汽化，并且还会降低接头的质量。2.脉冲时间/长度:和平均功率一样，脉冲时间/长度控制激光传输到关节的能量。3.脉冲占空比:改变向接头传热的速率，从而增加对焊接过程的控制。因此，高占空比是优选的，因为它允许最短的焊接时间。4.激光功率密度(强度):激光功率密度(强度)控制材料对激光束的响应，并与平均功率相关联，平均功率通常决定焊接过程速率。5.激光聚焦位置:激光聚焦点的准确放置对于保证高质量的接头非常重要。这可以通过使用精确的xy定位台、电荷耦合器件摄像机和可以实时观察激光束的成像附件来实现。  

4.作为选择性焊接工艺的激光焊接

几年前，所有电子产品中的大多数元件都是通孔(TH)元件，但现在，这些电子产品中大约90%的通孔元件已经被它们的表面贴装对应元件所取代。对于通孔技术(THT)，这可能是表面贴装技术(SMT)的优势，其中包括:电路密度增加降低批量应用的成本减小电路板的尺寸缩小零件尺寸短针短互连方便的自动化提高电气性能。 尽管许多通孔元件已经被其表面安装的对应元件所取代，但是印刷电路板仍然使用这两种技术来设计。这是因为尽管SMT相对于THT有许多优势，但由于，via组件将在电子行业保留多年:组件可用性焊点可靠性需要可插拔性。 热风和对流回流焊方法主要用于SMT元件。热空气用于小流量应用，而对流回流用于大流量应用。TH元件主要采用手工和波峰焊，虽然有些SMT元件可以通过这些方法进行焊接。当面对混合组装板时，我们总是面临着确定焊接这些板的最佳方法的挑战，然后选择性焊接成为答案。在选择性焊接中，在表面安装组件的回流焊接之后，仅选择性地焊接通孔组件。因此，选择性焊接被定义为仅将过孔组件焊接到下面具有表面安装组件的印刷电路板的过程。在混合装配板上，通孔部件可以通过三种方法选择性焊接。有无专门设计的夹具波峰焊:只要电路板的二次侧包含可以通过波峰焊工艺的器件，就可以用于通孔。必须有选择地焊接通孔部件，而不影响已在回流焊炉中焊接的相邻部件。根据应用，使用文本夹具进行选择性波峰焊可能非常昂贵。 对流回流焊使用在制品技术:这允许同时回流焊通孔和表面安装器件(SMD)，但是电路上热质量的差异和分布可能会导致不同的组件在质量方面产生不同的结果。当元件对温度敏感、引脚排数太多而无法充分沉积焊膏，或者孔内贴片工艺没有开始电路板的设计时，就不能使用利用对流回流的孔内贴片工艺。手工焊接:几十年来一直是电子组装的支柱。它们可以用来完成其他方法无法完成的连接。不能承受手工焊接波峰焊高温的部件。这种方法不仅缓慢且昂贵，但不幸的是，焊接接头的质量取决于操作人员的能力。为了在波峰焊、手工焊或对流回流焊在技术上不可行、不令人满意或成本过高时，以经济高效的方式选择性地焊接通孔部件，激光焊接开始发挥作用。激光焊接不需要任何专用夹具，在质量、可重复性和灵活性方面都能满足SMT和TH混合制造的要求。电子元件的小型化和集成化以及电信设备中使用的温度敏感元件的使用也促进了该领域的快速发展。激光焊接是焊接难以到达的区域或无法通过波峰焊或回流焊焊接的零件的理想工艺。这些零件可能对热/温度敏感且可重复，或因其尺寸而需要特殊的温度程序。激光源的功率控制和输出功率的稳定性对于确保稳定和可重复的过程至关重要。使用为焊接过程开发的光学设备产生锥形光束，这使得光束能够移动并聚焦在焊接点上。使用激光技术的选择性焊接可以精确加热，从而避免高温下热敏元件上的高热应力。

选择性焊接的好处包括但不限于1.与焊剂应用中的折衷技术相比，它允许用户优化焊接工艺，直到引脚水平。2.它采用简单的表面贴装元件，不能承受波峰焊的热冲击，提高了焊料的质量，降低了热膨胀系数的问题。3.选择性焊接是热敏通孔元件的理想选择，因为焊剂沉积的焊接停留时间和剥离参数是完全可编程的。4.它可以用于焊接高元件密度的印刷电路板元件(PCBA)，因为它可以保持过孔焊盘和相邻表面安装焊盘之间的间隙，这是通过掩蔽支架无法实现的，并且PCBA的两侧可以焊接在两块板上，而不会限制元件的高度。5.它具有减少焊接缺陷的能力，从而提高首次通过率。 

5.激光焊接与最常见焊接方法的比较 

激光焊接的主要特点是持续时间短，辐射强度高，可以集中在很小的点上。还有其他焊接技术——铁焊、波焊、感应焊等。它们也有许多优点和缺点，但与激光焊接相比，它们有以下特点: 

烙铁焊 

1.接触加热；2.由于焊头会随着使用而磨损，需要定期更换，因此需要高度维护。3.便宜。4.铁的热量会扩散到接头外，因此附近的敏感部件可能会损坏。5.定期清洁焊接头，清除焊剂和氧化物沉积物。6.加工/焊接时间长 

感应焊 

1.–从下面焊接–不在上面2.–高能量–熔化高温焊料的能力3.–根据材料导电性确定适当设置的复杂性4.–必须有氮气氛围。5.–适合大规模生产6.–必须使用助焊剂 

波峰焊接 

1.–需要氮气氛围2.-低成本3.–预热和焊剂涂敷必须分开进行4.–焊接从下面开始5.–很难与各种封装类型一起使用，尤其是球形贴片封装和窄引线间距贴片封装。6.–SMD热应力高，而THD热应力低。7.–适合大规模生产 

红外焊接 

1.–高热应力。2.–很难在阴影中加热部件。3.–由于零件的形状，焊接处会出现不均匀的加热(温度变化)。4.-低成本5.–预热和焊剂涂敷必须分开进行 

对流回流焊接 

1.–必须有氮气氛围2.–独立预热和对焊剂活性的高要求3.–高热应力4.–易于在阴影中加热组件5.–可以在整个产品上均匀加热，即温度分布均匀。6.–处理时间长。 

气相焊接 

1.–必须进行单独的预热和惰性液体气氛2.–不需要温度控制系统3.–高热应力4.–焊接区域的氧化和污染最小5.-适合大规模生产。6.–无论组件的形状如何，都可以实现均匀加热 

电阻焊接

1.–接触加热2.–由于接触电阻的温度变化，热量可能不会到达正确的位置。 

6.激光焊接的工业应用

工业激光器以高精度和无接触的方式提供大量热量，这使得它们非常适合焊接和其他应用。激光焊接使用聚焦良好、高度受控的光束，在精确测量的时间内将能量传递到所需位置。激光焊接用于以下领域。 

6.1 光伏组件制造 

在光伏组件的生产中，太阳能电池通过绳子相互连接，然后层压在组件中。在电池焊接和串加工过程中，太阳能电池承受热应力和机械应力。目前，随着太阳能电池变得越来越薄和脆弱，焊接和加工变得越来越困难。由于太阳能电池的厚度减小(通过直接在层压层上进行激光焊接，可以完全避免串加工。这种方法被称为“分层激光焊接”(ILL)。激光焊接是一种连接方式，不会对太阳能电池产生机械载荷，降低太阳能电池的热应力。激光束在连接器和太阳能电池之间产生机械和电稳定的焊点，持续几分之一秒。使用高功率二极管是因为它具有接触薄膜太阳能电池的所有特性。采用非接触技术，局部热量输入准确。集成在加工头中并与激光束路径对准的高温计传感器用于控制该过程。

6.2 电子制造 

电信设备行业的自动化、消费电子和其他生物医学应用中电子设备的小型化已经导致具有细间距引线和小焊盘直径的高密度微电子，从而导致对高度可控的选择性激光焊接的需求。这是因为这些设备通常具有复杂的三维(3-D)电路几何形状，其中包含热敏或高价值组件，如传感器、镜头中央处理器等。不能用传统的波峰焊技术焊接。激光焊接有很多属性，但主要属性是持续时间短，辐射强度高，可以集中在直径只有0.050毫米的小点上[31]，这对焊接局部焊点密集的区域非常有利。它可以在不影响附近组件的情况下制造。Nd: YAG激光器和二氧化碳激光器已成功应用于工业生产，但高功率二极管激光器的发展最近提供了一种具有技术优势的新型焊接激光源。激光辐射的金属吸收率一般会因波长变短而增加，因此二极管激光器可以比钕:钇铝石榴石激光器和二氧化碳激光器带来更高的加工效率[21，36]。大功率二极管激光器因其可靠性高、易于自动化和时空过程控制等优点，已被一些电子和通信设备制造商采用。这种控制延伸到接头位置和冶金，从而优化了热敏零件、特殊基底和一些难以到达的区域的接头[6]。选择性激光焊接可以将精确量的能量转移到特定位置，而不会对周围部件造成与热相关的损坏。

6.3 汽车应用 

在汽车中，由于电触点数量的增加以及更复杂和小型化部件的组合，激光焊接提供了一种更好和完善的方法来取代传统技术[36]。用于焊接的激光应用允许高度自动化的生产系统。因为它是非接触技术，所以它以非常高的处理速度为各种制造任务提供了极大的灵活性。配合部分通过焊料连接，焊料的熔点通常低于组件材料的熔点。当焊料熔化时，它流入零件之间的间隙，并与工件表面结合。元件之间的微小间隙提供了毛细作用，将液态焊料吸入接头。焊缝表面光滑干净，通常不需要修复。它们通常用于汽车工业，以制造车身零件，如车顶或行李箱盖。 激光焊接提供了一种清洁和非接触的过程，包括使用精确控制的光束将能量传递到焊接位置。激光束主要被焊料吸收，从而形成快速和高质量的焊点。极短的加热和冷却时间会导致金属间结合的细晶粒结构。由于其精确和无接触的工艺，激光焊接可以产生最佳质量的焊点作为一种选择性焊接工艺，它可以将准确的能量传递到特定的焊接区域，即使是在难以到达的区域，也不会造成与热量相关的意外损坏。它是将表面贴装元件焊接到印刷电路板上的最佳方法。

工业用蓝光激光器是一种半导体激光器,波长约 450 nm,输出蓝色波段的光谱。蓝光激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作。蓝光半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光，波段400-500nm。

2、高功率蓝光激光器提出的应用背景

随着时代的发展，越来越多的轻量化装备对材料提出了新的需求，传统的铁基材料已无法胜任，越来越多的高反材料铜等登上了舞台，这就对激光焊接提出了新的需求。传统9xx及光纤激光器在焊接高反材料时会产生飞溅及气泡，而蓝光产品则能很好的避免这种情况。此时，人们才意识到要发展高功率蓝光激光器。
过去这些年推动激光技术应用主要有两条路线：第一条是突破技术瓶颈不断提升输出功率，带来的单瓦激光价格的大幅下滑，使用成本极大地降低；第二条是新型激光器技术不断出现以及应用技术趋于成熟，同时带来了新的应用拓展，市场需求增加。
功率提升可以算是一种垂直发展，而新型激光器可当作是激光技术的横向发展。重点关注未来新型激光器怎么发展，过去的10年，从光纤脉冲到光纤连续，从单模到多模，又从绿光说到紫外，碟片、半导体、皮秒、飞秒等激光类型均被谈论研究过。这几年，蓝光激光器逐渐兴起，并得到行业人士广泛关注。

3、高功率蓝光激光器特性和优势

半导体激光因其丰富的光谱带宽以及直接的电激励方式，在光谱选择、高电光效率和连续光输出、长期寿命上具有不可比拟的优势。激光的波长越短，对应的光束衍射极限BPP越小，聚焦本领越强，可耦合进芯径更小的光纤。此外,蓝光激光器是指具有蓝色光源且波长在 400 nm-500 nm 范围内的激光器,波长较短意味着更高的光子能量。波长越短意味着更高的光子能量，利于提升材料对激光的吸收率。
传统激光器在焊接高反材料时容易产生飞溅及气泡，而蓝光产品则能很好的避免这种情况。蓝光激光器的出现，显著提高了激光在金属材料加工领域的能量利用率，这将导致材料加工领域出现革命性进展。如图1所示,在 450 nm 范围内,金属材料吸收率在 10% 到 60% 之间增加了,相较于用于工业加工的光纤激光器。金、铜等高反射金属尤其明显感受到了这种提升。蓝光激光器在铜的焊接上所需的能耗比红外激光器低84%，铜等高反材料对蓝光的吸收率比对9xx吸收率高将近20倍，在金的焊接上甚至要低92%。换句话说,蓝光激光器只需要约 1 kW 或 0.5 kW 的激光功率,而红外激光器需要 10 kW 的激光功率来焊接铜或金。

                   不同波段激光光源对不同金属材质吸收率 

大量的实验数据表明，与红外激光加工效果对比，高功率蓝光激光器不仅在焊接和熔覆过程中几乎不引入气孔和飞溅，而且大大降低了对光源功率的要求，因此在高反金属材料加工领域，蓝光激光器凸显出了其绝对优势。

4、国外高功率蓝光激光器的发展

德国Laserline公司，研制的第一台蓝光千瓦级半导体激光器诞生了。2018 年,Laserline 继续推出 500 W 600 μm 样机;2019 年,该公司首次展示了全球第一款 1 kW 400 μm 商用蓝光半导体激光器,并在某展上首次展示。至 2020 年初,Laserline 宣布将 2 kW 600 μm 蓝光激光器产品推出为商用。

美国NUBURU公司是一家主要研发蓝光激光器的企业,致力于扩大蓝光激光器在消费电子、电池和电动汽车等制造领域的应用范围。该公司于 2017 年研制出蓝光半导体激光器,2020 年推出了1500 W 100 μm超高亮度蓝光激光器。

日本岛津公司于 2015 年成功研制了“BLUE IMPACT”光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器。该激光器采用蓝光氮化镓类半导体,是为数不多完成产品化的激光加工光源之一。日本岛津于2019年2月宣布与大阪大学合作开发出输出功率达到1 kW的蓝光半导体激光器(光纤400um)。

5、 国外蓝光激光芯片厂家

德国欧司朗是一家来自国外的蓝光激光芯片制造商,该芯片的斜率效率为 1.6 W/A,光功率为 4.5 W。

日本日亚化学工业株式会社发布了斜率效率为1.8 W/A的蓝光激光器芯片。该芯片的光功率约为5 W。
索尼公司表示蓝光激光芯片斜率效率为1.8 W/A,光功率约5.2 W。

6、国内高功率蓝光激光器的发展

（1）科研类进展

我国蓝光激光器发展略晚于国外，但科研和产业界也在抓紧研发。近几年，中国的研究单位和企业陆续跟进，相继推出了多款蓝光半导体激光器。
2004年，中科院半导体所研制出我国第一台GaN蓝光激光器。
2020年，长期专注于第三代半导体发光材料研究的北京大学光电研究院也成功研制了工业级蓝光半导体激光器。
2021年2月,厦门大学康俊勇、李金钗团队与三安光电联合技术攻关项目取得突破性成果。他们设计和制造了超8W大功率InGaN蓝光激光器,达到了国际标准。
华中科技大学等高校和科研院所也正在加紧研究中。
（2）商业化进展

进入2020年，中国的研究单位和企业陆续跟进，推出了蓝光半导体激光器。
广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院，2020年9月份，宣布推出工业级蓝光半导体直接输出激光器，该产品输出功率500瓦，功率稳定性小于±2%，结构紧凑，适合用于高反材料的焊接、熔覆，3D打印等。为了确保产品性能，硬科院还推出5台蓝光激光器招募企业，提供免费使用一年的试验。广东硬科院于 2021 年 3 月推出了 1000 W 蓝光半导体激光器,进一步实现了突破。

武汉锐科激光，2020年9月，在上海工博会上，宣布推出了蓝光光纤输出半导体激光器。当时介绍：蓝色激光进行焊接吸收率更高，是红外波段的10倍左右。光纤400um输出功率500瓦的蓝光激光器，该款激光器主要应用在金、银、铜等有色金属的焊接，可应用于新能源电池焊接、3C以及合金的焊接等领域。

深圳联赢激光，2020年在5月份，宣布推出蓝光半导体激光器，功率为100W级，波长为455nm，在焊接铜材时属于热传导焊接，焊接过程无飞溅，熔池稳定，焊后焊缝平整，外观良好，后续产品升级最高输出1KW。

大族正在自主开发 400um 500W 蓝光半导体激光器。
凯普林在 2021 年 1 月成功推出了蓝光 1000 W 330 μm NA0.22 产品。凯普林在 2019 年美国西部光电展上推出了一款波长 445nm/200瓦的蓝光半导体激光器,该产品在技术上属于半导体激光器。

2022年1月17日，中国光学光电子行业协会，2022年第一批团体标准立项评审会在湖北省武汉市举行。会议对华中科技大学提交的《大功率蓝光半导体激光器》团体标准项目进行了论证。
本标准项目由华中科技大学、武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、武汉华工激光工程有限责任公司、深圳联赢激光股份有限公司、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、北京凯普林光电科技股份有限公司、广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院半导体研究所、苏州长光华芯光电技术股份有限公司、西安炬光科技股份有限公司、度亘激光技术（苏州）有限公司、华工法利莱切焊系统工程有限公司联合提出。
专家组认为该标准内容符合国家法律法规和政策，且具有标准编写的必要性，建议标准发起单位按照专家意见修改完善标准立项申请书，完成立项报批。

7、蓝光激光器应用前景

蓝光激光相比于红外激光，在铜材料上有着更高的吸收率，两者相差接近10倍。假设加工同样条件材质的铜材料，使用红外激光使用的是4000瓦，而改用蓝光激光可能800瓦就能达到同样的加工效果。
基于氮化镓材料的半导体激光器可直接产生波长450nm的激光，而无需进一步倍频，因此具有更高的能量转换效率。同时，蓝光在海水中吸收较少，因此传程较长，这使得开拓水下激光材料加工领域变得现实。此外，蓝光相对容易转换为白光，因此可以使用蓝色激光非常紧凑地实现泛光灯和其他照明应用。蓝光半导体激光器激光医疗、水下通信、激光显示及激光照明等领域都具有重要的应用。总的来说，蓝光激光器提高了焊接速度，可直接转化为更快的生产效率，以及最大程度地减少生产停机时间；焊接质量的一致性可大大提高生产良品率；无飞溅和无孔隙的高质量焊缝，以及更高的机械强度和更低的电阻率等独特优势拓宽了工艺范围。此外，蓝色激光还可以进行导热焊接模式，这是近红外激光所无法实现的。
8、蓝光激光器的技术路线

早期的蓝光激光器功率很小，并没有得到太多的关注，直到2017年后人们才意识到要发展高功率蓝光激光器。一般来说，蓝色半导体激光只能以单体输出，在实现高功率输出时，光束尺寸就会增大，难以保证在保持小光束尺寸的同时实现高功率输出。选择耦合方式可以解决这个问题，即准备多个蓝色的光源，让发出的光线通过透镜汇集成光纤。通过光纤输出激光，这样不仅容易操作，而且通过将多个激光单元连接在一起，可以很容易地增加激光功率输出。

为了商业化蓝光激光器,德国DILAS公司于 2013 年使用TO封装捆绑合束技术开发了1.6 W的450 nm激光输出,具有100 W、400 μm/0.22 NA。

通过空间合束偏振方法实现芯径为 1050 μm/0.22 NA 的光纤的第二种方法,蓝光单管通过多只快/慢轴光束质量改进的蓝光单管输出160 W的450 nm的光纤耦合模块。

激光展 第三种方法，激光巴条合束技术，先将多个单独的激光芯片高效地集成到一个所谓的激光巴条，每个激光巴条可产生至少50W的蓝光。然后通过适当的电连接、冷却散热，以及使用特殊的光学器件，将多个半导体激光巴条安装组合成一个半导体激光堆栈（Stack）。整个半导体激光器可以用一个或数个半导体激光堆栈组合而成，如图4所示。目前，激光巴条技术可以达到2kW的蓝光功率。

第四种方法，多根激光合束到单根光纤的激光合束技术。

9、总结

蓝光激光器系统由蓝光半导体激光器、蓝光合束器、激光输出头和电路驱动模块等组成，其中核心技术包括光纤束拉锥、输出光纤熔接和合束器封装等工艺，这些工艺的稳定最终确保产品可靠性。
目前高反材料加工应用非常广泛，相对于红外激光，蓝光半导体激光器对铜材料加工拥有更高优越性。随着应用工艺成熟，高功率蓝光激光在加工领域的份额会大大增加。新型激光器技术的突破往往会带来新的材料加工应用，高功率蓝光激光器会是一个很好的应用市场趋势。

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IGBT的学名叫绝缘栅双极型晶体管，它属于半导体器件的一种，IGBT由BJT（通过一定的工艺将两个PN结组合在一起的器件，具有电流放大作用和流控开关作用）和MOSFET（绝缘栅场效应晶体管，在半导体衬底材料上扩散形成沟道，然后将沟道孔和绝缘层做成源极、栅极和漏极，具有电压控制功能）复合组成。

   BJT的通、断驱动控制功率很大，开关速度不够快，但通态压降小，可以制成较高电压和较大电流的开关元件；MOSFET通、断驱动控制功率很小，开关速度快，但是通态压降大，导通损耗大，难以制成高压大电流器件。将BJT和MOSFET结合在一起组成的IGBT同时具备两者的优点。

   IGBT主要用于铁路机车、动车组、电动车辆中交流电电动机的输出控制，实现直流电与交流电之间的转换、控制驱动系统的运行和调整整车输出功率。

（工业用IGBT及电动车用IGBT）
   上世纪60年代开始，日本三菱公司几乎垄断了工业用IGBT的制造市场，而德国的半导体巨头Infineon则在车规级IGBT制造市场内拥有不可撼动的统治地位。IGBT的供应链被国外巨头牢牢把控的原因之一是因为IGBT的研发和生产具有极高的难度，IGBT的生产涉及200多道工序，一个国家需要在半导体、材料学、化学、基础物理学等领域具有一定的积累，才有望攻克IGBT制造的难关。

   数据显示，2018年中国市场消耗的IGBT模块为9878万个，市场规模约为 153 亿人民币，受益于新能源汽车和工业领域的需求大幅增加，中国 IGBT 市场规模将持续扩大，预计到 2025 年，中国 IGBT 市场规模将达到 522 亿人民币。

在车规级IGBT方面，中国车企比亚迪2005年开始布局IGBT，2008年斥资2亿元收购宁波中纬积体（曾向台湾先进的晶圆代工厂购买整厂设备），随后每年持续投入巨额研发资金，继2009年初代产品1.0研发成功后，2018 年 12 月，比亚迪微电子公司发布了全新一代车载 IGBT 标杆性产品比亚迪IGBT4.0，2020年4月28日，比亚迪半导体在长沙的晶圆厂破土动工，项目总投资约1.4亿美元。

学术编辑:菲利普·德蒙特 2015年10月12日发布

摘要

激光技术对于精密电子元件的生产至关重要，在现代工业中得到了广泛的应用。在激光焊接系统中，精确的温度控制仍然是一个具有挑战性的问题，因为温度对激光功率和焊点的热力学参数高度敏感。本文提出了一个很好的解决方案，它可以通过基于新热力学模型的温度控制来解决。该模型考虑了激光能量、焊剂影响和不同参数的焊点等多种主要因素。根据热力过程和流量的影响，采用混合模式控制方法跟踪设计的目标温度曲线。这种方法可以生产高质量的焊点。为此，提出了一种基于模型的前馈和比例积分微分混合控制方法。实践证明，该方法具有更广的生产能力和生产规模。与手工焊接和恒定激光功率焊接相比，消耗一半左右的能量就能达到99.94%的高质量产品率。

1.介绍

焊接的历史可以追溯到公元前2500年，有几千年的历史，直到电子时代才被认为是一种技术。随着微电子产业特别是光电子和微机电系统(MEMS)的发展，印刷电路板上元器件的封装密度不断提高，后续的尺寸缩小不断给厂商带来巨大挑战。激光焊接的优点是成本低、功率密度高、集中在微小区域、机械接触很少或没有机械接触，使得微机电系统或光学元件中的敏感膜在组装过程中不会受到损坏。在过去的几十年里，焊料凸点越来越小，这使得对激光焊接的技术要求越来越严格。激光焊接的简单热模型用于描述焊点温度对材料性能的影响，以及产生不同温度分布的不同参数设置。此外，还考虑了典型激光焊接系统的要求以及激光能量和所用不同材料之间的相互作用。激光焊接的应用范围如所示，其中对传热过程的理解是该技术成功应用的关键。已经提出了激光焊接的三维有限元模型来产生精确的温度预测。激光焊接操作中涉及的因素分为三种类型，几何参数和时间，这些已在系统地讨论过。有限元模型可以显示出与实验结果的良好一致性，例如激光焊球工艺和单道和多道扫描束焊接操作[引起的与时间相关的节距偏移]。通过仿真结果与实验结果的比较，验证了数学模型。该模型可以正确预测焊接过程中的温度，但没有规定如何控制激光功率来获得良好的焊接点。同时，也可以使用基于热流的“积木式”方法。该方法基于热流公式，给出了求解方程的二维瞬态格林函数的序列数值形式。适用于求解前向和后向线性热传导问题，为我们的工作提供了指导。沿着研究路线，已经开发了许多可能的控制策略或方法来控制激光功率以跟踪一些目标温度曲线。一般采用非接触式检测传感器来测量焊接过程中焊点的温度，以避免焊点被污染。然而，焊膏中焊剂产生的热挥发性气体可能会干扰测量并导致温度测量失败。在研究了焊剂相对于回流时间和清洗溶剂残留对灾难性镜面损伤的影响，但没有解释焊剂如何影响温度测量。原则上，重要的控制器应控制激光功率，使焊点温度与目标温度曲线相匹配。在这项工作中，我们提出了一个新的热力学模型来预测激光焊接过程中的温度变化，通过这个模型可以计算出控制器中涉及的参数。具体来说，温度控制器由开环级和闭环级组成。在开环阶段，激光功率由提出的热力学模型预测。也就是说，采用基于模型的前馈控制方法，因为在加热过程中，由于焊剂的蒸发，无法正确测量温度，而在闭环阶段，当焊剂完全蒸发时，激光功率由混合模式控制器控制，包括基于模型的前馈和PID控制。仿真和实验结果表明，该控制方法能够成功跟踪设计的目标温度曲线。结果，可以获得稳定和均匀的焊点。在实践中，与手工焊接和恒定激光功率焊接相比，产品合格率消耗的能量约为一半。所提出的控制方法也被证实具有更广泛的产品能力和生产规模。

2.激光焊接系统

激光焊接工作站示意图如图1所示。半导体激光束通过光纤和聚焦镜聚焦在焊点上。使用红外温度计(型号:OPTCT3MHSF，德国制造，温度范围100–600°c)测量从焊点反射的红外光。对于芯片表面上的每个位置，红外温度计检查下移动台位置的样品板。手动平台固定在平台上，用于微调激发激光点的位置。计算机视觉系统捕获样品基底上的基准标记，以便与红外温度计和激发激光器精确对准。数据采集、载物台定位和视觉系统由计算机控制，提供全自动检测过程。该系统能够以相对较低的成本实现高测量吞吐量和高精度。商用机器如图2所示；在该工作站上完成了以下实验。对于第一个实验，自动对焦是固定的，并且激光束直径被手动调整到由焊点的几何特征确定的尺寸。这一要求确保焊点以固定的能量损失速率被充分加热。因此，能量损失引起的温度变化可以忽略不计。

                             图1红外测温仪系统激光焊接工作站。 

        图2   激光焊接机和红外温度计系统。

表1给出了激光发生器的关键参数，包括激光的中心波长和激光光斑尺寸(聚焦)。这些参数控制激光发生器的性能，并决定电子元件是否正确焊接。

                表格1  激光发生器参数值。

温度控制是通过调节激光功率，使焊点顶部中心的温度达到目标温度曲线，从而可以生产出高质量的焊点。焊点初始温度为环境温度，由于红外测温仪的限制，无法检测到从环境温度上升到100°C的温度。由于加热过程中焊剂蒸发的影响，从100℃到熔化温度(约170℃)的测量不准确。蒸发后，精确的测量使我们能够控制最高温度和温度变化率，从而获得良好的接头质量。

3.激光焊接过程的热力学模拟

在本节中，将建立并验证热力学模型。在热力学模型中，假设输入和输出描述了系统的动态过程。输入是激光产生的可控能量，输出则包括锡膏吸收的热量，可能导致焊点温度变化，以及热传导、对流和辐射造成的能量损失。首先介绍了计算温度变化的能量方程的数学公式，然后在方程中引入了对温度变化敏感的两个参数。一是与焊点形状相关的几何因素[9]；另一个是激光发生器的效率，它可以决定所用能量的百分比。然后将热力学方程应用于焊接过程，根据焊膏状态的变化分为四个阶段。基于热力学模型，可以准确预测激光焊接过程中焊点顶部中心的温度。由于加热过程中焊剂蒸发导致温度测量不正确，因此使用过程识别来确定受干扰的温度测量值。通过仿真结果与实验结果的对比，验证了数学模型的正确性。匹配结果表明，该模型能够正确预测焊接过程中的温度。

3.1激光焊接系统的节能模型

根据热力学第二定律，热量从高温区传递到低温区。根据传热的傅里叶定律，在无穷小的时间内，当介质沿法线通过无穷小的区域时，就会产生热能，热能与介质温度的方向导数成正比，方向导数指向法线表面[14]:

其中是介质在该点的传热系数。(1)中的负号表示热能从较高温度侧转移到较低温度。对于任何封闭表面，在介质中，封闭区域用。从到的热传递函数可以推断如下假设垫是均匀的，偏微分方程可以通过其宽度和长度近似为与其几何形状相关的因子，如下所示:其中是垫的导热系数、几何系数和面积。假设与值和:参数相关联，描述了宽度和长度之间的相关性，因此可以通过实验来识别。为了确定参数，我们设计了一系列实验，其中(1)激光功率在加热过程中保持恒定；㈡在每次实验中，冲击垫的尺寸都会改变。根据从设计的实验中采样的数据，例如数据1、数据2和数据3(如图9所示)，可以从(15)计算不同垫尺寸的参数(当垫在固定温度下加热时)。电源、坐垫会达到一个稳定的温度，这可以根据来计算。不同尺寸和相应值的垫片如表2所示。根据沿轴和轴的分布，我们可以识别参数，并且在(使用最小二乘法5)。图3所示的线是用最小二乘法拟合的。然后，我们可以根据(5)和(计算值5)进行计算，它们也显示在表2中。

                           表2   γ的计算和实验值。 

                             图3   长度、宽度和。

焊膏加热后会形成规则的形状，保证了焊膏的几何特性在焊接过程中变化不大。因此，可以假设它是常数。当大量流体(气体或液体)带走热量时，就会发生热对流。对流过程也通过扩散部分传递热量。强制对流是利用泵、风扇或其他机械手段迫使流体流动的地方；即其中为对流传热系数，为室内温度。热辐射通过真空或任何透明介质(固体或流体)产生。能量在电磁波中通过光子传递:热流率在哪里；是黑体辐射；W/m 2 K 4为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；是辐射面的面积；是从辐射表面到表面的形状因子；和是辐射表面总和的绝对温度(即从额定温度(开尔文)到温度(摄氏度)的温度)。经过考虑，可以忽略。能量，包括热能，是通过物理方式将热的或冷的物体从一个地方转移到另一个地方来移动的。一个实际的例子是热工水力学。比热是将温度升高1摄氏度所需的每单位质量的热量。热量和温度的变化通常可以表示为比热容、材料质量和加热过程中的温度变化。相变可以忽略，因为相变过程中添加或移除的热量不会改变温度。我们将这些关系应用于激光焊接系统。同相能流可以表示为:在表示金相的地方，是相的初始温度和激光发生器的效率。

3.2激光焊接过程的热力学模型

激光焊接过程分为四个阶段，对应过去的焊料金相:预热、活化、回流和冷却。在激光焊接过程中，需要先将整个填充材料加热到其熔化温度。在加热过程中，应严格控制温度，以确保高质量的接头。使用红外测温仪测量关节温度时，闭环反馈控制器可以控制温度，包括激光功率、相互作用时间、激光光斑大小和激光束位移[15]。在我们的例子中，能量通过直接辐射进入焊膏。熔化填充材料所需的激光能量取决于材料、底层的几何形状以及与垫的接触条件。

表3描述了数学模型中使用的参数。表3模型中涉及的参数。

这四个阶段的热力学方程如下:(1)当温度低于糊料熔化温度()时，能量守恒方程如下:利用时间导数可由能量守恒方程(11)得到加热过程的热力学模型:系统初始温度为室内环境温度，故可推导出(12)为简化问题，请定义和；那么(13)可以简化为可以从(14)导出的解:(2)在焊膏熔化阶段()，温度保持恒定。吸收的能量用于熔化焊膏，熔化焊膏的时间可以用它来表示，如表3所示。(3)糊状物熔化后()，合金由各种物质形成，热容量发生变化。温度和能量遵循(11)，其中初始温度是熔体温度；最高温度出现在这个阶段的末尾。(4)加热过程()后，激光器关闭。能量守恒方程也可以采用时间导数由能量守恒方程(19)得到热力学模型:我们有它并定义它；温度可由式(19)导出

3.3通量函数

当加热时，焊剂蒸发并形成高速热气，这极大地影响了红外温度计的温度测量(如第2节所述)。如果将反馈控制方法应用于系统，温度测量失败可能导致系统不稳定。本文将焊剂的蒸发过程视为对常规激光焊接过程的干涉过程。蒸发过程中测量的温度数据如图4所示。在固定的激光功率下进行了三个实验来测量焊剂蒸发过程中的温度变化。过程数据用于识别蒸发模型。蒸发过程可用三阶多项式确定:其中锡膏的预期温度；、、和要识别的参数；就是激光的能量。 

     图4 在有助熔剂的情况下进行模拟和实验温度测量。

参数见图4，图4也显示了模拟和实验测量之间的一致性。结果表明:(21)可以建立动态蒸发过程。

4.激光焊接过程的控制策略

根据激光焊接系统的结构和焊点的特点，有必要设计目标温度曲线，以获得良好的焊点质量，并开发精确的温度控制方法来跟踪目标温度曲线。如上所述，由于通量的蒸发，温度反馈控制不能直接用于跟踪目标温度。提出了一种开环和闭环混合控制策略来跟踪目标温度。预热阶段采用基于模型的开环控制方法达到目标温度，避免了熔剂蒸发带来的测温误差。在焊剂蒸发后，即在活性和回流阶段。

4.1目标温度曲线的设计

根据实践经验，温度、温度变化率和加热时间是获得高质量焊点的关键因素。焊接过程可分为预热、活化、回流和冷却四个阶段。因此，目标温度曲线根据不同阶段的需要分为四个部分。目标温度曲线如图5所示。 

         图5  目标温度曲线的分段线性曲线。

分段线性曲线描述如下:其中和是不同阶段的预期温度；、、、和是用于区分不同阶段时间节点；是一个时间变量。在预热阶段，激光能量用于加热焊盘和焊膏，直到达到活化温度(溶剂被活化以消除氧化并增加焊膏分散面积的温度)。在加热过程中，温度变化率必须在有限的范围内(这可以通过实验获得)。否则比例过高会损坏焊盘，剥夺焊膏中的溶剂；如果温度变化率太小，就不能激发溶剂的活性。溶剂流失会导致焊膏飞溅，造成短路。在激活阶段，加热焊盘的温度变化率与加热焊膏的温度变化率一致。否则，由于焊盘和焊膏之间的吸收能力的差异，粘附性可能会恶化。在激活阶段，焊膏中的溶剂被完全激活，温度升至。这个阶段的持续时间是高质量接头的关键因素。如果激活阶段的持续时间过长，焊盘可能会变形，引脚和焊盘可能会被氧化。相反，如果持续时间太短，热量可能会分布不均匀。最终焊点的抗剪切性可能较差，并且可能在最终焊点中形成孔隙。当回流阶段开始时，焊膏转变为液态合金，由于液态合金的扩散，形成早期焊点形状。在回流阶段，需要适当的方法来削弱浆液的粘度和界面张力。和温度变化率是关键因素。过高的温度可能会损坏焊盘和元件，并加速焊膏和焊盘的氧化。相反，过低的温度会削弱溶剂的效率并增加内部空隙的可能性。加热过程完成后，冷却阶段开始。关掉激光，最后形成焊点。激光焊接过程完成。但实际上，目标温度曲线(图5)并不能直接作为实际激光焊接系统的参考，因为目标温度变化率引起的激光功率变化率总会导致实际温度不稳定。，这通常会导致焊点热击穿或焊膏飞溅。本文采用目标温度曲线(图5)作为仿真输入，而非实际系统，仿真输出(见图6)作为实际激光焊接系统的参考。与图5相比，模拟生成的温度更连续、更平滑，可以带来更好的质量。 

                                  图6    模拟产生的温度。

这样，由相同模拟产生的响应激光功率可以用作前馈控制信号，而不受测量噪声的影响。基于温度参考和前馈控制信号的设计，下一部分将开发控制结构和控制方法。

4.2控制方式

控制系统的完整框图如图7所示，其中死区控制器用于切换不同焊接阶段的开环和闭环控制方法。预热阶段，激光功率仅由前馈控制信号提供，与测温无关。在激活和回流阶段，激光功率也由前馈控制和PID控制器提供。 模拟系统 实用激光焊接系统 模拟系统实用激光焊接系统 

                                              图7激光焊接系统的实用控制结构。

控制过程描述如下。当参数、、、、和由经验或实验给出时，可以及时确定目标温度。为了使控制过程更清晰，一些变量定义如下:(一):模拟过程中的输出温度。㈡:焊点的实时温度。㈢:实时输出和模拟输出之间的温差。(iv):当时激光发生器的功率，由PID控制器1给出。(v):激光发生器的及时功率，由PID控制器2在仿真中给出。(6):时刻前馈控制信号，等于；那就是。㈦:当时的实际激光发生器。在预热阶段，死区控制器将禁用PID控制器1，这意味着求和。该阶段采用开环方式控制实际温度，并通过仿真给出控制信号。因此，焊剂的蒸发不会影响温度控制过程。在激活和回流阶段，死区控制器使PID控制器1有效，实际激光功率为。然后，采用闭环前馈混合控制方法对目标温度进行跟踪，使得给定温度能够被更精确地跟踪。当冷却阶段开始时，激光电源关闭，焊点进入被动冷却过程。在这个阶段结束时，焊点最终形成。5.模型验证和控制策略应用的实验和仿真结果在这些实验中。%)无铅焊膏组装两个组件。图8示出了组件结构，包括1毫米传感器和1毫米厚的不锈钢基板。在附着于衬底表面的铜垫表面上有两个带有金/镍金属化层的毫米铜垫。传感器前面有两层厚度为微米的金/镍金属化层，用0.1不锈钢直尺测量，是CMOS相机模块的两个组成部分。 

                     图8 CMOS相机模块的结构。 

  图9 激光焊接过程的温度变化曲线。

本实验中使用的激光焊接系统如图1和2所示。该系统为半导体激光器(nm)，配备直径为200 nm的光纤，激光器可用功率不高于32 W..光束是静止的，它在复合材料顶部的光斑可以在50纳米到400纳米的直径范围内调节。焊点的顶面位于激光束的焦平面下方。红外测温仪用于测量激光焊接过程中焊点顶部中心的温度，并与热模拟进行比较。5.1。恒功率焊接工艺验证为了验证基于热力学模型的修正(如(5)所示)，首先对恒功率下的焊接过程进行了验证。在本实验中，激光功率固定在15 W，持续时间为占空比。图9示出了温度随时间的变化，这是使用红外温度计在焊膏顶部的中心测量的，并且温度收集开始于100℃考虑通量蒸发的影响，最终的蒸发过程模型为(21)。曲线的第一部分(第50个循环之前)不匹配，因为通量蒸发导致测量误差(见图10)。然而，蒸发温度的峰值是可以准确预测的。通量蒸发过程后，曲线第二部分(第50次循环后)的模拟与实验数据吻合较好。 

 图10  模拟和实验结果。

热力学模型(如(21)所示)给出了温度变化与激光功率的关系，可应用于焊接过程，实现精细的温度控制。5.2。实验和分析图11比较了实验和模拟。模拟和实验有很好的一致性。图12显示了使用所提出的控制方法的CCM焊接接头。焊膏爬至引脚顶部，接头表面光滑光亮，无残留焊料或飞溅，提出的精细控温方法显示出良好的接头效果。 

 图11 实验和模拟结果。 

                 图12 焊接结果。 

为了便于说明，从时间、能耗、产量和生产尺寸限制四个方面比较了三种焊接方法，即手工焊接(技术工人使用的35 W电烙铁)和传统的激光焊接。焊接(恒温)和建议的方法。在实验中，我们用每种方法焊接了1000个焊点样品，结果如表4所示。

                                                  表4  工作效率比较。

手工焊接虽然合格率高，耗时最少，但耗电多，生产规模非常有限，焊接过程中产生的气体可能危害人体健康。该控制方法在降低能耗、提高质量、扩大生产规模方面具有明显优势。不及物动词结论建立热力学模型，分析激光焊接过程中接头温度与激光功率的关系。基于该模型，可以准确预测焊接过程中的焊接温度。根据预测，由于预热过程中焊剂的蒸发，闭环控制不能直接应用于激光焊接系统阶段，因此提出了开环闭环混合控制策略来跟踪目标温度曲线。模拟结果与实验结果吻合较好。因此，热力学模型得到了验证。死区控制器用于切换开环和闭环控制方法。为了获得更好的焊点质量，模拟输出温度作为实际目标温度，连续平滑。这样，通过模拟产生的激光功率可以用作前馈控制信号，从而最小化测量噪声的影响。相比之下，该控制方法在降低功耗、提高质量和扩大生产规模方面具有明显优势。所提出的控制方法为焊接很小的产品提供了一种可行的方法。在今后的工作中，可以更准确地估计几何系数。所提出的控制方法为焊接很小的产品提供了一种可行的方法。在今后的工作中，可以更准确地估计几何系数。所提出的控制方法为焊接很小的产品提供了一种可行的方法。在今后的工作中，需要对几何系数进行更准确的估计，需要通过科学的量化来达到目标温度。对于进一步的研究，值得为激光焊接系统开发智能温度控制方法，特别是在线控制方法，使用神经计算模型(例如，参见[16-18])和智能算法，如遗传算法和电磁算法[19]。在[20]中，提出了一种低色散序列来检测有意义的模式。值得在激光焊接系统的温度控制方法中应用。另一个重要的研究方向是使用基于热通量的“积木”方法来控制系统中的温度。在这种方法中，可以利用二维瞬态格林函数求解基于热流公式的方程的序列数值形式，从而实现温度预测和调节的功能(例如见[12])。