激光焊縫和包括激光焊縫的物品的制作方法

本實用新型涉及一種激光焊縫。激光焊縫可連接一種或多種反射材料。激光焊縫具有低歐姆電阻、高切變強度和高剝離強度。本實用新型還涉及一種包括激光焊縫的物品。

背景技術：

包括一種或多種反光金屬，如金、銅、鋁、鉑和銀，的工件中的激光焊縫通常不可靠和不牢固。包括不同材料物品中的激光焊縫通常在性質上硬脆且不合需。

需要一種光亮和/或異種金屬及合金之間的焊縫，其沒有可靠性問題，且本實用新型的目的就是提供這樣一種焊縫。

技術實現要素：

因此，在本實用新型的一個非限制實施例中，提供第一材料和第二材料間的焊縫，第一材料為第一金屬材料，且第二材料為第二金屬材料，焊縫具有在0.5和0.7mm之間的寬度，焊縫包括至少一個微焊縫，該至少一個微焊縫形成平行于焊縫表面定義的焊縫圖案，且微焊縫具有在20μm和100μm之間的特定特征尺寸。

本實用新型的焊縫在電子和電氣工程行業中具有重要應用。焊縫可用在物品，諸如舉例而言電池、太陽能電池、半導體封裝和電子電路印刷板中。

焊縫圖案可包括螺旋形式的線。

焊縫圖案可包括多條剖面線。剖面線可以是網格形式的。剖面線可形成矩形網格。剖面線可形成三角形網格。

第一材料和第二材料在焊縫中可保持基本不混合。“基本不混合”意味著，組合成單一共混合金相的第一材料和第二材料形成的金屬間內容物包括最多20％，且優選最多10％的焊縫的材料。第一材料和第二材料之間的界面上的金屬間內容物可足以獲得具有預定機械性能和歐姆電阻的接頭。第一材料和第二材料之間的界面上的金屬間內容物可以足夠少到避免如再結晶引起的脆化。

焊縫可基本不均一。焊縫可包括第一金屬材料和第二金屬材料的分立區。

第一材料在1微米光學波長下可具有大于90％的的反光率。

第一材料可具有高于第二材料的融化溫度。

微焊縫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。第一材料可具有頂面和底面。底面可比頂面距離第二材料更近。孔可在頂面具有一寬度，且在底面具有一寬度，其中在頂面的寬度比在底面的寬度更寬。孔可以是埋頭孔，且微焊縫可類似于鉚釘。

意料之外的是，焊縫提供連接光亮和異種金屬及合金的簡單解決方案，從而在焊縫形成的每一個接頭上產生一致且可預測的結果。無需與在不與第一材料基本混合，的情況下第二材料流入孔的設計安排，幫助防止金屬間物質的生成，且避免與金屬間物質有關相關聯的如脆性或薄弱焊縫的可靠性問題產生。微焊縫增長增大的表面積區提供更多的接觸區面積，反過來這進而會降低歐姆電阻。降低歐姆電阻是增加電池和太陽能板效率的重要考慮因素。可被連接的部件的例子包括：電池內的電連接，電池內例如銅至鋁的連接；柔性電路元件與薄剖面匯流排間的低輪廓(low profile)電連接；用于醫療電子設備的金屬外殼；如移動電話、膝上型計算機、電視機以及其他消費者電子設備等消費者電子設備中的電連接；金屬標簽與標記；以及珠寶中銀、鉑和金部件。

第一材料可包括選自由銅、鋁、鐵、鎳、錫、鈦、鎢、鉬、鈮、鉭和錸、銀、鉑、金、以及包括至少一種前述材料的合金組成的組的金屬。

第二材料可包括選自由銅、鋁、鐵、鎳、錫、鈦、鎢、鉬、鈮、鉭和錸、銀、鉑、金、以及包括至少一種前述材料的合金組成的組的金屬。

用于第一材料和第二材料的其他金屬也可以被采用。第一材料和第二材料可以相同或不同。

寬度可位于0.5mm和2.5mm之間。

特定特征尺寸可位于40μm和100μm之間。

本實用新型還提供了一種包括根據本實用新型的焊縫的物品。物品的例子為為智能手機電話、移動手機電話、手提電腦膝上型計算機、平板電腦計算機、電視機以及、其他消費型者電子設備；電池；太陽能電池；整體電路部件集成電路組件；印刷電路板；電氣連接；柔性電路元件與薄剖面匯流排間的低輪廓電連接；用于醫療電子設備的金屬外殼；和消費者電子設備的電氣連接；金屬標簽與標記；珠寶中的銀、鉑和金部件。

附圖說明

本實用新型的實施例現在將通過例子和參考附圖分別描述，其中：

圖1示出根據本實用新型的焊縫；

圖2示出連續螺旋形式的焊縫；

圖3示出矩形剖面線形式的焊縫；

圖4示出矩形剖面線形式的焊縫；

圖5示出三角形剖面線形式的焊縫；

圖6示出用于制造本實用新型的焊縫的激光系統；

圖7示出被激光在第一材料上切出的孔；

圖8示出已被激光熔融的第二材料；

圖9示出最終焊縫，其中熔融的第二材料已經流入通過激光形成在第一材料中的孔中；

圖10示出沒有穿透第一材料的孔；

圖11示出在孔下的熔融的第二材料；

圖12示出最終焊縫，其中熔融的第二材料已經流入通過激光形成在第一材料中的孔中；

圖13示出形成中的焊縫；

圖14示出在第二材料中具有第一材料區域的焊縫；

圖15示出銅和鋁之間形成的焊縫的例子；

圖16示出焊縫切變測試結果；以及

圖17示出由黃銅和銅形成的焊縫。

具體實施方式

根據本實用新型的焊縫現在將分別通過例子和參考圖1被描述。圖1示出第一材料1和第二材料2之間的焊縫3，第一材料1為第一金屬材料，且第二材料2為第二金屬材料，焊縫3具有在0.5mm和7mm之間的寬度4，焊縫包括至少一個微焊縫8，該至少一個微焊縫8形成平行于焊縫3的表面6定義的焊縫圖案5(被放大顯示)，而微焊縫8具有在30μm和400μm之間的特定特征尺寸7。

“平行于焊縫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，例如在焊縫熔池下。

圖1顯示的焊縫圖案5包括螺旋形式的多個微焊縫8。微焊縫8的特定特征尺寸7是微焊縫8的直徑。螺旋的臂9被第一間距10分隔。微焊縫8在螺旋的臂9內被第二間距11分隔。第二間隔11可以為50μm到450μm。優選地，第二間隔11在50μm和200μm之間。螺旋可以是圓形，或者可以被拉長，諸如賽道形式。其他圖案也可以被使用。

焊縫3可以是圖2示出的焊縫圖案20的形式，焊縫圖案20包括螺旋形式的單一微焊縫21。微焊縫21的特定特征尺寸為微焊縫8的寬度。螺旋的臂9被第一間距10分隔。

焊縫圖案5可包括如圖3和4中顯示的多個剖面線31，每一條剖面線包括至少一個微焊縫8。微焊縫8的特定特征尺寸7為微焊縫8的寬度。剖面線31為矩形網格的形式，個體剖面線31被第一間距10或第三間距32分隔。剖面線31也可以形成為如參考圖5所示的三角網格。

圖1到5中的第一間距10可在20μm到2000μm范圍內。第一間距10可在50μm到500μm范圍內。優選地，第一間距10在50μm到250μm范圍內。更優選地，第一間距10在50μm到125μm范圍內。

圖3到5中的第三間距32可在20μm到2000μm范圍內。第三間距32可在50μm到500μm范圍內。優選地，第三間距32在50μm到250μm范圍內。更優選地，第三間距32在50μm到125μm范圍內。

焊縫3可以使用圖6所示的設備制作。該設備包括激光器61，該激光器通過光束傳導線纜60被耦合到激光掃描器67。激光束62由物鏡86聚焦到表面6上。

激光器61可以是光纖激光器、棒狀固體激光器、片狀固體激光器或氣體激光器，如二氧化碳激光器。激光器61可以是飛秒納秒激光器。激光器61優選的可以是稀土摻雜飛秒納秒脈沖纖維光纖激光器，如摻鐿光纖激光器、摻餌(或摻鐿餌)光纖激光器、摻鈥光纖激光器或摻銩光纖激光器。這些激光器分別發射1μm、1.5μm、2μm和2μm波長窗口內的激光分別為1μm、1.5μm、2μm和2μm波長窗口。一個微秒納秒脈沖激光器，意味著的意思是該激光器以發射具有1ns-到1000ns范圍內的脈沖寬度發射的脈沖。這些激光器也可以能夠發射短更短的脈沖、長更長的脈沖，并且也可以能夠發射連續波輻射。這些激光器區別于現有技術的傳統上用于制造焊縫的微秒激光器，這些激光器常用于制造焊縫。微秒激光器通常通過發射單脈沖形成焊縫，且與本實用新型的焊縫3相比，由微秒激光器形成的焊縫具有與本實用新型的焊縫3極為不同的視覺外形。驚喜意料之外的是，本實用新型的焊縫3可用在反光金屬中形成，并且即使在使用不相似的高反光率金屬時，通過含更少能量的更短的脈沖，焊縫3卻極其堅固。可以相信，這是因為個體微焊縫8中第一材料1或第二材料2的至少一種在各脈沖之間極快地冷卻，且因此沒有足夠時間形成金屬間物質。

如圖7到9中所示，第一材料1和第二材料2可基本不在微焊縫8處混合。圖7示出已用激光器61形成的孔71。圖8顯示已經被激光熔融的熔融第二材料81。圖8顯示在熔融第二材料81流入孔71并再次凝固后形成的微焊縫8。這種流動由于毛細作用或Marangoni效應而發生，其是由于表面張力梯度沿兩個流體之間的界面的質量遷移。在取決于溫度的情況下，這種現象可被稱為熱-毛細對流(或Bénard-Marangoni對流)。

參考圖7到9示出的焊縫3具有頂面72和底面73。孔71在頂面72上具有寬度74，其比底面73處的寬度75更寬。重要的是，這種安排能增加微焊縫8的剝離強度。孔71為埋頭孔且微焊縫8類似鉚釘。寬度74可小于200μm。寬度74可小于50μm。寬度74可小于20μm。

孔71在初次形成時可以不穿透第一材料1。這參考圖10示出。可通過確保脈沖中的能量不足以提高第一材料的蒸汽壓壓強的水平到孔71能夠穿透到第一材料1的底面73的水平，而形成這樣的孔71。這可通過選擇激光器61完成，以使得該激光器能夠傳遞低激光更低能量的脈沖，如具有更低峰值功率，或小于20ns的脈沖寬度的脈沖，來實現。可使用掃描器67在第一材料1上掃描激光束2，以獲得特定預定形狀的孔71。對于高反光率材料(例如在1μm波長處反光率大于約60％的反光率)，可以優先有利地使用皮秒激光器(發射脈沖的具有脈沖寬度在1ps-和1000ps之間的脈沖寬度的激光器)。圖11示出已經被激光器61熔融的熔融第二材料81。激光器可以被脈沖化，從而以使得孔71可以穿透至第二材料73，從而允許第二材料2的至少一部分流入孔71，如參考圖12所示。第一材料1的至少一部分可被注入到第二材料2中，如圖12中的所得到的微焊縫8的區121所示。至少一個空隙122也可出現在第二材料2中。空隙122可幫助第二材料2藉由蒸汽壓流動穿過孔71。

圖13和14示出用激光器形成的微焊縫8，該激光器具有足夠的峰值功率來克服第一材料的反光，和足夠的能量使得第一材料1的快速加熱產生的蒸汽壓引起第一材料1的至少一部分被注射入孔71或從孔71中射出。這通過注入形成在第二材料2上的匙孔133的材料131，以及從孔71中射出的材料132示出。材料131和132可以是氣態、液態、固態或至少兩種前述材料形態。熔融第二材料81隨后可流入孔71，如參考圖14所示。第一材料1的區121和空隙122可出現在微焊縫8中。

參考圖1到5所示的微焊縫可以為參考圖9、12至14所示的微焊縫中的一個或多個。

微焊縫8可以是基本不均勻的。與現有技術的焊縫不同，微焊縫8基本不混合。“基本不混合”的意思是在單一共混合金相中結合的第一材料1和第二材料2形成的金屬間內容物包括最多20％，且優選最多10％的微焊縫8的材料。第一材料1和第二材料2間界面處的金屬間內容物可足夠多到實現具有預定機械屬性和歐姆電阻的接頭。第一材料1和第二材料2間界面處的金屬間內容物的量足夠少到避免如再結晶引起的脆化。有利地，這避免了脆性或薄弱焊縫問題，這些問題由異種金屬間形成焊縫時可產生的金屬間物質引起。結果是能夠連接光亮和異種金屬與合金的焊縫3，從而在每個焊縫上帶來均一且可預測的結果。在不與第一材料1基本混合的情況下第二材料2流入孔71的安排幫助防止金屬間物質的生成，且避免與金屬間物質相關聯的如脆性或薄弱焊縫的可靠性問題產生。微焊縫8增大的表面積提供更多的接觸面積，這進而減小歐姆電阻。減小歐姆電阻是增加電池和太陽能板效率的重要考慮因素。

第一材料1可具有比第二材料2更高的熔融溫度。這使得第一材料1能夠先于第二材料2再凝固，并且使第二材料2能夠流動，而不引起與第一材料1的基本混合。為優化微焊縫8的性能，激光器61的參數，如脈沖寬度、脈沖重復頻率、脈沖能量和峰值功率可被調整。第一材料1可具有比第二材料2的熔融溫度高至少50％的熔融溫度。

第一材料1在1微米光學波長可具有大于90％的反光率。

參考圖1到5和圖7到14，第一材料1可包括選自由銅、鋁、鐵、鎳、錫、鈦、鎢、鉬、鈮、鉭和錸、銀、鉑、金、以及包括至少一種前述材料的合金組成的組的金屬。第二材料2可包括選自由銅、鋁、鐵、鎳、錫、鈦、鎢、鉬、鈮、能鉭和錸、銀、鉑、金、以及包括至少一種前述材料的合金組成的組的金屬。也可采用其他用于第一材料1和第二材料2的金屬。第一材料1和第二材料2可以相同或不同。

意料之外的是，光亮和異種金屬與合金間的焊縫3具有一致且可預測的質量。在不與第一材料1基本混合的情況下第二材料2流入孔71的安排幫助防止金屬間物質的生成，且避免與金屬間物質相關聯的如脆性或薄弱焊縫的可靠性問題產生。焊縫3增大的表面積提供更多的接觸面積，者進而減小歐姆電阻。減小歐姆電阻是增加電池和太陽能板效率的重要考慮因素。

本實用新型還提供了一種包括至少一個根據本實用新型焊縫3的物品。物品的例子是智能電話、移動電話、膝上型計算機、平板計算機、電視機以及其他消費者電子設備；電池；太陽能電池；整體電路組件；印刷電路板；電池內的電氣連接，例如銅至鋁的連接；柔性電路元件與薄剖面匯流排間的低輪廓面電連接；用于醫療電子設備的金屬外殼；和消費者電子設備的電連接；金屬標簽與標記；珠寶中銀、鉑和金部件。

下面提供一個例子，其中激光器為納秒摻鐿光纖激光器，型號為SPI G470EP-Z，由英格蘭南安普頓SPI激光器英國有限公司制造。激光器61是主振蕩器功率放大器，其對激光參數具有極好的控制，所述激光參數包括峰值功率、平均功率、脈沖形狀、脈沖能量、脈沖寬度和脈沖重復頻率。掃描器67為德國慕尼黑Raylase制造的振鏡掃描器型Super Scan II，其具有10mm的光束光圈(未顯示)。它可用控制器(未顯示)控制，控制器如為具有Windows 8操作系統的臺式計算機，其上德國慕尼黑SCAPS GmbH授權SCAPS掃描器應用軟件。這可用來編程、操作和存儲用于操縱激光束62的代碼。透鏡68是163mm焦距的平場聚焦透鏡。

上述設備可用來形成并傳導激光束62至第一材料1的頂面72之上，焦點具有40μm的1/e²直徑和1.256×10^-5cm²的面積。

例1

圖15顯示藝術處理的焊縫150的橫截面，焊縫150形成于厚度151為100μm的銅和厚度152為400μm的鋁之間。焊縫150為螺旋型，如圖2所示，螺旋臂之間的第一間隔10為50μm，直徑4為1mm。孔71的寬度74約為5μm至20μm。焊縫使用來自激光器61的多脈沖形成，脈沖以95％-98％的面積相互重疊在第一材料1上。激光器61切開第一材料1銅，第二材料2(鋁)流入孔71。至少一部分第一材料1被注入第二材料2內，如包括第一材料1的區121所見。區121延伸大約300μm-400μm至第二材料2內。空隙122也出現。如虛線所示的類三角形的熱影響區155，出現在孔71之下。出于清楚考慮僅顯示一個熱影響區155。熱影響區155就像一個熱熔柱，將熱塑性部件焊接到一起時經常可見。

焊縫具有良好的切變強度，通過切變測試可見。圖16表示如圖15所示的焊縫3切變時的三種缺陷類型。第一材料1在焊縫3外斷裂，而沒有穿過焊縫3，因此證明焊縫3的強度高于周圍材料。這是一種不希望的結果，表明不形成典型硬脆金屬間化合物而使第二材料2流入孔3的重要性。

焊縫150具有令人驚奇的高切變強度和優異的歐姆電阻。這使得焊接工藝適合銅帶連接鋁板，如圖15所示，其中焊縫3提供鋁和銅之間的電接觸。

另外的剝離強度通過提高如圖12所示的孔71的埋頭孔獲得。

例2

圖17顯示藝術處理的第一材料1銅和第二材料2黃銅之間形成的焊縫170橫截面。焊縫170也可形成為如圖13所示焊縫的類螺旋型。令人驚奇的，黃銅已經流入銅材料中，已形成具有非常少量金屬間化合物混合的焊縫170。焊縫170基本不均一。(漏句)銅和黃銅產生流動，但沒有混合到一起形成新的均勻材料相。銅和黃銅的材料相大部分未混合，銅和黃銅都為原始材料相。尤其驚奇的是，黃銅是銅和鋅的合金。在第二材料2內具有一些第一材料1。這些也是空隙122。焊縫170形成的最終接頭具有良好的切變強度。

可以理解，參考附圖和例子上述本實用新型的實施例僅通過例子給出，修改可以達到目的。圖中所示的各部件和例子中所示的各個數值可用在其他附圖和其他例子以及本實用新型的所有方面。