一种无氧铜壳体和无氧铜盖板的激光封焊方法

摘要

本发明公开了一种无氧铜壳体和盖板的激光封焊方法，采用波长为515nm的绿光激光，在充满高纯氮气的手套箱内，选用脉冲或连续激光出光的输出模式，对采用锁底自对中接头的无氧铜壳体和盖板实施激光封焊。脉冲模式激光封焊的工艺参数为：激光脉冲峰值功率1200W～1400W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度5ms～7ms，脉冲重复频率5Hz～10Hz，焊接速度18mm/min～36mm/min，离焦量0mm～‑2mm。连续模式激光封焊的工艺参数为：激光功率700W～900W，焊接速度6000mm/min～8000mm/min。本发明的无氧铜外壳脉冲或连续激光封焊方法，均能获得稳定的焊接过程、有效的消除无氧铜外壳激光焊接焊缝处的飞溅和孔洞，所封装的微波组件无氧铜外壳具有焊缝外观美观、气密性高、可靠性高等众多优势。

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接方法，尤其涉及一种无氧铜壳体和无氧铜盖板的激光封焊方法。

背景技术

随着现代先进集成电路和微波技术的迅猛发展，电子器件和组件的封装质量对整机系统性能的影响程度不断增大。据统计，在目前限制微波器件性能的因素中，约30％的器件失效与封装有关。封装不仅对芯片具有机械支撑和环境保护的作用，使其避免大气中的水气、杂质和各种化学气氛的污染和侵蚀，从而使器件内部芯片能稳定地发挥正常的电气功能，而且对器件和电路的热性能乃至可靠性也起到重要作用。目前一个电路的封装成本已几乎与芯片的成本相当。

目前，用于电子器件和组件气密性封装的金属材料有可伐合金、碳钢、不锈钢、铝合金、铝硅合金、铜合金等。铜合金具有良好的导热、导电性以及比铝更低的热膨胀系数，且在厚度较薄时也不易变形，镀金等表面加工工艺也比较成熟，因此在没有重量要求的情况下，铜是作为封装外壳材料的最佳选择。而无氧铜是一种不含氧也不含任何脱氧剂残留的纯铜，其杂质总含量不大于0.05％，铜的纯度大于99.95％，较一般铜材有着更低的内阻，不易氧化，且加工性能、低温性能和耐腐蚀性均非常好，常被应用于散热要求较高、无严苛重量要求的组件封装外壳。

激光封焊由于具有焊接热影响区小、可靠性和密封性好、无接触、焊缝强度接近母材、对封口形状无要求等优点，已成为一种越来越重要的微波组件外壳密封形式。由于具有高热导率、室温下对红外波段的激光(如1064nm、1030nm)反射率极高(约98％)、熔点及沸点较高等特性，无氧铜壳体和盖板的红外激光封焊存在难以形成稳定熔池、熔深浅、易产生大颗粒飞溅和孔洞、热裂纹倾向性高、易受工件表面状态影响、焊接过程极不稳定、反射激光可能损伤激光器等问题，限制了无氧铜在微波组件外壳封装领域的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够获得稳定的焊接过程、有效的消除焊缝处的飞溅和孔洞的无氧铜壳体和无氧铜盖板的激光封焊方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无氧铜壳体和无氧铜盖板的激光封焊方法，采用绿光激光对无氧铜壳体和无氧铜盖板实施激光封焊。

作为上述技术方案的进一步改进：绿光激光的波长为515nm。

作为上述技术方案的进一步改进：采用脉冲激光输出模式对无氧铜壳体和无氧铜盖板实施激光封焊，其中激光脉冲峰值功率为1200W～1400W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度5ms～7ms，脉冲频率5Hz～10Hz，焊接速度18mm/min～36mm/min，离焦量0mm～-2mm；

或者，采用连续激光输出模式对无氧铜壳体和无氧铜盖板实施激光封焊，其中激光功率700W～900W，焊接速度6000mm/min～8000mm/min，离焦量0mm～-2mm。

作为上述技术方案的进一步改进：激光封焊方法包括步骤：

S1、焊前准备：对无氧铜壳体和无氧铜盖板进行清洗、干燥及除杂处理；

S2、视觉对位：采用视觉定位系统对无氧铜壳体和无氧铜盖板的接缝进行识别；

S3、激光点焊固定：对无氧铜壳体和无氧铜盖板的接缝各边进行激光点焊；

S4、激光封焊：对无氧铜壳体和无氧铜盖板的接缝进行激光密封焊接。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S1中，依次采用甲醇和异丙醇进行清洗，再采用无尘纸擦拭，最后用保护气体吹干。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S1中，采用真空烘烤进行除杂，其中烘烤温度为120℃～150℃，真空度为5Pa～10Pa，烘烤时间为3～5小时。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S3中，激光脉冲峰值功率1200W～1400W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度2ms～4ms，离焦量0mm～-2mm。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S3中，对无氧铜壳体和无氧铜盖板的接缝各边进行等距离多个点的激光点焊。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S4中，进行激光密封焊接时去除焊接时产生的烟尘；激光密封焊接完成后，将已密封焊接的无氧铜壳体和无氧铜盖板进行保护气体循环清洗，循环清洗次数不少于两次。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤S2至S4在手套箱内进行，手套箱内充满保护气体，水含量为10PPM以下，氧气含量为10PPM以下。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明公开的无氧铜外壳的激光封焊方法，采用绿光激光(优选绿光碟片激光器)对无氧铜壳体和无氧铜盖板的接缝进行焊接，相比于红外激光，室温下无氧铜对绿光激光的吸收率是红外激光的6～8倍，所以采用绿激光对无氧铜外壳实施激光封焊工艺时，可以获得更稳定的焊接过程、更少的飞溅、更光滑的焊缝表面、更连续稳定的熔深、更稳定的焊点直径等，所封装的无氧铜外壳具有焊缝外观美观、气密性高、可靠性高等众多优势，能保护微波组件内部的电路免受潮湿、酸雨和盐雾等各种苛刻环境条件的腐蚀和机械损伤，能长期保持微波组件高的可靠性和稳定性，可广泛应用于微波、传感器、动力电池等领域的器件和组件的密封性封装，拓展了无氧铜激光封焊工艺的应用范围。

2、本发明公开的无氧铜外壳的激光封焊方法，无论是采用脉冲模式的激光封焊工艺，还是采用连续模式的激光封焊工艺，均可实现微波组件无氧铜壳体的气密性激光封焊。

3、本发明公开的无氧铜外壳的激光封焊方法，分别对脉冲激光焊接工艺参数以及连续激光焊接工艺参数进行了优化，实现了无氧铜外壳的气密性封装，气密性封装后的无氧铜外壳的气密性满足要求。

附图说明

图1为本发明无氧铜壳体和无氧铜盖板的锁底自对中焊接接头的示意图。

图2为本发明无氧铜壳体和无氧铜盖板的激光封焊方法采用的预热保温波形的示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

本实施例中待激光封焊的无氧铜外壳为30mm×30mm，内腔体积约为3.7cm

上述无氧铜外壳的激光封焊方法，包括以下步骤：

(1)清洗：依次采用甲醇、异丙醇对无氧铜外壳进行浸泡，浸泡后用无尘纸将该无氧铜外壳内外擦拭干净以去除外壳表面的油污等，再用氮气(当然也可以是其他保护气体)吹干外壳。

(2)真空烘烤：将清洗后的无氧铜外壳置于真空烘箱内的加热板上，在温度为120℃下、真空度为5Pa的条件下，烘烤外壳4小时，去除外壳表面吸附的水氧等杂质。

(3)视觉对位：将真空烘烤后的无氧铜外壳置于手套箱内的工作台上，用工装夹具固定，手套箱内充满高纯氮气，且水、氧含量均为10PPM以下，根据激光焊接头上的旁轴CCD(旁轴视觉定位系统)所采集的视频信号，对无氧铜外壳和无氧铜盖板的接缝进行自动识别，实现激光焊接头和接缝的视觉对位，并空运行已绘制好的轨迹图形检测对位状态。

(4)激光点焊定位：根据外壳和盖板配合间隙的尺寸，选择激光聚焦镜的规格和焦点处激光光斑大小，设置激光点焊工艺参数，包括激光峰值功率、脉冲宽度、工作台运动速度等。本实施例中，激光聚焦镜的焦距为200mm，焦点处激光光斑大小为0.2mm，激光峰值功率为1250W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度为6.5ms，离焦量为-1mm。调用编写的激光工艺程序，运行根据外壳尺寸绘制的轨迹图形程序，在无氧铜壳体和盖板接缝的各条边上分别实施点焊，以固定无氧铜壳体和无氧铜盖板，每条边实施五等分点焊，以防止焊接过程中盖板的变形。

(5)激光封焊：根据外壳的材料、盖板厚度和配合间隙的宽度编写脉冲模式激光焊接工艺程序，包括激光峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率、离焦量、工作台运动速度、焊斑重叠率、焊接波形等参数的设置。本实施例中，激光峰值功率为1250W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度为6.5ms，脉冲频率为5Hz，离焦量为-1mm，工作台运动速度(即焊接速度)为18mm/min，焊斑重叠率为70％。参见图2，可知，该波首先预热工件以增加对激光的吸收率，随之以稳定的强度输入能量，最后缓慢降低能量以避免裂纹的产生。调用编写的激光工艺程序，并运行轨迹图形程序，进行外壳和盖板配合间隙处的密封性焊接，焊接的过程中开启吸烟尘装置。激光封焊完成后，将已密封焊接的无氧铜外壳放入过渡箱中，实施高纯氮气循环清洗2次后，工件从过渡箱中取出。

本实施例焊接的电镀镍、金无氧铜外壳的焊缝均匀，无飞溅、孔洞、裂纹等缺陷，采用氦质谱检漏仪测得漏气率小于3×10

密封焊接时，脉冲模式激光峰值功率采用1200W～1400W，脉冲宽度采用5ms～7ms，脉冲重复频率采用5Hz～10Hz，焊接速度采用18mm/min～36mm/min，离焦量采用0mm～-2mm均能达到相同或相似的焊接效果。

实施例二

本实施例中待激光封焊的无氧铜外壳为30mm×30mm，内腔体积约为3.4cm

上述无氧铜外壳的激光封焊方法，包括以下步骤：

(1)清洗：依次采用甲醇、异丙醇对无氧铜外壳进行浸泡，浸泡后用无尘纸将该无氧铜外壳内外擦拭干净以去除外壳表面的油污等，再用氮气(当然也可以是其他保护气体)吹干外壳。

(2)真空烘烤：将清洗后的无氧铜外壳置于真空烘箱内的加热板上，在温度为130℃下、真空度为10Pa的条件下，烘烤外壳4小时，去除外壳表面吸附的水氧等杂质。

(3)视觉对位：将真空烘烤后的无氧铜外壳置于手套箱内的工作台上，用工装夹具固定，手套箱内充满高纯氮气，且水、氧含量均为10PPM以下，根据激光焊接头上的旁轴CCD(旁轴视觉定位系统)所采集的视频信号，对无氧铜外壳和无氧铜盖板的接缝进行自动识别，实现激光焊接头和接缝的视觉对位，并空运行检测对位状态。

(4)激光点焊定位：根据外壳和盖板配合间隙的尺寸，选择激光聚焦镜的规格和焦点处激光光斑大小，设置激光点焊工艺参数，包括激光峰值功率、脉冲宽度、工作台运动速度等。本实施例中，激光聚焦镜的焦距为200mm，焦点处激光光斑大小为0.2mm，激光峰值功率为1300W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度为6.5ms，离焦量为-1mm。调用编写的激光工艺程序，运行根据外壳尺寸绘制的轨迹图形程序，在无氧铜外壳和盖板接缝的各条边上分别实施点焊，以固定无氧铜外壳和无氧铜盖板，每条边实施五等分点焊，以防止焊接过程中盖板的变形。

(5)激光封焊：根据外壳的材料、盖板厚度和配合间隙的宽度编写连续模式激光焊接工艺程序，包括激光功率、焊接速度、离焦量等参数的设置。本实施例中，激光功率为800W，焊接速度为6000mm/min，离焦量为-1mm。调用编写的激光工艺程序，并运行根据外壳尺寸绘制的轨迹图形程序，进行外壳和盖板配合间隙处的密封性焊接，焊接的过程中开启吸烟尘装置。激光封焊完成后，将已密封焊接的无氧铜外壳放入过渡箱中，实施高纯氮气循环清洗2次后，工件从过渡箱中取出。

本实施例焊接的电镀镍、金无氧铜外壳的焊缝均匀，无飞溅、孔洞、裂纹等缺陷，采用氦质谱检漏仪测得漏气率小于4×10

密封焊接时，连续模式激光功率采用700W～900W，焊接速度采用6000mm/min～8000mm/min，离焦量采用0mm～-2mm，均能达到相同或相似的焊接效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。