不仅限于半导体领域的高质量焊线

当导线需要高电流，而传统的超声焊线达到它的极限时，激光焊线，这种最新技术，加上振荡焊接工艺，有助于此焊线要求。它非常适用于较大的连接体截面，同时保留了传统焊线的灵活性和自动化的优势和潜力。

功率器件在面对封装技术的新挑战时，不得不具有处理更大电流的能力。在半导体领域，目前最重要的技术莫过于粗铝丝的焊线。在这里，一条直径为500微米的铝丝在超声焊线技术作用下能直接焊接到半导体器件的表面，然后引线至封装器件的第二个焊接处使其产生导通。该封装可以是单体(比如所谓的引线框架)或者也可以是较大的模块，如在陶瓷衬底上的功率模块中，顶部具有厚铜层(直接 铜键，DCB)。平均20mm长度的粗铝丝能够承受35A的熔断电流。出于目前功率模块的高电流负载的考虑，利用多条焊丝平行焊接在于各器件表上，以此来增加更高电流负载的需求。

优势与挑战

超声波焊线具有三个主要的优势：

1) 焊接具有优良的可靠性和寿命

2) 具有非常高的灵活性因为焊接位置和距离可自定义

3) 具有成本效益

但是，有两个影响超声焊线技术的因素必须要考虑到：首先是焊接表面需要非常干净并且能反复焊接。同时，焊线区域需要坚固和稳定。在粗铝丝的焊接过程中，较强的超声波能量释放使得焊接表面较难的被稳定住，在此，越粗的焊丝所需要的焊接压力和能量也越大。在相关的焊接因素的同时作用下，这对约500μm线径设定了实际限制。但是较粗的焊丝会对一些敏感的焊接表面形成一定的损坏。

尽管如此，利用超声波焊线技术的高功率器件已经发展了好几年了。目前不同之处在于已经用2 X 0.2 mm 的铝带代替了传统的铝线。例如一条铝带就能代替3条直径500微米的铝线。它最主要运用的领域是汽车电子，尤其是电子汽车行业

超声波焊线技术：能较好的应用于电池模块

超声波焊线技术另一个应用是在新能源汽车电池模组的封装上。基于特殊模具设计，一节节电池被大量的安装在特制的模具中形成一个很大的电池模组，并通过超声波焊线技术使单独的电池串联起来。目前，该行业主流选用的是代号为18650锂离子电池同时也是超声波焊线效果较好的一种电池。在这里，它的优势在于能连续不断的将大量的电池通过很简单的自动化方法有效的整合在一起，这就是为什么特斯拉公司把超声波焊线作为他们电池模块生产的主要技术。

即便如此，超声波焊线正在步入可控电流的极限。消费类电池例如18650通常被设计为负载电流在20安培以下，利用单根焊线将电池和外部电路串联起来。同样各个电池也是通过单根焊线实现内部导通，这样的话它不能够承受很大的电流负载。此外，更新一代的电池模块的研发是通过平行的焊接多跟焊线在单个电池和外部电路之间来提升电流负载至45安培。另一种选择就是我们之前有提到过的铝带焊接，但是这项技术不是十分的可行。一方面，铝带的成本比较贵，另一方面，铝带的焊接工艺对电池模块的夹紧强度要求更高，以维持更高的超声能量输入。

激光焊接技术：是对超声波焊线的完美补充

激光焊接是焊线技术的另外一种选择，它对传统的超声波焊接有以下几个技术上的优势：

不需要对焊接表面有高质量的要求，在焊线过程中不需要非常强的夹紧压力。甚至，能焊接横截面非常大的导通材料，以此来满足高电流负载的需求。最后，它对于焊接材料的低要求能降低更多的材料成本。

但是相比传统的超声波焊线技术，它同样存在一些缺点，尤其体现在较复杂的自动化焊线的情况下。超声波焊线(铝线或者铝带)是通过一个线轴不断的送线至焊头的劈刀上，通过焊头的精确走位将焊线焊接在定义位置或者定义方向上(也通过图案识别系统进行公差补偿)，最后根据客户自定义来切割焊线的线尾长度。而激光焊接就比较复杂了，一个预制的连接元件必须定位在接触点上，并保持在那里等待激光焊接的实施。因此，这个连接原件不得不单独作为一个部分的处理，并且在激光束发射前进行精确的焊接定位。

另外，这个连接元件必须根据焊线的尺寸进行特殊的加工，通常像一个冲压部件。在自动焊线过程中，接触位置的高度和偏差变量会产生大量额外的工作。

一个显著的组合：激光焊线

两个世界中最好的 - 激光焊接和引线接合 - 是一个明显的组合，现在已经用新开发的激光焊接机实现。 在由德国联邦教育和研究部(BMBF)支持的一项名为RoBE(电子汽车焊接中的稳健性)的联合研究项目中，“LaserBonder”由慕尼黑的F&K Delvotec Bondtechnik，和在亚琛的Fraunhofer ILT与奥迪(Audi)，大陆(Continental)和英飞凌(Infineon)合作开发，建造并引入市场。

激光焊线主要有两部分构成：一部分是F&K Delvotec生产的标准超声波焊线机，另一部分是具有500W功率和1070纳米光波波段发射器。激光束通过连接到检流计扫描器的光纤被带入键合头。利用可变焦的光学镜片将激光束非常清晰的聚集在直径为35微米的射线上。该光学系统能够将聚焦的激光束移动到正好在键合工具(劈刀)前面的键合带上。焊接所配备的劈刀也进行了相应的改进，能更有效的将焊线焊接到材料表面上。焊头上的其余部分没有任何改变，包括焊头前端的导线器和切刀等。

铝线和铜线的应用

对于激光焊线来说，铝带由于它的矩形横截面的特点，比铝线更具有稳定的焊接面。铝线广泛的运用在超声波焊线领域中，比起铜线工艺更简单。而铜线具有较好的传导性，但是很难运用在电池模块的焊接上。目前的超声波焊接技术还是很大的限制了铝带的尺寸，最大尺寸接近于2 X 0.3 mm (图2)。但是大尺寸的铝带对于激光焊线来说不是什么挑战了，但是目前该技术的一些细节部分正在改进中。

总体来说，激光焊线选用铜带为焊接材料的话会比铝带难焊接。这是因为在1μm波长处，铜具有非常差的，甚至更差的吸收性能。如果选用绿激光的话效果就会好的多，但是价格非常昂贵。作为代替品，Fraunhofer ILT公司改良出一个非常细小的聚焦镜片。通过这块镜片产生了极高密度的能量实际上蒸发了铜，而不是融化了它，铜蒸气吸收红外线辐射要好得多。

激光焊线技术将深熔焊接代替了传统的热传导焊接，通过内部多重反射产生极深和极高的焊接圈(图3)由于这种行为，它也被称为钥匙孔焊接。通过使激光束不仅沿着焊缝直线移动，可以避免由于窄的焊缝而产生的小的连接面积的副作用，而形成不理想的高过渡电阻。相反，检流计扫描器使光束圆形地振荡，叠加在线性运动上。其结果是产生一个焊接深度和焊缝宽度都可以很大程度上的独立控制的焊缝，并且能在一个较差的焊接表面上焊接深较浅但宽的一致焊点。

高电流携带能力以及低焊接穿透深度

图4和图5展示了焊缝的机械强度和它的几何宽度可以被前进速度和振荡幅度所控制。在优化的条件下，它们可以被增加一倍以上，而不增加处理时间和能量输入。因此，这也是有吸引力的，因为焊接区的冶金性能强烈地依赖于它所暴露的热负荷。因此，激光焊接允许创建一个几乎任何大小的连接接口(和相应的高电流承载能力)，同时保持低的焊缝穿透深度。这种方法对电池是非常有吸引力的。18650类型的小电池，正极是一个帽状冲压金属盘，不需使用较大的压力就能使铜带可以被焊接在它中间，所以不会使金属片变形(图6)。

第二焊点到电池的负极会更加有利。负极是由250-300微米左右薄的金属板制成，如果它是通过焊接步骤渗透，由于输入过多的热量，其中会有相当大的风险。任何不受控制的热量输入都会降低电池寿命。这是一个方面，激光焊接是非常有利的。它甚至可以焊接在电池的卷边上，紧挨着正极。在电池顶部有两个连接，使电池的整个剩余部分不需要再连接引线，提供两个优点：制造简单，因为无需翻转电池组件，并且有更多的空间可用于电池的热管理，再则有助于增加电池寿命。

长期目标：半导体应用

对于其中采用大得多的电流并且具有专用接触块的较大的棱柱形电池单元，需要甚至更大的铝/铜带。 在由联邦经济和能源部(BMWi)资助的联合研究项目FlexJoin框架内，已经开始了针对宽度为10毫米和厚度为1毫米的带材的开发的第一步。有一些进一步的潜在应用已初具规模。激光焊接对表面质量要求比较低使得铝带可直接被焊接到压铸的铝外壳上，无需额外表面处理。这是非常完美的对类似于发动机和发电机上的PCB到外壳的接地连接，因为这些无缝管体的寿命是非常之长的。这些目前都是既昂贵而且不容易实现的。

激光焊接的长远方向是放在半导体焊接上。今天，焊接深度和热输入能量仍然很高，即使有厚的铜缓冲层，也会造成破坏半导体的高风险. 第一次尝试用新工艺方法看起来非常有前途并且在未来几年里会有快速的发展。