激光缝焊 (laser seam welding) 是金属气密封装(hermetic package) 的主要封盖工艺之一：聚焦的脉冲激光沿盖板(lid) 与壳体(housing) 的接缝逐点熔化金属，前后焊点 (spot weld) 相互重叠，连成一圈连续、致密的气密焊缝。本文从功率密度(power density) 与焊接模式、脉冲重叠率(overlap)、接头设计(joint design)、材料与脉冲波形整形(pulse shaping) 几个方面讲清其工作原理，并介绍工艺流程与质量控制要点。

激光缝焊 (laser seam welding) 是一种非接触(non-contact) 熔焊工艺：聚焦激光照射盖板(lid) 与壳体(housing) 的接缝，金属吸收光能后局部熔化、凝固成焊缝，光束沿外壳周边移动一圈即完成密封。常用光源为脉冲Nd:YAG 激光(pulsed Nd:YAG laser)、准连续光纤激光(QCW fiber laser) 和连续光纤激光(CW fiber laser)，波长多为1060–1070 nm，脉冲宽度(pulse width) 一般为几毫秒。

与平行缝焊 (parallel seam welding) 相比，激光缝焊(laser seam welding) 无需电极接触，能焊铝、铜，也适用于异形外壳和需要把内部隔墙与盖板(lid) 焊合的射频(RF) 模块（表1）。

表1  激光缝焊 (laser seam welding) 与平行缝焊 (parallel seam welding) 对比

决定熔深的关键是光斑内的峰值功率密度 (power density)。约0.5 MW/cm² 时为热传导焊(conduction mode)，热量从表面向下传导，熔池(melt pool) 宽而浅；约1 MW/cm² 时进入过渡模式(transition mode)，深宽比(aspect ratio) 约为1，脉冲Nd:YAG 缝焊多工作于此；超过约1.5 MW/cm² 后金属强烈汽化，蒸气压力撑开小孔(keyhole)，进入深熔焊(keyhole mode)，深宽比(aspect ratio) 大于1.5（图 1）。

 图1  激光焊接的三种模式

自左至右：热传导焊 (conduction mode)、过渡模式(transition mode)、深熔焊(keyhole mode)；下排为对应焊缝截面。

热传导焊 (conduction mode) 熔池(melt pool) 平稳、焊缝宽，能容忍装配偏差，适合热敏感的电子封装；深熔焊(keyhole mode) 速度快、热输入(heat input) 低，但小孔(keyhole) 塌陷时易留下气孔(porosity)。

每个激光脉冲在接缝上形成一个圆形焊点 (spot weld)，光束移动时，后一个焊点(spot weld) 覆盖前一个的大部分，逐点叠连成连续焊缝。设焊接速度为v、重复频率(repetition rate) 为f、焊点直径为d，则点距s = v/f，重叠率(overlap) 约为O = 1 − v/(f·d)。气密焊缝一般要求重叠率(overlap) 为75%–90%，不足时相邻焊点(spot weld) 之间会留下皮下漏孔。例如一项6061-T6 铝合金缝焊研究采用5 Hz、0.3 mm/s，点距仅0.06 mm，重叠率(overlap) 约87%。

封装常用四种接头：搭接 (lap)、角接(fillet)、侧面对接(side butt) 和嵌入式对接(recessed butt)（图 2）。搭接(lap) 最简单，但激光须熔透盖板(lid)：界面处铁基合金盖板厚度不宜超过0.02 in（约0.5 mm），铝盖板(lid) 约0.25 mm。对接 (butt) 时光束沿盖板(lid) 与壳体(housing) 的界面熔透，单位功率获得的强度最高、气密性最好，但对准容差收紧到±0.002–0.003 in。各类接头焊接面间隙都不应超过0.002 in（50 µm）。

图2  四种封装接头形式 (joint design) 及其工艺要求

各列依次为：接头形式、界面处盖板 (lid) 最大厚度、激光对准容差、最少运动轴数。

搭接 (lap) 焊缝的熔池(melt pool) 必须穿透上层并熔入下层基体，图3 中熔池(melt pool) 宽而浅，已跨过两层之间的界面。

图3  脉冲 Nd:YAG 激光热传导焊 (conduction mode) 的焊缝截面

光电子封装多用可伐合金 (Kovar)、因瓦合金(Invar) 和304L 不锈钢(stainless steel)，航空航天封装多用铝合金(aluminum alloy)。6061 铝合金自焊易出现微裂纹，常用6061 壳体(housing) 配4047 或4043 盖板 (lid)，借助较高的硅含量改善焊接性。镀层方面，电解镍一般为5–8 µm，金层每面应小于0.75 µm，过厚会使焊缝开裂；铝件焊接区不应有镀层，且须在焊前去除氧化膜(oxide film)。更换材料供应商也可能引起焊缝中心开裂。

脉冲波形整形 (pulse shaping) 是让功率在一个脉冲内按设定曲线变化：前沿缓升(ramp-up) 减轻热冲击和飞溅(spatter)，后沿缓降(ramp-down) 让熔池(melt pool) 缓慢冷却。铝合金凝固区间宽，矩形脉冲(rectangular pulse) 熄光后熔池(melt pool) 骤冷，易产生凝固裂纹 (solidification cracking) 和热影响区(HAZ) 液化裂纹(liquation cracking)。对6061-T6 铝合金研究，发现缓降(ramp-down) 梯度约100 kW/s 时可获得无裂纹焊缝，但梯度过小（36 kW/s）时溶质偏析(microsegregation) 加剧，裂纹会重新出现。对不锈钢，缓降(ramp-down) 脉冲还能让气体逸出，避免焊缝底部形成气孔(porosity)（图4）。

图4  不锈钢缝焊截面：标准小孔焊（左）与脉冲波形整形 (pulse shaping)（右）

最左为缓降 (ramp-down) 脉冲波形示意；左边 焊缝下部有大气孔(porosity)，右边气孔(porosity) 消除。

1. 清洗与烘烤：零件经超声、乙醇和去离子水清洗后，送入手套箱 (glove box) 烘烤除湿。

2. 装夹与定位焊：工装 (tooling) 压紧盖板(lid)，先在周边焊几个定位焊点(tack weld)，再撤去工装。

3. 连续缝焊：在氮气、氩气或氩氦混合气氛中焊满整圈，腔内气压通常约 1 bar。

4. 检验：氦质谱细检漏 (fine leak test) 与粗检漏(gross leak test)，并抽样做金相剖面(cross-section)。

激光缝焊 (laser seam welding) 热输入(heat input) 较低，但拐角是热管理的难点：平台在拐角减速，若仍按固定频率出光，即时间触发(time-based firing)，焊点(spot weld) 会堆积、局部过热，可能损伤内部元件；位置触发(position-based firing) 按固定间距出光，可保持一致的重叠率(overlap) 和热输入(heat input)（图5）。此外，可用铜冷却板(chill plate)（必要时水冷）带走热量；金属层与氧化铝(alumina) 陶瓷粘接的底座，金属层厚度应不小于 1.5 mm，以防陶瓷开裂。

 图5  位置触发 (position-based firing) 对拐角焊点重叠的影响

下左：直线段焊点均匀重叠；下中：时间触发 (time-based firing)，拐角焊点堆积过热；下右：位置触发(position-based firing)，重叠均匀。

激光缝焊 (laser seam welding) 的原理可以概括为三点：功率密度(power density) 决定每个焊点(spot weld) 熔得多深，重叠率(overlap) 决定焊点能否连成气密焊缝，接头设计(joint design)、材料与脉冲波形整形(pulse shaping) 决定焊缝能否避免裂纹和气孔(porosity)。