Световой поток оптического квантового генератора (ОКГ) — электромагнитное излучение высокой интенсивности. В лазерах, применяемых для технологических целей, диапазон длины волн составляет обычно 0,4—10,6 мкм.

Нагрев лазером особенно эффективен при пайке материалов, обладающих высокой чувствительностью к перегреву. Важнейшие его преимущества — локальный концентрированный нагрев и точ­ное дозирование тепловой энергии.

При лазерной пайке происходит локальный равномерный на­грев припоя без перегрева. Скорость нагрева паяемого материа­ла достигает Ю10 °С/с, скорость охлаждения после пайки — 106 °С/с при градиенте температуры 106 °С/см, что обеспечивает минимальное нарушение состояния основного материала рядом с паяным швом и высокую степень неравновесности структуры шва. В этих условиях в шве образуется частично или полностью аморфная структура твердых растворов. Все это способствует повышению механических свойств паяного соединения [57].

При пайке фокус светового потока располагается несколько выше места соединения. При этом формируется кольцевая зона с более высокой концентрацией энергии, что позволяет интенсивно нагревать паяемый участок, сохраняя изделие достаточно холод­ным (Пат. 53-10937 Япония, МКИ3 кл. 12 В2/В 23 К 3/00).

Лазерная установка (рис. 42) состоит из источника лазерной энергии, двух конденсаторных линз, световода и цилиндра, ог­раничивающего площадь нагрева. Например, антенный провод паяется к пластине прибора по следующей схеме: на пластину 2 кладут провод <?, с двух сторон от него по кусочку припоя 1 на при­пой и провод ставят ограничивающий цилиндр 4. Лазерный луч из источника 8 проходит первую конденсационную линзу 7 и уменьшается в диаметре до диаметра стекловолокна 6. Пройдя по стекловолокну и изменив направление на 90 °, лазерный луч проходит через вторую конденсационную линзу 5, увеличиваю­щую его диаметр до внутреннего диаметра ограничивающего цилиндра (Заявка 58-110172 Япония, МКИ3 В 23 К 3/04, В 23 К

26/00).

При пайке конструк­ционно сложных изделий используют устройства, в которых луч лазера после выхода из генератора с по­мощью составной линзы разделяется на несколько лучей, каждый из которых по стекловолокну 6 пода­ется на свою фокусирую­щую линзу и фокусируется ею на припой и слой флю­са, уложенные предвари­тельно на плоском зажиме

Рис. 42. Схема пайки провода лазер
ным лучом

(Заявка 58-205675 Япония, МКИ3 В 23 К 3/04, В 23 К 26/00). Преимущество лазерного излучения состоит в возможности легкой его фокусировки простыми оптическими схемами. Лазерное излучение проникает сквозь прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) и может быть непосредственно направлено к месту пайки изделия, находящегося в изолированном, например стеклянном, конвейере, наполненном аргоном, или вакуумированном до требуе­мой степени остаточного давления. Наиболее целесообразна пайка лазером разнотолщинных деталей при соотношении толщин 1:50 и более, особенно если массивная деталь изготовлена из более легкоплавкого металла.

Существенным недостатком этого способа является нестабиль­ность выходных энергетических характеристик лазера, обуслов­ленная пространственной и временной неоднородностью лазерного излучения. Это связано с тем, что генерация излучения про­исходит не по всему сечению кристалла, а в отдельных его участках и вызывает появление в зоне нагрева так называемой мозаичной структуры и резкой неравномерности распределения температуры в пятне. Для управления интенсивностью лазерного излучения из­меняют длительность воздействия, площадь пятна нагрева (фокального пятна), выходную энергию.

Для лазерной пайки используют мягкий нагрев путем увеличе­ния длительности излучения при постоянной энергии или измене­ния энергии в фокальном пятне. Удовлетворительные результаты получены при пайке импульсами с малой частотой повторений ла­зера в режиме ТЕМ-мод с расфокусированным лучом, наведен­ным на предварительно нанесенный припой [57].

Применение Nd-лазера более рационально, чем СО-лазера, из-за меньшей длины световой волны, что упрощает фокусиро­вание светового луча. Лазерная техника в сочетании с микро­процессорами позволяет автоматизировать процесс пайки, улуч­шить качество соединения и снизить себестоимость продукции.

При низкотемпературной пайке лазером детали, подлежащие пайке, предварительно нагревают, например на плите. Темпера­тура нагрева детали близка к температуре плавления припоя. Ла­зерный луч фокусируется только в участках размещения припоя. При этом экономится энергия основного источника, так как она расходуется только на расплавление припоя: снижается мощность источника, предотвращается тепловое повреждение паяемого ма­териала (Заявка 54-2983 Япония, МКИ3 кл. 13(7) Д61/23С 13/С4).

Преимущества пайки лазером проявляются при пайке малых деталей, когда необходим кратковременный нагрев, точное пози­ционирование, локальный подвод теплоты, или в случае трудно- доступности места пайки. Область применения—очень мелкие конденсаторы, элементы печатных плат, бумажные конденсаторы, токопроводящие пластины, токоприемники на цоколе лампы, соединения контактов интегральных схем и др.

Исследована возможность лазерной пайки следующих спла­вов: коррозионно-стойких сталей, углеродистой стали, никелевых и медных сплавов (монеля, ковара), алюминия, чугуна, молиб­дена, титана и др. при толщине материала 0,025—0,31 мм с использованием стандартных припоев: серебряных типа ПСр 40, ПСр 45, ПСр 72, припоев систем Ag — Си — Sn, Ni — 7 %Cr — 3,2 % В — 4,5 % Si — 3 % Fe, меди Ml, Au — 18 % Ni, A1 — 7 % Si (в виде порошка или фольги). Для пайки использованы Nd-yaG-пульсирующие лазеры с длиной волны 1,06 мм, мощ­ностью 50—400 Вт, с пульсацией 1—200 пульс/с. Диаметр рас­фокусированного пятна 0,05—3 мм. Плотность энергии при пайке порядка 6,79—28,30 * 104 Дж/м3. Толщина паяемого материала 0,025—0,31 мм.

Пайка лазером — дорогой способ. Тем не менее чрезвычайно высокая скорость нагрева и возможность управления процессом посредством компьютера делают его применение при пайке боль­шого числа идентичных мелких деталей весьма перспективным. Лазерная пайка выполняется под микроскопом в чрезвычайно тонком поперечном сечении. Наиболее удобно использовать этот способ в вакууме или в защитных и инертных атмосферах или активных газах в смеси с аргоном или гелием. Применение флю­сов и легкоиспаряющихся связок паст нежелательно.