2-1 雷射銲接系統
本研究所使用的雷射銲接系統如圖 2.1、圖 2.2 所示。此銲接系 統包括一個波長為 1.064µm 的脈衝式 Nd：YAG 雷射及一傳輸雷射 功率的光束傳送系統(Beam-delivery system)，而系統利用三個反射率 分別為 33.3%，50%及 100%之分光鏡將雷射能量均分，並經由輸出 端的聚焦透鏡輸出，同時銲接在工件上。如圖 2.3 所示，雷射光入 射至銲件之角度為 45 度，且三道雷射光束呈 120 度均分排列，而光 束能量之間相差小於±2%，如此可使三束雷射光同時打到銲接工件 上且能量相同、排列對稱。所以可以使得兩銲接工件，因銲接過程 中，材料固態化收縮(Solidification-shrinkage)而導致的銲後位移(PWS) 達到最小。
其 Nd：YAG 雷射的能量設定表及脈衝形狀圖，如表 2.1 共有 14 項雷射能量的設定及圖 2.4 是三種不同雷射脈衝形狀的設定。在表 2.1 Nd：YAG 雷射能量設定表中，總共設定有 14 種不同的 Schedule。
而其中 F1(Flash1)代表第一段脈衝激發的時間，F2(Flash2)、F3(Flash3) 分別代表第二段和第三段脈衝激發的時間 。同樣的 C1(Cool1)、
C2(Cool2)代表雷射冷卻的時間。而 A、B 分別表示雷射脈衝 Lasing Volt.
的大小。本雷射銲接系統主要設定的脈衝形狀共有三種，圖 2.4(a)為
第一種設定，其中 Schedule 1、2、3 為這種脈衝形狀，而圖 2.4(b)為 第二種設定，其中 Schedule 4、5、7、8、9、10、11、12、13、14 為這種脈衝形狀，圖 2.4(c)為第三種設定，其中 Schedule 6 為這種脈 衝形狀。
圖 2.1Newport：LW4000 雷射銲接系統，Nd：YAG 雷射波長 1.064µm，最大功率 50W
圖 2.2 雷射銲接系統簡圖
Beam3 120° 120°
120 ° Nd:YAG
Laser
33% 50% 100%
Beam1
Beam2
Fiber Delivery
Fiber Delivery Fiber Delivery
XYZ Stage θ
雷射銲點 Fiber
圓柱型雷射模組
X、Y、Z Stage 和
θ
Stage 的最小解析度分別為 0.1µm 和 0.001 度 圖 2.3 圓柱型雷射模組構裝裝置Laser beam 45 度
X stage Y stage
θ
Upper colletFerrule Upper part
Lower part Laser diode Lower collet
Fiber
Z stage
stage
Ball-lens
表 2.1 Nd：YAG 雷射能量設定表
圖 2.4Nd：YAG 雷射脈衝設定圖
(b) Schedule 4、5、7、8、9、10、11、12、
13、14是這種脈衝形狀
2-2 銲點的金相分析 簡介：
本節中金相分析的樣品是不銹鋼片(SS304L)，主要是因為目前 圓柱型雷射模組都是利用不銹鋼來作為構裝的材料，其原因請參考 4-1-1 節中的說明。首先將不銹鋼片拿到雷射銲接系統下，以雷射銲 接方式，在不銹鋼片的表面上打上不同能量的銲點。如圖 2.5 所示。
來模擬實際元件銲接的情形，而銲點深度以不熔穿樣品為準如圖 2.6 所示。並藉金相分析的結果，得到在不同能量、材料、角度及雷射 的脈衝形狀下，銲深和銲寬之間相對的關係。
Laser Beam
Side View
Top View 圖 2.5 銲點樣品圖
圖 2.6 銲點剖面圖 SS304L
Weld-spot
2-3 金相分析過程
2-4 金相分析結果
如圖 2.7，為一雷射光束以 90 度入射樣品(SS304L)的銲點金相 分析圖，其銲點深度、寬度的量測方式如圖所示。
圖 2.7 銲點金相分析圖 圖 2.7 金相分析樣品的條件：
底材：SS304L 鍍膜：無
入射雷射光束和金屬平板的夾角：90 度 能量：1.453(J)
倍率：100 倍
銲寬
銲深
100µm
2-4-1 雷射能量和銲點深度、寬度之間的關係 [一]雷射光束以 90 度入射樣品(SS304L)
如圖 2.8 所示，可看出雷射能量和銲點深度、寬度之間的關係，
並可清楚的看到銲點深度、寬度隨雷射能量增加而增加。如圖 2.9、
2.10 為雷射能量和銲點深度、寬度的實驗數據圖。
圖 2.8 雷射光束以 90 度入射的銲點金相分析圖
入射雷射能量：3.451(J)
入射雷射能量：2.823(J)
入射雷射能量：2.401(J)
Energy(J)
[二]雷射光束以 45 度入射樣品(SS304L)
如圖 2.11 所示，可看出雷射能量和銲點深度、寬度之間的關係，
並可清楚的看到銲點深度、寬度隨雷射能量增加而增加。如圖 2.12、
2.13 為雷射能量和銲點深度、寬度的實驗數據圖。
圖 2.11 雷射光束以 45 度入射的銲點金相分析圖
入射雷射能量：4.432(J)
入射雷射能量：3.179(J)
入射雷射能量：2.823(J)
圖 2.12 以 45 度入射樣品，其銲點寬度和雷射能量之間的關係
2-4-2 不同材料下，雷射能量和銲點深度、寬度之間的關係
一般光電構裝的主要材料有 Invar、Kovar、SS304L 等三種。如 表 2.2 所示，為三種不同材料的特性比較表。如圖 2.14、2.15 為 Invar 和 SS304L 的銲點深度、寬度實驗數據表。
由圖 2.14、2.15 可知，當以相同能量的雷射光束打入 Invar、
SS304L 兩種不同材料時，Invar 的銲點寬度比 SS304L 寬，但 Invar 的銲點深度確比 SS304L 淺。其可能的原因可由表 2.2 中得知，因 Invar 的熱傳導係數(Thermal Conductivity)比 SS304L 大，所以當雷射光束 打入 Invar 的金屬平板時，熱能於平板表面傳導的速度較快，所以造 成 Invar 的銲點寬度比 SS304L 寬，而銲點深度比 SS304L 淺。
表 2.2 為三種不同材料的特性比較表[16]
物理特性 Invar Kovar SS304L
楊氏系數(GPa)
(Young’s Module) 141 138 193 蒲松比
(Poisson Ratio) 0.3 0.3 0.29 熱膨脹係數(µm/m℃)
(Thermal Expansion) 1.393 5.87 15.46 熱傳導係數(W/m-k)
(Thermal Conductivity) 16.4 16.3 6 比熱(J/kg℃)
(Specific Conductivity) 439.5 439.5 400 比重(kg/m3)
材 料
Energy(J)
2-4-3 不同角度下，銲點深度、寬度之間的關係
本實驗中，以不同角度的雷射光束(入射雷射光束能量為 4.432J) 入射金屬平板(SS304L)，其角度分別為 45 度、60 度、75 度和 90 度。
其實驗的結果如圖 2.17 所示，發現隨著角度的變大，其銲點的深度 越變越淺，但銲點的寬度確越變越寬。其原因如圖 2.16 所示。我們 可以使用下面這個式子來表示入射雷射光束和金屬平板之間的夾角 與在金屬平板上雷射光束半徑大小之間的關係。
R=L Csc
θ
(2-1) 其中R：改變入射雷射光束和金屬平板的夾角後，平板上的光束半徑 L：入射雷射光束原本的半徑
θ
：入射雷射光束和金屬平板的夾角由 2-1 式可知，如果雷射光束原來的半徑為 200(µm)，當以 90 度入射平板，平板上的光束半徑為(400µm /2)200(µm)，同理以 75、
60、45 度入射平板，平板上的光束半徑分別為 207、231、283(µm)，
所以金屬平板和入射雷射光束的夾角越來越小時 ，入射雷射光束在 金屬平板上的半徑就越大，也就是說接觸面積就越大，所以單位面 積的雷射能量就變小，這就是造成銲點的寬度變寬，而銲點的深度 變淺的主要原因。
2-5 不同雷射脈衝形狀下，銲點深度、寬度之間的關係
本節所討論的雷射脈衝形狀有兩種，如圖 2.18、2.19 如示。圖 2.18 中的脈衝形狀(表 2.1 中的 Schedule 6)，是由單一個脈衝所組成，
其脈衝寬度為 3ms ， Lasing Volt. 為 420(V)，雷射的輸出能量為 1.453(J)。圖 2.19 中的脈衝形狀(表 2.1 中的 Schedule 7)，是由三個脈 衝所組成，其脈衝寬度分別為 5ms、3ms 和 6ms，Lasing Volt.分別為 270(V)、410(V)和 270(V)，雷射的輸出能量為 2.823(J)。並分別以這 兩種脈衝形狀的雷射光束，打在金屬平板(SS304L)上。如圖 2.20、2.21 所示，是以 90 度入射金屬平板，其中圖 2.20 是由第一種脈衝形狀(單 一脈衝組成)所打出來的銲點，圖 2.20(a)為銲點的上視圖，圖 2.20(b) 是銲點的金相分析圖。而圖 2.21 是由第二種脈衝形狀(三個脈衝組成) 所打出來的銲點，圖 2.21(a)為銲點的上視圖，圖 2.21(b)是銲點的金 相分析圖。同樣的，我們將雷射光束以 45 度入射金屬平板(SS304L)，
而圖 2.22、2.23 分別是第一種脈衝形狀和第二種脈衝形狀，所打出 來的銲點。
首先比較以 90 度入射之圖 2.20(a)和 2.21(a)，發現由第二種脈 衝形狀形成的銲點寬度比第一種脈衝形狀形成的銲點寬度寬，並比 較 2.20(b)和 2.21(b)，由銲點的金相分析圖中，可以看出圖 2.20(b)和
一種形狀所組成，而圖 2.21(b)明顯是由三種形狀所組成。進一步的 觀察以 45 度入射之圖 2.22(a)、2.23(a)，同樣的發現由第二種脈衝形 狀形成的銲點寬度比第一種脈衝形狀形成的銲點寬度寬， 並可以由 圖 2.22(b)和 2.23(b)中發現銲點剖面形狀也有明顯的不一樣，圖 2.22(b) 的銲點剖面只有一種形狀所組成，而圖 2.23(b)明顯是由三種形狀所 組成。並且發現由第二種脈衝形狀造成的銲點深度遠比第一種脈衝 形狀造成的銲點深度深。
綜合上述討論，發現銲點的剖面形狀和入射雷射光束的脈衝形 狀有明顯的關係，而且銲點的寬度會隨著入射雷射光束的脈衝形狀 的寬度增加而增加。並發現由第二種脈衝形狀造成的銲點深度遠比 第一種脈衝形狀造成的銲點深度深，其主要的原因是第一種脈衝的 雷射能量比第二種脈衝的雷射能量小，所以使第二種脈衝形狀造成 的銲點深度遠比第一種脈衝造成的銲點深度深。
During Time(m sec.)
Lasing Volt.(V)
420 3
During Time(m sec.)
Lasing Volt.(V)
270 5
3 6
410
圖 2.18 第一種脈衝形狀(單一脈衝組成)
圖 2.19 第二種脈衝形狀(三個脈衝組成)
圖 2.20(a)用第一種脈衝形狀以 90 度打入樣品(SS304L)的銲點上視圖
圖 2.20(b)用第一種脈衝形狀以 90 度打入樣品( SS304L)的銲點金相 分析圖。銲深：0.5660mm；銲寬：0.5427mm
100µm
100µm
圖 2.21(a)用第二種脈衝形狀以 90 度打入樣品(SS304L)的銲點上視圖
圖 2.21(b)用第二種脈衝形狀以 90 度打入樣品(SS304L)的銲點金相
100µm
100µm
圖 2.22(a)用第一種脈衝形狀以 45 度打入樣品(SS304L)的銲點上視圖
圖 2.22(b)用第一種脈衝形狀以 45 度打入樣品(SS304L)的銲點 金相分析圖。銲深：0.2416mm；銲寬：0.7447mm
100µm
100µm
圖 2.23(a)用第二種脈衝形狀以 45 度打入樣品(SS304L)的銲點上視圖
圖 2.23(b)用第二種脈衝形狀以 45 度打入樣品(SS304L)的銲點 金相分析圖。銲深：0.2881mm；銲寬：0.7716mm
100µm 100µm