在激光錫焊向精密化、高一致性方向發(fā)展的過程中，光束質(zhì)量直接決定能量傳遞效率與焊點(diǎn)成型效果。傳統(tǒng)高斯激光束因中心能量集中、邊緣能量衰減的特性，在微小焊點(diǎn)、大面積焊盤等場景中易出現(xiàn)能量不均問題，而平頂激光束憑借橫截面上均勻的光強(qiáng)分布，成為解決精密焊接能量控制難題的關(guān)鍵技術(shù)。大研智造基于多年激光錫焊設(shè)備研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，將平頂激光束技術(shù)深度集成于焊接方案中，在電子、汽車、航空航天等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)焊接質(zhì)量與效率的雙重突破，本文將系統(tǒng)解析平頂激光束的定義、特性及應(yīng)用優(yōu)勢。

一、平頂激光束的定義與核心特性

平頂激光束是通過特殊光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的激光光束形態(tài)，其核心特征在于橫截面上光強(qiáng)分布的均勻性與能量邊界的清晰性，與傳統(tǒng)高斯光束形成顯著差異，為精密焊接提供了獨(dú)特的能量控制能力。

從光束截面能量分布來看，傳統(tǒng)高斯光束的光強(qiáng)呈鐘形曲線分布，中心能量密度最高（可達(dá)邊緣的 3-5 倍），能量從中心向邊緣逐漸衰減，這種分布在焊接時(shí)易導(dǎo)致中心區(qū)域過熱（如焊盤碳化）、邊緣區(qū)域能量不足（如錫料未完全熔化）。而平頂激光束的光強(qiáng)分布呈 “平臺(tái)狀”，在光束有效作用范圍內(nèi)（通常稱為 “平頂區(qū)”），光強(qiáng)波動(dòng)可控制在 ±5% 以內(nèi)，能量均勻覆蓋整個(gè)作用區(qū)域；同時(shí)，光束邊緣能量呈陡峭下降趨勢（衰減幅度＞90%），能精準(zhǔn)界定能量作用范圍，避免對(duì)周邊元器件造成熱影響。

從物理參數(shù)來看，平頂激光束的關(guān)鍵指標(biāo)體現(xiàn)在 “均勻性” 與 “邊界清晰度” 上：一方面，其能量均勻性（平頂區(qū)內(nèi)最大光強(qiáng)與最小光強(qiáng)的比值）通?！?.2，遠(yuǎn)優(yōu)于高斯光束的 3-5；另一方面，其 “能量半高寬”（光強(qiáng)降至峰值一半時(shí)的光束寬度）與 “平頂區(qū)寬度” 的比值接近 1，意味著能量主要集中在平頂區(qū)內(nèi)，邊緣無效能量占比＜5%。這種特性使得平頂激光束在作用于工件時(shí)，能實(shí)現(xiàn) “能量按需分配”，避免傳統(tǒng)光束的能量浪費(fèi)與局部過熱問題。

在激光錫焊常用的波長范圍內(nèi)（如 1064nm、532nm、355nm），平頂激光束的形成需通過專業(yè)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，常見技術(shù)路徑包括：一是采用微透鏡陣列將高斯光束分割、疊加，通過光路設(shè)計(jì)使多束子光束在聚焦平面形成均勻能量分布；二是利用衍射光學(xué)元件（DOE）對(duì)光束波前進(jìn)行調(diào)制，將高斯分布的波前轉(zhuǎn)化為平頂分布；三是通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)校正光束相位，補(bǔ)償傳輸過程中的能量畸變。大研智造采用的 “微透鏡陣列 + DOE 復(fù)合優(yōu)化” 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同波長、不同光斑尺寸的平頂光束輸出，均勻性穩(wěn)定在 ±3% 以內(nèi)，滿足多樣化焊接需求。

二、平頂激光束在激光錫焊中的核心優(yōu)勢

平頂激光束的均勻能量分布與精準(zhǔn)邊界控制特性，在激光錫焊中轉(zhuǎn)化為顯著的工藝優(yōu)勢，尤其在解決 “能量不均導(dǎo)致的焊接缺陷”“熱影響區(qū)控制”“多場景適配性” 等難題上表現(xiàn)突出，成為提升焊接質(zhì)量與效率的關(guān)鍵支撐。

（一）提升焊點(diǎn)質(zhì)量一致性，減少能量不均缺陷

在激光錫焊中，焊點(diǎn)質(zhì)量的一致性（如剪切強(qiáng)度、外觀形態(tài)、IMC 層厚度）直接依賴能量輸入的均勻性，平頂激光束通過消除能量分布差異，從根本上解決了傳統(tǒng)光束導(dǎo)致的質(zhì)量波動(dòng)問題。

對(duì)于微型焊點(diǎn)（如 0.1-0.3mm 間距的 PCB 引腳），高斯光束因中心過熱易導(dǎo)致錫料 “炸錫”（形成飛濺），邊緣能量不足易形成虛焊，同批次焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度偏差可達(dá) ±15%。而平頂激光束的均勻能量可使錫料從中心到邊緣同步熔化，錫料鋪展率達(dá) 95% 以上，焊點(diǎn)外觀呈現(xiàn) “圓潤飽滿、無毛刺” 的特征；同時(shí)，均勻的能量輸入使金屬間化合物（IMC）層厚度均勻（偏差≤0.2μm），同批次焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度偏差可控制在 ±5% 以內(nèi)。

對(duì)于大面積焊盤（如 1mm×1mm 以上的功率器件焊盤），傳統(tǒng)高斯光束需通過 “掃描焊接”（光束移動(dòng)覆蓋整個(gè)焊盤），易因掃描路徑重疊導(dǎo)致局部能量疊加（如路徑交叉處過熱），形成焊點(diǎn)厚度不均（偏差可達(dá) 30%）。而平頂激光束可通過單次或少數(shù)幾次脈沖實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊盤的均勻加熱，無需掃描即可使錫料完全覆蓋焊盤，焊點(diǎn)厚度偏差＜5%。例如，焊接 2mm×2mm 的銅鍍鎳焊盤時(shí)，采用直徑 2mm 的平頂激光束，單次脈沖即可完成焊接，焊點(diǎn)平整度（最大高度差）從高斯光束的 0.3mm 降至 0.05mm，完全滿足功率器件的散熱需求。

（二）縮小熱影響區(qū)，保護(hù)熱敏元器件

激光錫焊中，熱影響區(qū)（HAZ）是衡量工藝精度的關(guān)鍵指標(biāo)，尤其在焊接熱敏元器件（如 MEMS 傳感器、紅外探測器）或柔性基材（如 PI 薄膜）時(shí)，需嚴(yán)格控制熱影響范圍，避免基材變形或元器件性能受損。平頂激光束的精準(zhǔn)能量邊界控制，為熱影響區(qū)縮小提供了重要保障。

傳統(tǒng)高斯光束因邊緣能量緩慢衰減，熱影響區(qū)通常為光束直徑的 1.5-2 倍（如 0.5mm 光束的熱影響區(qū)達(dá) 0.75-1mm），在焊接 0.1mm 厚的 PI 基材時(shí)，易導(dǎo)致基材發(fā)黃（熱老化）、翹曲（變形量＞0.1mm/m）。而平頂激光束的邊緣能量陡峭衰減，熱影響區(qū)可控制在光束直徑的 1.1 倍以內(nèi)（如 0.5mm 光束的熱影響區(qū)僅 0.55mm），能量僅作用于目標(biāo)焊點(diǎn)，周邊區(qū)域溫升≤30℃。

在高密度焊點(diǎn)焊接（如 PCB 板上密集排列的 0.2mm 間距引腳）中，平頂激光束的窄熱影響區(qū)可避免 “相鄰焊點(diǎn)熱干擾”。傳統(tǒng)高斯光束焊接時(shí)，相鄰焊點(diǎn)的熱影響區(qū)易重疊（間距＜0.3mm 時(shí)重疊率＞30%），導(dǎo)致先焊焊點(diǎn)二次熔化（出現(xiàn)錫料流淌），形成橋連缺陷。而平頂激光束的熱影響區(qū)重疊率＜5%，即使焊點(diǎn)間距縮小至 0.15mm，仍可實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接，橋連率控制在 0.1% 以下。

（三）優(yōu)化能量利用效率，提升焊接速度與材料適配性

平頂激光束的均勻能量分布不僅提升了質(zhì)量，還優(yōu)化了能量利用效率，減少了無效能量消耗，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)不同材料、不同厚度工件的適配能力，為高效焊接與工藝拓展提供了可能。

從能量利用效率來看，傳統(tǒng)高斯光束的中心過高能量（超過錫料熔化需求的部分）通常轉(zhuǎn)化為無效熱量（占總能量的 30%-50%），導(dǎo)致能量浪費(fèi)與設(shè)備能耗增加。而平頂激光束的能量精準(zhǔn)匹配錫料熔化需求，無效能量占比＜10%，在相同焊接效果下，可降低激光功率 20%-30%，或在相同功率下提升焊接速度。例如，焊接 0.3mm 直徑的 SAC305 錫球時(shí)，傳統(tǒng)高斯光束需 100W 功率、15ms 脈沖寬度，速度為 1.5 點(diǎn) / 秒；而平頂激光束僅需 70W 功率、10ms 脈沖寬度，速度提升至 2.5 點(diǎn) / 秒，同時(shí)能耗降低 30%。

從材料適配性來看，平頂激光束能更好地應(yīng)對(duì)異質(zhì)材料焊接（如銅 - 鋁、金屬 - 陶瓷）與厚度差異工件焊接（如厚銅端子與薄 PCB 焊盤）。對(duì)于異質(zhì)材料，不同材料的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率差異較大，傳統(tǒng)高斯光束易因能量不均導(dǎo)致一種材料過熱、另一種材料未熔；而平頂激光束的均勻能量可通過參數(shù)微調(diào)（如局部功率補(bǔ)償），使兩種材料同時(shí)達(dá)到理想焊接溫度。例如，焊接 0.5mm 銅端子與 0.1mm 鋁引腳時(shí)，采用平頂激光束并設(shè)置 “銅區(qū)能量略高（+10%）、鋁區(qū)能量略低（-5%）” 的梯度分布，焊點(diǎn)拉拔力達(dá) 5.2N，比傳統(tǒng)高斯光束提升 40%。對(duì)于厚度差異工件，平頂激光束可避免厚區(qū)能量不足、薄區(qū)過熱的問題，如焊接 1mm 厚銅排與 0.2mm 薄 PCB 焊盤時(shí)，均勻能量輸入使兩者熱輸入平衡，焊盤無碳化、銅排無虛焊，良率穩(wěn)定在 99% 以上。

（四）增強(qiáng)工藝穩(wěn)定性，降低參數(shù)調(diào)試難度

在規(guī)?；a(chǎn)中，工藝穩(wěn)定性與參數(shù)調(diào)試難度直接影響生產(chǎn)效率，平頂激光束的能量均勻性與一致性，可減少因光束波動(dòng)導(dǎo)致的參數(shù)調(diào)整頻率，降低操作門檻。

傳統(tǒng)高斯光束的能量分布易受外界因素影響（如光路振動(dòng)、溫度變化），導(dǎo)致參數(shù)漂移（如功率波動(dòng) ±5% 即會(huì)引發(fā)質(zhì)量問題），需頻繁調(diào)整激光功率、脈沖寬度等參數(shù)，調(diào)試時(shí)間通常需 2-4 小時(shí)。而平頂激光束的能量分布穩(wěn)定性更高（波動(dòng)≤±3%），對(duì)參數(shù)變化的容忍度更強(qiáng)，即使功率出現(xiàn) ±5% 波動(dòng)，仍能保持合格的焊接質(zhì)量，參數(shù)調(diào)試時(shí)間可縮短至 30 分鐘以內(nèi)。

同時(shí)，平頂激光束的 “能量 - 效果” 線性關(guān)系更顯著，即能量與焊點(diǎn)質(zhì)量（如鋪展率、強(qiáng)度）呈穩(wěn)定線性關(guān)聯(lián)，便于建立標(biāo)準(zhǔn)化工藝參數(shù)庫。例如，對(duì)于 0.1-0.5mm 的錫球，可通過 “錫球直徑 × 固定能量系數(shù)” 快速計(jì)算所需能量，無需反復(fù)測試；而傳統(tǒng)高斯光束因能量分布非線性，需針對(duì)不同尺寸錫球單獨(dú)調(diào)試參數(shù)，參數(shù)庫建立難度大。

三、平頂激光束在重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐

平頂激光束的技術(shù)優(yōu)勢在不同行業(yè)的激光錫焊場景中得到充分驗(yàn)證，尤其在電子、汽車、航空航天等對(duì)焊接質(zhì)量與精度要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域，展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價(jià)值，成為解決行業(yè)痛點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

（一）電子行業(yè)：微型化與高密度焊接的核心支撐

電子行業(yè)的微型化趨勢（如 TWS 耳機(jī)、智能手表）推動(dòng)焊點(diǎn)尺寸向 0.1mm 以下發(fā)展，高密度 PCB 板的引腳間距縮小至 0.15mm，傳統(tǒng)光束難以滿足質(zhì)量要求，平頂激光束在此領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在柔性電子領(lǐng)域，0.1mm 厚的柔性 PCB（FPC）焊接易因熱輸入不均導(dǎo)致基材損傷，采用平頂激光束后，可將熱影響區(qū)控制在 0.1mm 以內(nèi)，基材溫升≤25℃，焊接后 FPC 的彎折壽命（180° 彎折）從 5000 次提升至 30000 次。

（二）汽車電子：高可靠與大尺寸焊接的效率保障

汽車電子對(duì)焊接可靠性要求嚴(yán)苛（如車規(guī)級(jí) AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)），同時(shí)涉及大尺寸焊盤（如 BMS 銅排）與輕量化材料（如鋁合金）焊接，平頂激光束的均勻能量與熱控制能力在此領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。

在 BMS（電池管理系統(tǒng)）銅排焊接中，1mm×3mm 的銅排與 PCB 焊盤焊接需保證足夠的熔深（＞0.3mm）與均勻的焊點(diǎn)形態(tài)，傳統(tǒng)高斯光束易導(dǎo)致銅排中心過熱（出現(xiàn)凹陷）、邊緣虛焊。采用直徑 3mm 的平頂激光束，可實(shí)現(xiàn)銅排與焊盤的同步熔化，熔深偏差＜0.05mm，焊點(diǎn)經(jīng) 1000 次溫度循環(huán)測試后無裂紋，電阻變化率＜2%。

在鋁合金傳感器焊接中，鋁合金表面氧化層（Al?O?）對(duì)能量吸收不均敏感，傳統(tǒng)高斯光束易因局部能量不足導(dǎo)致氧化層未破除，形成虛焊。平頂激光束的均勻能量可確保氧化層全面破除，同時(shí)避免鋁合金過熱（熔點(diǎn) 660℃）導(dǎo)致的晶粒粗大，焊點(diǎn)拉拔力達(dá) 3.8N，比傳統(tǒng)工藝提升 50%。

（三）航空航天：難焊材料與極端環(huán)境焊接的質(zhì)量突破

航空航天領(lǐng)域的焊接涉及鈦合金、高溫合金等難焊材料，且需滿足極端環(huán)境（-60℃~150℃）下的長壽命要求，平頂激光束的均勻能量分布為解決難焊材料焊接難題提供了技術(shù)路徑。

在鈦合金部件焊接中，鈦合金的高導(dǎo)熱性（17W/m?K）與易氧化特性（高溫下易形成 TiO?）對(duì)能量控制要求極高，傳統(tǒng)高斯光束易因能量不均導(dǎo)致局部未熔或氧化嚴(yán)重。采用平頂激光束并配合惰性氣體保護(hù)（氧含量≤10ppm），可實(shí)現(xiàn)鈦合金焊盤的均勻加熱，氧化層厚度控制在 5nm 以內(nèi)，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度達(dá) 65MPa，滿足航空航天的強(qiáng)度要求。

在高溫合金（如 Inconel 718）焊接中，高溫合金的高熔點(diǎn)（1260℃）與低導(dǎo)熱性（11W/m?K）易導(dǎo)致熱積累，傳統(tǒng)高斯光束易引發(fā)焊接裂紋。平頂激光束的均勻能量可緩慢提升溫度，避免局部過熱，同時(shí)精準(zhǔn)控制熱輸入，減少熱應(yīng)力，裂紋率從傳統(tǒng)工藝的 15% 降至 0.3%。

四、總結(jié)與展望

平頂激光束憑借均勻的能量分布、精準(zhǔn)的邊界控制、高效的能量利用等特性，在激光錫焊中展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢，成為解決微型化、高密度、高可靠焊接難題的關(guān)鍵技術(shù)。從電子行業(yè)的微型芯片封裝，到汽車電子的 BMS 銅排焊接，再到航空航天的難焊材料處理，平頂激光束均能提供穩(wěn)定的工藝支撐，推動(dòng)焊接質(zhì)量與效率的雙重提升。

未來，隨著激光技術(shù)的迭代與應(yīng)用場景的拓展，平頂激光束將向 “更高均勻性”“更靈活的光斑形態(tài)”“更智能的能量控制” 方向發(fā)展：一方面，通過自適應(yīng)光學(xué)與算法融合，實(shí)現(xiàn)均勻性 ±1% 以內(nèi)的超精密控制；另一方面，開發(fā)可定制化的 “非圓形平頂光束”（如矩形、環(huán)形），適配異形焊點(diǎn)焊接需求；同時(shí)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接過程的虛擬仿真與參數(shù)預(yù)優(yōu)化，進(jìn)一步縮短工藝調(diào)試周期。

大研智造將持續(xù)深耕平頂激光束技術(shù)，以客戶需求為導(dǎo)向，推動(dòng)技術(shù)與設(shè)備的深度融合，為電子制造、汽車、航空航天等領(lǐng)域提供更優(yōu)質(zhì)的激光錫焊解決方案。如需了解特定場景下的平頂激光束應(yīng)用方案，可聯(lián)系大研智造技術(shù)團(tuán)隊(duì)，我們將基于產(chǎn)品特性與生產(chǎn)需求，提供從樣品測試到產(chǎn)線落地的全周期技術(shù)支持，助力企業(yè)突破焊接工藝瓶頸，構(gòu)建核心競爭力。

審核編輯 黃宇