1　引言

因具有定向性、单色性和能量集中等优点，激光可以完成切割、焊接、快速成型、表面处理和增材制造等加工工序，因此，设计和开发性能更好的激光发生器及成套设备已成为装备制造业最具活力的研究领域之一^［1-2］。通常，激光加工设备由激光发生器、传输系统、控制系统和机械系统组成^［3-5］，其中机械系统实现加工零件的固定和转运，以满足对零件形状和尺寸等技术要求。以增材制造、激光熔覆和微纳连接为例，激光经过光纤传输、透镜整形和喷嘴约束后到达工件表面^［1，6］，其中光纤和透镜的作用是激光传输和光斑调整，能量衰减极少，而喷嘴在激光冲击作用下逐渐烧损，当累积到一定程度时失效，延误生产。因此，喷嘴虽然不是此类激光加工设备的核心零件，却是关键零件，值得对其抗激光冲击性能进行改善。对于工作区域有较大空间的激光熔敷和增材制造设备，可以对喷嘴加设冷却水套避免烧损^{［1，6-7］}。但对激光微纳连接设备，工作空间极其有限难以增设水套，因而只能用难熔或硬质材料加工成喷嘴，尽量避免因烧损而引起的缺陷，以满足设备长时间运行要求。

激光喷射锡球键合（LJSBB）是微电子封装领域近些年发展起来的新兴连接技术，除具有激光的优点外，该技术还具有非接触性特点，因此，特别适合于连接温度敏感元器件和制备尺寸极小的三维微纳焊点^［8-9］，其中所使用的无冷却水套喷嘴结构及其工作原理如图1所示，常用WC和Co粉末混合均匀后在高温高压下烧结而成。最初，生产中使用的喷嘴抗激光冲击平均次数可以达到3.0×10⁵次，但所使用的喷嘴毛坯采购自国外，价格居高不下。后期使用国内价格低廉毛坯加工成的喷嘴，抗激光冲击平均次数曾低至2.0×10⁵次，个别喷嘴甚至更少。因频繁更换喷嘴的时间延误和沾锡引起的微焊点失效，给生产带来不小损失。众所周知，零件的性能与组织密切相关，喷嘴也不例外，因此，本研究通过对比抗激光性能差异明显的喷嘴之间的微观组织，分析其与激光束之间的相互作用，揭示Co含量和WC颗粒微裂纹影响喷嘴抗激光冲击性能的微观机理，进而为工程领域生产抗激光冲击性能良好的WC喷嘴毛坯及其类似材料提供理论依据和工艺参考。

图 1. 激光锡球键合制备直角型Au/SnAgCu/Au微焊点结构示意图

Fig. 1. Sketch of right-angle Au/SnAgCu/Au micro solder joints prepared by laser solder ball bonding

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2　试验材料与方法

2.1　WC喷嘴失效判断

图2是利用直径为80 μm锡球键合直角型微焊点时所使用的WC喷嘴实物，键合时，激光照射图2（b）中喷嘴前端吸附的锡球，锡球瞬间熔化后被N₂吹落到Au焊盘表面，然后在Au-Sn的润湿力作用下扩展形成微焊点。理论上，激光的焦点和光斑大小可以按生产要求调节，即焦点位置能够调节到锡球中心位置、束斑直径可以调整至要求的50 μm以内，从而保证喷嘴不受激光冲击和烧损。但是，受调试和加工误差影响，激光束的焦点一般会偏离锡球中心，而且喷嘴小孔很难与激光束保持完全平行，因此生产时喷嘴会受到激光不断地辐射和热冲击，导致WC喷嘴小孔前端与锡球接触部分极易烧损。当烧损累积到一定程度时容易出现图2（c）所示的沾锡现象，严重时导致熔融的锡球难以从喷嘴前端的小孔中吹落，最终形成锡球缺失或桥连缺陷，此时可认为喷嘴已经失效。

图 2. LJSBB所使用的WC喷嘴。（a）喷嘴正面像；（b）沿（a）中虚线剖开的横截面像；（c）沾锡缺陷

Fig. 2. WC nozzle using in LJSBB. (a) Front view image of nozzle; (b) cross section at the dash line in Fig. (a); (c) tinning defects

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2.2　微观组织及缺陷观察

为了研究WC喷嘴微观组织和抗激光冲击性能之间的关系，首先将喷嘴按生产批次分组，从中任意选择15个试样投入LJSBB设备生产，根据微焊点数量统计每一批次喷嘴的平均抗激光冲击次数。然后从平均可经受激光冲击2.0×10⁵次和3.0×10⁵次批次的喷嘴中随机抽取样品并制作横截面试样。利用扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱仪（SEM/EDS）观察横截面试样的微观组织和缺陷，选择特征点和微区测定其成分，依据测试结果的差异，初步分析判断金属黏结剂Co含量、WC颗粒中的贯通微裂纹和WC颗粒尺寸是影响喷嘴抗激光冲击性能的主要原因。再将烧结压强由4000 MPa提高至4500 MPa制备毛坯，通过观察喷嘴微观组织和统计抗激光冲击次数以验证压强对贯通状裂纹和喷嘴抗激光冲击性能的影响。选择名义尺寸约为1.0 μm的WC颗粒并在3800 MPa下制备毛坯，重复上述步骤验证WC颗粒尺度对喷嘴抗激光冲击性能的影响。最后，根据光束作用于材料表面时的吸收、反射和散射等理论，结合微观组织和成分之间的差异，分析烧结组织削弱WC喷嘴抗激光性能的微观机理。

3　结果与分析

3.1　不同抗激光冲击次数WC喷嘴的微观组织差异

图3是抗激光冲击性能具有明显差异的WC喷嘴之间的对比像。同时测定图中用“+”标记特征点和方框微区的成分，结果见表1。

图 3. 经受不同激光冲击次数的WC喷嘴微观组织。（a）2.0×10⁵次；（b）3.0×10⁵次

Fig. 3. Microstructure of WC nozzle enduring different laser shocks. (a) 2.0×10⁵ times; (b) 3.0×10⁵ times

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结合图3和表1可以看出，喷嘴基体都是典型的WC-Co系烧结组织，由尺寸大小不一且外形不规则的WC颗粒及其周围的Co构成。对比图3（a）和（b）可以看出：2.0×10⁵次喷嘴中WC颗粒平均粒径约为0.6 μm，略小于3.0×10⁵次喷嘴的1.0 μm；2.0×10⁵次喷嘴几乎每个WC颗粒内部存在贯通状微裂纹，而后者仅有不到50%的颗粒存在类似裂纹。从图3（b）可以看出，3.0×10⁵次喷嘴横截面试样中存在明显的空洞，这与图3（a）中2.0×10⁵次喷嘴组织有所不同。另外，表1中的成分结果显示，2.0×10⁵次喷嘴微区的Co含量（质量分数，7.62%）远高于3.0×10⁵次喷嘴（2.02%）。

利用WC、TiC、NbC或TiN粉末烧结的硬质合金，加入其中的Fe、Co和Ni等成分是最常见的金属黏结剂^［10-12］。如果低熔点的黏结剂含量较少，则WC颗粒之间的结合力小，受外力作用后颗粒容易松动，甚至掉落；如果黏结剂太多，则烧结材料的高温性能肯定会受到削弱。对于本研究中WC-Co系烧结组织，由于Co的熔点（1495 °C）远低于WC（2870 °C），在设定温度1400 °C下烧结时已接近半固态，同时在（4000 ± 500）MPa高压作用下充填于WC颗粒之间，冷却后形成的微观组织如图3所示。进一步观察图3（b）中空洞特征可以发现，其四周多为典型的直线多边形，与WC颗粒多边形轮廓外形特征一致，而且没有任何残留WC碎屑附着在空洞的内壁上，由此推断因为Co含量较少、WC颗粒之间黏结力小，图3（b）中的空洞是制备横截面试样过程中受到摩擦或冲击等外力作用脱落形成，毛坯内部并不存在该缺陷。从图3还可以看出，WC颗粒中贯通状裂纹多为直线，符合脆性材料的断裂特征，说明这些裂纹是由较大的烧结压强而引起的。需要指出的是，表1中列出的Al和O为干扰元素，主要来自于制备横截面试样时使用的Al₂O₃研磨剂，因此可以忽略。由以上论述可见，WC颗粒的大小、由较高的烧结压强引起的贯通状裂纹和较高的Co含量可能是喷嘴抗激光冲击较差的原因。由于Co熔点较低，激光冲击后较WC容易熔化，如果熔化区在喷嘴小孔前端，则熔化后的Co和熔融的钎料极易发生冶金反应，可以判断低熔点黏结剂肯定会削弱喷嘴抗激光冲击性能，建议尽量降低Co的含量。另外，还需进一步确认烧结压强是否会加剧贯通状裂纹，以及裂纹和WC颗粒尺度是否会对喷嘴抗激光冲击性能产生影响。

3.2　烧结压强和WC颗粒尺度对组织和抗激光冲击性能的影响

按照以上思路，首先对图3中试样的烧结压强进行了现场确认，其中图3（a）和（b）中试样的烧结压强分别为4200 MPa和4000 MPa，虽然相差不大，而且都在烧结工艺规定的（4000±500）MPa范围内，但已造成WC颗粒中的贯通微裂纹出现差异。进一步地，将烧结压强提高至4500 MPa后重新制备毛坯，得到喷嘴的微观组织见图4。显然，除WC颗粒中存在明显的贯通状裂纹外，横截面上还出现了用虚线圆环标明的微小颗粒团簇，其中部分团簇的微小颗粒分布呈放射状，而类似组织在图3（a）中靠近左下侧出现一处，在图3（b）中未观察到。另外，虽然图4中的WC颗粒比图3（a）要小，但部分小颗粒是在高压作用下破裂而形成的，原WC颗粒的大小已无法测量，难以统计WC颗粒的平均尺度。对5个毛坯加工成的喷嘴生产统计数据表明，平均抗激光冲击寿命次数约为1.7×10⁵次，甚至1个喷嘴1.4×10⁵次时已烧损失效。可见，随着烧结压强升高，不仅WC颗粒中的贯通状裂纹增多，而且喷嘴抗激光冲击次数会相应减少。

图 4. 烧结压强为4500 MPa时的WC喷嘴微观组织，抗激光冲击次数为1.7×10⁵次

Fig. 4. Microstructure of WC nozzle at 4500 MPa sintering pressure, laser shock resistance is about 1.7×10⁵ times

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图5是在压强设定为3800 MPa时烧结得到的微观组织，其中Co的含量控制在2.5%左右。图中WC颗粒直径约为1.1 μm，可认为其与图3（b）中的WC颗粒尺度相同。进一步对比可以看出，图5中的贯通状裂纹明显少于图3（b），更少于图3（a）中的裂纹，且未出现图4中的团簇状裂纹，说明烧结压强是影响WC颗粒中贯通状裂纹的重要因素。另外，图5右下角还出现了与图3（b）中类似的空洞。对5个喷嘴的抗激光冲击性能统计数据表明，该组平均次数约为2.9×10⁵次，可认为与图3（b）中试样的抗激光冲击性能相同，说明WC颗粒尺寸对喷嘴抗激光冲击性能没有明显的影响。

图 5. 烧结压强为3800 MPa时喷嘴的微观组织，对应抗激光冲击次数为2.9×10⁵次

Fig. 5. Microstructure of WC nozzle at 3800 MPa sintering pressure, laser shock resistance is 2.9×10⁵ times

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为了更清晰地对比Co含量、WC颗粒尺度、烧结压强和贯通裂纹等因素与喷嘴抗激光冲击次数之间的关系，根据测试和验证顺序将所有结果进行归纳整理，具体见表2。可以看出，黏结剂Co的含量和由较高烧结压强引起的微裂纹是决定喷嘴抗激光冲击性能的主要因素。

3.3　分析

和其他光线一样，激光辐射材料表面时会产生吸收、反射、散射、透射和折射等现象^［13-14］。当其通过WC喷嘴小孔时，受小孔表面粗糙度影响，激光在孔内和微裂纹处可能会产生多次反射（如图6中光束1所示），即“光陷”现象^［14-15］，并在裂纹周围形成温度较高的热影响区。喷嘴小孔周边的烧结组织中贯通状裂纹越多，热影响区域越大，附近的温度越高，意味着周围的黏结剂Co更加容易熔化。如果喷嘴小孔前端存在由微裂纹引起的热影响区，且该区域内黏结剂Co含量较高，则Co的熔化区域也较大，熔化后的Co和钎料极易发生冶金反应，形成沾锡。值得说明的是，小孔内壁的粗糙度是由非接触式的电火花加工引起的，期间不会对毛坯产生较大的压力，所以微裂纹不会影响小孔内壁的粗糙度。可见，较高的Co含量和由较高烧结压强引起的贯通状微裂纹是喷嘴抗激光冲击性能较差的主要原因，而WC颗粒尺度不会对喷嘴的抗激光冲击寿命产生明显影响。

图 6. 激光穿过WC喷嘴内孔示意图。（a）多次折射后进入微裂纹；（b）直接通过内孔

Fig. 6. Sketch of laser beam passed inner hole of WC nozzle. (a) Entered microcrack after multi-reflecting; (b) directly passed inner hole

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根据上述思路对WC喷嘴的烧结工艺进行了不断优化，由最初追求致密性到后来逐步降低烧结压强和减小黏结剂Co含量，最终将Co含量降低至2.5%以内、烧结压强由4000 MPa降低至3700 MPa以下，得到较好的效果，对2批次共24个样品的冲击次数统计表明，喷嘴的平均寿命接近预期目标3.0×10⁵次。

4　结论

通过对比观察烧结WC喷嘴的微观组织和缺陷，结合光束传输相关理论，探讨了贯通状裂纹和黏结剂含量对喷嘴抗激光冲击性能的影响机制，得到的结论如下：

1）较大烧结压强引起的贯通状裂纹，会对激光形成“光陷”现象，导致裂纹周围形成温度较高的热影响区；2）喷嘴小孔前端热影响区附近的低熔点黏结剂Co熔化后，与熔融态的钎料球极易发生冶金反应，出现沾锡现象，黏结剂含量越多，沾锡越严重；3）贯通状裂纹和含量较多的Co是WC喷嘴抗激光冲击性能较差的根本原因，通过适当降低Co含量和烧结压强，可以明显延长WC喷嘴的使用寿命。