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    激光錫焊解決方案

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    研發實驗室丨論溫控激光錫焊保護被焊電子品的能力
    作者:武漢松爾德科技????? 發布日期:2019-08-01?

    1.引言

    從每年的上海慕尼黑光博會,各大光器件展商參展都會升級出速度更快,性能更穩定,光學質量更高,功率更大的新一代激光器無不閃耀展臺。

    光器件的發展依然推動著各行各業的發展,例如更高質量的激光打標,切割,焊接,除銹等等??v觀各大廠商的推出的以上高端激光器件甚至高端激光成套激光設備,我們發現,除了打標,切割,焊接,除銹等這類應用以外,還有一種新穎的應用方式:激光錫焊

    2.激光錫焊的發展及其所面臨的問題

    眾所周知,激光錫焊的發展至今沒幾年,技術也不太成熟,大部分設備制造商采用的方式和激光打標或者激光焊接原理類似,直接對著需要錫焊的產品開激光,控制激光功率照射焊盤焊料,一般用于需要預先上滿焊膏的回流焊范圍。

    這種方式雖然擁有了非接觸性加工的各種優點,但是溫度卻不可控,燒壞產品時有發生,而電子行業錫焊主要還是要有穩定的溫度來錫焊才能得到合格成品。即便如此,很多電子廠處于各種原因仍然選擇了這種類型的激光錫焊設備用來替代烙鐵焊機器人。

    溫度不可控的激光錫焊設備在電子廠批量化生產不僅僅難以保障產品焊接的質量,還有發生火災的危險。

    所以企業在為了完成滿足激光非接觸性焊接的同時,不僅僅要考慮他的可靠性,還要考慮設備的可控性,安全性等等綜合性能。

    激光技術雖然在飛速發展,激光錫焊設備供應商在更好的服務電子廠的同時,也需要大資金投入研發,將同步技術升級。

    讓人欣慰的是,最近溫控型激光錫焊技術也得到了發展,不少激光設備制造商意識到了溫控對電子產品錫焊的重要性,因此也推出了溫控型的激光錫焊設備,雖然不太成熟,但給電子產品可控的非接觸選擇性錫焊帶來了福音。

    3.溫控型激光錫焊的原理

    18年以后,宣傳擁有溫控型的激光錫焊設備逐漸嶄露頭角,我們先來了解什么是溫控型激光錫焊設備。

    溫度控制原理為:通過紅外檢測方式,實時檢測激光對加工件的紅外熱輻射,形成激光焊接溫度和檢測溫度的閉環控制,通過PID的計算調節,可以有效控制激光焊接溫度在設定范圍波動。由上位機將設定的溫度指令傳給單片機。單片機控制半導體激光器打開激光;通過光學耦合系統將半導體激光器輸出的激光照射到指定焊接區域,同時對激光掃射區域進行測溫。在這種焊接模式下,測溫數據形成對單片機的反饋,構成閉環控制。使焊接區域溫度在設定范圍,從而達到控溫焊接的過程。

    通過這樣一個原理介紹和圖形關系,對于溫度控制原理就不難理解了。

    4.實驗及結果討論

    通過以上原理完成溫度控制的激光錫焊設備,我們在某電子OEM廠選取目前比較有名且實力比較優秀供應商,帶有溫控激光錫焊設備的A型設備做一段激光錫焊的實驗演示:

    4.1實驗

    根據公開資料顯示,使用的波長為915nm半導體激光器,功率50w,光學器件為復合光學鏡頭,帶溫度傳感器,400um光纖傳輸,插針件焊錫:

    整個過程焊接沒什么問題,但是專業且細心的部分觀眾可能就有個疑問,這個尖峰到底是什么回事,為什么會在開激光瞬間升到550℃攝氏度,一般的焊盤完全怎么著也用不了這么高的溫度,而且是550℃攝氏度沒有穩定住,并不符合整個錫焊的過程。

    卻是,在電子產品錫焊過程中,激光出現突然的尖峰是比較危險的,瞬間溫度過高很有可能燒傷甚至擊穿焊盤,這是什么原因導致的呢。松爾德科技的研發工程師在產品開發的過程中也遇到過這樣的現象,經過嚴密的分析發現,激光開光瞬間高峰屬于激光器的超調現象。超調現象在整個激光行業也比較常見,經常的,激光切割和激光焊接都會有超調現象,對于切割和焊接,這種影響微乎其微,忽略不計,但是到了電子產品錫焊,那就非常致命了。

    至此A公司的溫控激光錫焊產品溫控性能展示實驗暫且完畢。

    4.2實驗

    在該電子廠,選取目前同樣激光錫焊設備占有一席之地的供應商B型設備做一段激光錫焊的實驗:

    根據公開資料顯示,使用的波長同樣為915nm半導體激光器,功率70w,光學器件為復合光學鏡頭,帶溫度傳感器,400um光纖傳輸,插針件焊錫:

    從上圖錫焊過程可以看到,整個錫焊的過程溫度控制波動劇烈,從220℃攝氏度到320攝氏度之間波動,溫度波動區間較大,溫度控制滯后,激光偶爾強閃。雖然焊接過程完成了,但是對于大部分產品而言,溫度控制不準,溫度控制跳動幅度較大,溫度控制有尖峰,都是致命的,電子產品量產的時候,稍微不小心就有燒傷甚至擊穿的現象,帶來不可挽回的損失。

    還有一個問題就是,藍色采集線之前的部分為空白,沒有采集到溫度是什么情況,具體情況不好猜測,暫且略過。

    至此B公司的溫控激光錫焊產品溫控性能展示實驗暫且完畢。

    4.3實驗

    現在再來看看愿意公開數據的松爾德科技,同樣也作為一家溫控激光錫焊設備的研發制造商為我們提供的錫焊數據:

    使用的波長為940nm半導體激光器,功率80w,光學器件為松爾德科技光學工程師團隊自主研發的五光同軸光學鏡頭,帶溫度傳感器,400um光纖傳輸。

    依然采用插針件作為實驗對象。

    為了全方位展示自己的溫控能力,技術人員故意選擇一個大焊盤,并且將溫度設定為跳躍式升溫,從實驗數據上看,花式展示了溫控模式下,激光加熱的焊盤溫度牢牢的被鎖定在了所需要達到的溫度值,并且誤差極小。

    焊盤雖然比較大,散熱快,但是在溫度控制的保駕護航下,曲線并沒有出現任何波動,從始至終都保持在設定的溫度值直到錫焊完成,焊點實時監控全程記錄了焊接的過程,如圖11.

    5.分析:

    先來看看傳統錫焊升溫過程理論,如圖

    在來看看同樣條件下溫度控制下激光升溫的理論圖(毫秒)

    激光對升溫速度快,而且有溫度控制的激光錫焊設備對電子產品的非接觸式錫焊的批量化生產提供了更好的保護。

    升溫速度快得益于光學質量越好,激光的光密度高,能量越集中,升溫速度越快,在快速升溫的過程中,溫度控制能夠抑制超調,溫控的穩定性抑制溫度上下波動,對電子產品錫焊質量的穩定性有著密切聯系, 因此光學設計對本系統的重要性舉足輕重。經過分析,列舉如下:
        1. 需要能量更加集中,得到更小的光斑。

    2需要更高的激光透過率,減少能量損失。

    3.需要更小的腰斑直徑設計,減少其他器件對激光的遮擋影響。

    4.需要更精準的溫度控制,需要紅外探測光與近紅外盡可能的消除色差。

    5.需要兼顧可視化實時監控,需要CCD視覺有更清晰的成像光學條件。

    6. 需要減少各類光學的反射和吸收,保證光學系統的準確性等。

    7. 需要消除陰影的無影光設計,對焊盤的識別更準確。

    8.需要有較高的工作距離,防止助焊劑飛濺和煙塵污染對光學器件的損壞等等

    6.結論

    本文使用市面上比較有實力的提供溫控激光錫焊設備的公司做了三個同類激光錫焊對比試驗,試驗過程均采用了如上所述的溫控閉環反饋系統來實時反饋激光對插針件錫焊過程的溫度變化過程,分析了溫度控制的原理以及溫度波動的原因。經過三個實驗,將影響最大的因素——光學系統單獨剝離出來分析,利用光學系統將激光聚焦到相對高的能量密度(更小的光斑),得到更快的升溫速度,利用sensor高強激光溫控儀光學器件集成于光學系統,得到更精準更高速的溫度控制數據,用高速CCD相機更快的實時捕捉錫焊畫面,實時分析錫焊過程。

    松爾德科技的整套溫控激光錫焊系統集成度高,激光光斑更小,能量密度更高,激光透過率高達90%-95%,溫度控制準確,響應速度更快,符合電子器件廠對產品激光錫焊的各項要求,升級后的光學系統附帶的屈光調節系統可改變激光折射率,從而改變光學形態,覆蓋的錫焊產品范圍更廣。

    隨著折疊屏和5G通訊,智能汽車時代的到來,FPC軟板錫焊,攝像頭焊接,光模塊錫焊等高科技配件將供不應求,溫控型的激光錫焊設備將隨著行業深入發展大放異彩。關注激光錫焊應用,關注研發實力雄厚的武漢松爾德科技有限公司,我們將為客戶帶來最好用的溫控激光錫焊設備。

    如有疑問歡迎指正。

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