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    激光錫焊解決方案

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    研發實驗室丨論光學形態對激光錫焊的影響
    作者:武漢松爾德科技????? 發布日期:2022-01-10?
      當今的電子行業圍繞著互聯網的高速通訊和超級計算,對電子產品的要求越來越高,大量的微精密電子產品不斷在市場上考驗著各大企業的反應速度和研發水平??偟膩碚f,這無疑就是一場電子行業的的一次產業升級。
      
      由于市場風云變化不斷細分,不管是代工能力及其出眾的OEM大廠,還是專注于更符合時代發展的研發型設備開發企業,都對新的制程,新的工藝提出了挑戰,傳統OEM廠需要更高質量,更高效的全新工藝解決企業所面臨的問題,研發型企業要對市場新需求做出快速反應來保持自己企業的科技領先優勢??萍夹袠I的發展也給有實力,有準備的企業帶來了更多的機會。
      
      熟悉松爾德科技的朋友都知道,松爾德科技專注于全新的激光錫焊工藝研究,致力于電子產品激光非接觸性焊接產品的研發多年,松爾德實驗室盛產錫焊黑科技,在科研上的投入不遺余力,發表的技術類文章也有許多,并不定時公布了部分科研成果,新來的朋友可以通過網絡查詢松爾德實驗室發表的部分文章。
      
      閑話多不多,今天松爾德實驗室的主題是:激光光學形態對電子產品激光錫焊的影響。
      
      我們都知道,激光泵浦出來的光通過光纖耦合傳輸,并透射到一個平面,一般都是圓形形態,大部分光學組合透鏡將激光整形至需要的大小進行某些場合的應用,例如打標、切割、焊接等領域。
      
      而對于激光錫焊來說,很多時候也是利用這種光學形態對電子產品溫控焊接。
      
      單點焊對于不規則焊點來說是比較好的選擇,因為不規則的焊點排布主要靠的是設備的機動性。
      
      
      
      對于規則排布的焊點,雖然單點焊也是一個不錯的選擇,但是在產量和質量要求比較高的情況下,如果能夠有陣列光出現無疑會增加一倍的效率。
      
      比如,產品的焊點為成對出現時,將光學系統組合透鏡進行一些列的改變,光纖出射出來發散的光經過透鏡的一些列整形,將一束光分成兩束單獨的光束,通過機構的精調系統,調節透鏡的間距,以此來調節兩個光斑的間距。
      
      初始條件的確立
      
      在光學設計開始確立初始條件,并且設計光學鏡頭的初始結構,透鏡組材料選擇為優質光學玻璃 , 材料增透處理,透光率為99%+, 折射率=1.51630 色散=0.00806 阿貝數=64.06。激光光源為940半導體激光器
      
      模型的建立
      
      透鏡3D模型建立的基礎就是針對透鏡中光學表面的設計, 一般有偏微分方程和試錯法兩種。偏微分方程是根據Snell定律和能量守恒建立多項式求解反射折射的曲面面型, 通過編程計算出離散點的坐標, 再導入軟件中成型;試錯法是在軟件中直接建立相應的曲面, 再通過模擬光線追跡出結果, 根據結果與實際要求的偏差修改曲面。本文采用第二種方法直接在軟件中建立模型。
      
      經過仿真模擬可以獲得其中一支光斑的2d平面光照度分布圖。
      

      
      在實驗室對產生的兩束裸露光斑分析儀下分析光學形態如下圖:
      
      
      
      實際上獲得的光斑與理論光斑存在一定的微小差異,但這樣的差異本身是實驗設計所允許的范圍內,所以我們定義為此種光學形態是符合實驗要求的。
      
      案例實驗
      
      選取雙引腳線束進行雙光斑焊接,使得激光的兩束光束照射至兩個焊盤上,焊料覆蓋于兩個焊點,通過一系列參數設定后,觀察激光錫焊效果,如圖1,圖2,圖3,可以看見熔錫的狀態:
      

      
      由于兩束光斑最終的落點并不在紅色十字中心點,因此十字中心點的pcb板無需擔心會被燒傷,再加上松爾德科技本身實驗的機臺帶有溫度控制系統,對焊盤和PCB板的保護是比較周全,則我們此次的重心直接觀察兩個焊點的焊接效果即可。以上實驗可以看出,雙光點設計對于規則成對出現的焊點比用單光點焊接效率更高。
      
      為了更加全面了解單個光點的光學形態分布情況,調取理論計算里面的FFT LINE/EDGE SPREAD 光學邊緣響應關系譜圖,如下圖
      

      
      以此類推,通過光學設計還可以用以上方法設計出3-4光點的光學系統,如果遇到更多陣列焊點,可以引用光柵陣列光焊接方法,將一束光通過特殊的光柵光學元器件分成間距相等的若干個光斑,對于多個焊點同時焊接的方式等,原理如圖下所示:
      

      
      可以利用特殊的光柵器件組合成多光點點陣列焊接,如上圖ABCDEF....聚焦點。
      
      矩形光斑設計及應用
      
      通過以上雙光斑設計的方法,還可以進行矩形光斑設計。
      
      透鏡出光表面建立微型陣列結構, 由圖4可以看出, 單個透鏡組出光為圓形光斑, 為改變光斑形狀需要在表面增加矩形陣列結構以獲取矩形光斑, 矩形陣列通過自由曲面旋轉擠壓而成;在此建立不同的微型結構可以得到不同形狀的初始光斑。
      

      
      圖4
      
      實際上得到的初始光斑并不能滿足我們的實驗要求,更不能滿足實際生產要求,因此需要再組合其他透鏡進行多次光學整形,盡可能的接近我們需要的理想光學形態。
      
      在經過多次實驗后基本上可以得到滿足要求的矩形光斑。如圖5:
      


      圖5
      
      此時矩形光斑形態對于矩形焊點加熱填充效果將會更加均勻。比如,方形鍍金焊盤,如果用圓形光斑加熱,焊盤周邊容易脫落,因為熱量的不均勻性,可能導致鍍金焊盤整個脫落。
      
      矩形光斑通過調節矩形長寬變化,可以對矩形周圍均勻加熱,溫度控制更加得心應手。
      

      
      實際得到的矩形光斑
      
      實驗案例:
      
      如圖7,細長的矩形焊盤與線束產品的焊接,如果使用圓形光斑,線材和焊盤都無法均勻加熱,導致局部溫度較高,要么燒毀產品,要么熔錫不徹底,無法覆蓋整個焊盤。圖6采用的光學形態為矩形光斑形態,通過調節矩形長寬比,得到滿足焊接此產品的光學形態,可以在焊接的過程截圖中看出,整個焊盤在加熱過程讓錫條首位同時受熱,因此不會產生錫條變形扭曲而導致的無方位翹曲,熔錫的整個過程一蹴而就,順利覆蓋了整個焊盤,焊點結晶過程非常飽滿圓潤。
      

      
      圖7
      
      改用圓形光斑,如圖8,同樣參數焊接則錫熔錫緩慢,熔融的錫因為焊盤熱量不均勻,并不流向溫度較低的位置,再到后面錫絲直接翹曲,對產品分析有泛黃現象,焊接品質NG。
      
     
      
      圖8
      
      矩形光斑還有一種光學形態就是,細長比更高,幾乎程一字型條形光斑,一般細長比越高,需要的鏡片系統就越復雜,在焊接微小焊盤時,如果微小焊盤排列成長長的一排時,不管圓形光斑還是矩形光斑效率都比較低。此時就需要用到一字型光斑。
      
      一字型光斑設計是偏微分方程是根據Snell定律和能量守恒建立多項式求解反射折射的曲面面型, 通過編程計算出離散點的坐標, 再導入軟件中成型計算。
      
      前面講的激光發射的光通過光纖傳輸至某一個平面端面,一般程圓形狀態,此時的激光光束雖然在你平面上呈現的是圓形狀態,但是其本身的光束是處于發散狀態的,要得到一字型細長光斑,首先需要對光斑的發射狀態進行均勻的整形,利用多個鏡片組和非常規鏡片組合得到一條細長的光斑形態如圖8:
      

      
      對一字型細長光斑,可以觀察zemax點列圖的分布情況判斷光的落點密度情況,增加光線的密度可大致看出一字型形態的光斑的光束分布情況還比較平均,如下圖
      

      
      通過軟件采集條形光的邊緣特性曲線(line/edge spread)如下圖:
      

      
      邊緣光線采集曲線圖展示的邊緣部分光線分布密度相對平均,因此可以判斷此種光學形態也符合預期設計。
      
      實驗案例:
      
      在激光焊接軟板密集排線的時候,如果使用單點焊接一個一個去熔錫無疑效率會很低,并且密集型焊點的阻錫帶非常窄小,稍有不慎就會連錫,燒毀。接觸型加工HOTBAR可以一次性完成這種焊接,但是HOTbar同樣面臨的問題是連錫,燙傷,起泡。因為HOTbar的熱源是熱壓頭,熱壓頭溫度比較高,傳導至常溫的冷板容易產生翹曲,白泡,錫渣等不可控因素,而且hotbar容易沾錫氧化等特征也限制這一工藝的重要因素。一字型細長光斑利用熱壓Hotbar的原理,將激光形狀整形成細長的一字,因為激光可以直接對焊盤加熱而無需加熱介質(熱壓頭)熱傳導,因此溫度階梯變化可以利用上位機直接設定預熱和焊接的整個工藝。以下圖產品為例來實驗一字光斑是如何一口氣焊接完這十幾個點的。
      

      
      顯微鏡下間距為0.1mm的密集焊點產品
      
      選用松爾德科技點錫激光錫焊一體實驗平臺,對產品做一次自動上錫膏的操作。
      

      
      點錫激光焊一體機
      
      自動點錫完成后再CCD成像下的顯示結果如下圖
      

      
      因為為實驗環境,我們并沒有讓機臺直接進行自動化循環,將機臺退至激光焊接頭下觀察點錫情況,在確認點錫一致性較好的情況下,我們對激光焊接參數做了一些列設置。
      
      考慮到時一字型細長光斑,焊點間距為0.1mm,焊點過小,需要將相機倍率加大方便人眼觀察,在倍率改變的同時,也對一字細長光溫度設定條件做了一系列限制,再確認無誤后,開始錫焊。
      
      首先觀察激光升溫的溫度曲線
      
     
      
      溫度曲線
      
      在升溫階段,預熱階段和焊接段激光加熱焊盤的溫度被牢牢的控制在了所設定的范圍內,沒有任何異常,因此我們排除溫度不穩定而形成的各種影響,再把注意力集中到產品焊接的變化過程,如下圖:
      

      
      一字型細長光斑典型應用場景
      
      實際上能在短的時間完成一字型排列的密集型焊點焊接,得益于松爾德科技優秀的光學設計能力和優秀的激光控制能力。
      
      
      松爾德科技光學性能參考圖
      
      我們知道,激光器一般都屬于破壞型加工,例如三大應用:打標,切割,焊接,都是利用激光的高能量高密集度對產品本身產生沖擊;而利用激光器對電子產品做微精密焊接則絕對不能再利用這種破壞型加工方式來完成。激光在錫焊行業的應用主要還是利用光熱原理來完成的,利用激光加熱時間短,無接觸加熱的特點,那么就需要強大的研發能力,而光學設計和結構設計,激光控制,電氣控制,上位機控制缺一不可,也正是因為松爾德團隊緊貼市場痛點,急客戶所急,已客戶的需求為己任,不斷開拓進取不斷投入研發設計,攻克一個一個工藝難點,才能在客戶群里積累不少優良的口碑。松爾德科技這個年輕團隊將緊貼產業發展,不斷開發新一代錫焊產品,為激光行業,為電子行業產業升級貢獻一點微薄的力量。


     
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