CN101745711A - 一种激光软钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光软钎焊方法，包括以下步骤：(1)半导体激光以设定的能量辐射PCB焊盘，使其表面达到一定的预热温度；(2)通过送丝机构将锡丝以一定的送丝参数送到PCB焊盘表面；(3)在激光辐射作用下，锡丝熔化，熔融的锡向PCB焊盘表面辅展润湿；(4)锡丝回抽，脱离焊盘；(5)半导体激光继续辐射，使锡丝在焊盘表面充分辅展；(6)关闭激光，锡自然冷却，开成焊点。使用时，本发明利用激光作为焊接热源，锡丝作为钎料，锡丝由送丝机进行输送，通过激光对锡丝及PCB焊盘的辐射作用，实现锡焊连接。由于通过本方法进行钎焊具有局部加热、快速加热、快速冷却等特点，可有效降低元件的热损伤，极大地提高焊接合格率。

Description

一种激光软钎焊方法

技术领域

本发明属于纤焊领域，具体地讲，是涉及一种利用激光作为热源、锡丝作为钎料的激光软钎焊方法。

背景技术

随着人类环保意识的日益增强，目前在世界范围内已开始禁止使用含铅钎料，这给电子行业的传统组装工艺带来了很多问题和挑战。激光送丝焊工艺包括有激光硬钎焊、激光软钎焊和激光填丝焊几种。目前广泛应用的几种无铅钎料熔点比传统的Sn-Pb钎料熔点高出30℃～40℃左右，为保证钎料具有良好的润湿性，一般要求钎焊峰值温度高出钎料熔点20℃～40℃，因而导致无铅钎料的钎焊峰值温度达到250℃以上，极易使电子元器件受到热损伤。另外，若用手工焊，则由于锡量不易控制，焊点大小不均，并且由于焊接热输入量大，焊接时间长，所以表面出现热氧化，没有光泽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于一种激光软钎焊方法，其具有局部加热、快速加热、快速冷却等特点，可有效降低元件的热损伤，极大地提高焊接合格率。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种激光软钎焊方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)半导体激光以设定的能量辐射PCB焊盘，使其表面达到一定的预热温度；

(2)通过送丝机构将锡丝以一定的送丝参数送到PCB焊盘表面；

(3)在激光辐射作用下，锡丝熔化，熔融的锡向待焊工件表面辅展润湿；

(4)锡丝回抽，脱离焊盘；

(5)半导体激光继续辐射，使锡丝在焊盘表面充分辅展；

(6)关闭激光，锡自然冷却，开成锡焊点。

上述步骤是通过焊接机来实现点焊，该焊接机包括有工作平台、控制机构、进丝机构及激光器，所述的进丝机构能在控制机构的控制下进行送丝；所述的控制机构能控制所述的激光器发光，所述的激光器所发出来的激光作为所述点焊机的热源，所述的工作平台上放置有需焊接的工件。

在步骤(1)中，所述半导体激光能量随焊盘铜箔厚度及面积的增大而增大。

在步骤(2)中，所述的送丝参数包括送丝量、送丝速度、抽丝量、抽丝速度、中断时间。

在步骤(3)中，要保证锡丝端部到达焊盘表面时被迅速熔化而不与被焊工件产生碰撞，这取决于锡丝的直径、送丝速度和激光功率的大小。

在步骤(4)中，锡丝回抽速度要快，以防止出现拉尖的现象。

在步骤(5)中，要保证熔融的锡能够在焊盘表面实现辅展，应确保焊盘有足够的预热温度。

在步骤(6)中，要对激光的能量，即激光功率及激光波形进行精确控制，激光功率过大或加热时间过长会导致锡中包含的助焊剂过度挥发而产生氧化。

激光能量调节有两部分。一部分是激光峰值功率的调节；另一部分是激光波形的调节。激光器的功率取决于锡丝直径和送丝速度，激光器的功率的设置要保证锡丝能够在焊盘处熔化并铺展。激光波形则包含预热区、焊接区和冷却区。预热是为了使工件升温，达到锡的浸润温度，当工件预热完成后，锡丝端部到达焊盘处开始焊接，焊接完成后锡丝抽回，激光继续对焊盘加热，以保证熔融的锡在焊盘上充分润湿。激光能量的大小从根本上取决于焊盘面积的大小，焊盘面积越大需要的功率越大，在实际调试时，激光能量要与送丝量、送丝速度等参数协同调节。

使用时，本发明利用激光作为焊接热源，锡丝作为钎料，锡丝由送丝机进行输送，通过对激光对锡丝及PCB焊盘的辐射作用，实现激光送丝锡焊。由于通过本方法进行钎焊具有局部加热、快速加热、快速冷却等特点，可有效降低元件的热损伤，极大地提高焊接合格率。

另外由于激光锡焊属非触式加热、焊接能量可精确控制、加热集中、定位精准。因此对于散热很快、元件密集要求定位精度高的焊盘及由于结构特殊手工难以施焊的产品，该焊接方法具有很大优势。

附图说明

图1是本发明所用的送丝机构外观示意图；

图2是本发明所用的送丝机构的剖视图；

图3是本发明所用的激光锡焊机的结构示意图；

图4是本发明激光波形示意图；

图5是本发明焊接流程图；

图6为激光能量参数表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，本发明采用了一种送丝机构1，其包括壳体11、进丝嘴12、送丝装置13及出丝嘴14。

使用时，通过单片机控制电机131转动，从而控制齿轮1321、1322转动，通过对电机转动速度及转动角度的调节，可对锡丝的送丝速度、送丝量、中断时间、抽丝速度、抽丝量等参数进行控制，实现锡焊所需的锡丝的整套送丝及抽丝动作；而锡丝通过进丝嘴2后直接进入到两个齿轮1321、1322的中间，齿轮1321、1322将锡丝压成齿轮状向前输送，通过这种方式，一方向可精确控制送丝精度，另一方面，锡丝熔化时，其中心的且焊剂容易从压痕处流出，更有助于熔融锡料向母材的铺展，提高焊接合格率。

参考图3所示，提供了一种采用激光锡焊方法进行焊接的焊接装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

该焊接装置包括有图1、2所示的送丝机构1，还包括有工作平台和半导体激光器其中：

锡丝通过送丝机构1进行传输；锡丝从出丝嘴14出来后，通过送丝软管15送达PCB焊盘3。PCB焊盘3设置在工作平台上。

激光器4有现有技术，其为半导体连续激光焊接机，激光功率最大可以达到120W，该激光器4可设置六段波形，通过对每段波形的精细调整，能够更精确地控制激光在钎料融化焊接阶段的能量输出。配合图3所示，其包括有带CCD准直聚直聚焦头41及激光束42。

本发明公开了一种激光软钎焊方法，在进行软钎焊之前，首先要完成以下工作：

1、选择试验材料：

在本实施例中，本发明所选材料为插件式双面PCB板，该板焊盘尺寸较大且导热很快，可充分体现激光锡焊能量集中预热速度快的优势。

2、选择锡丝直径及成份：

锡丝成份：考虑到环保要求，选用了成份为SnCu无铅锡丝；

锡丝直径：锡丝直径的选择主要取决于预上锡焊盘面积的大小，一般焊盘越大，所需要的锡丝直径就越大，本发明所选焊盘面积较大，约为7mm2，所以选择较粗的ф0.8锡丝；

3、选择焊接机：

激光波长越短，越容易被钎料吸收，因此选用波长为980nm的半导体连续激光焊接机。激光功率最大可达120W，该激光器4可设置六段波形，通过对每段波形的精细调整，能够更精确地控制激光在钎料融化焊接阶段的能量输出。

然后，开始进行本激光软钎焊，配合图3、5所示，一种激光软钎焊方法，其包括以下步骤：

步骤(1)半导体激光以设定的能量辐射PCB焊盘，使其表面达到一定的预热温度。

激光能量调节有两部分。一部分是激光峰值功率的调节；另一部分是激光波形的调节。如图4及图6所示，激光器4的功率取决于锡丝直径和送丝速度，激光器4的功率的设置要保证锡丝能够在焊盘处熔化并铺展。激光波形则包含预热区、焊接区和冷却区。预热是为了使工件升温，达到锡的浸润温度，当工件预热完成后，锡丝端部到达焊盘处开始焊接，焊接完成后锡丝抽回，激光继续对焊盘加热，以保证熔融的锡在焊盘上充分润湿。激光能量的大小从根本上取决于焊盘面积的大小，焊盘面积越大需要的功率越大，在实际调试时，激光能量要与送丝量、送丝速度等参数协同调节。

步骤(2)：通过送丝机构将锡丝以一定的送丝参数送到PCB焊盘表面；

送丝参数包括送丝量、送丝速度、中断时间，以下对各参数功能进行详细说明。

1)送丝量：送丝量的大小取决于PCB上的焊盘面积，焊盘面积越大，需要的送丝量也越大。

2)送丝速度：取决于单点焊接时间及所采用的焊接能量，激光能量增加时，送丝速度要相应增大，焊接时间增加时，送丝速度相应减少。

3)中断时间：这里的中断时间是指送丝与抽丝动作的间隔时间，因为锡丝在焊盘处熔化铺展需要一定的时间，所以锡丝送达焊盘后不能马上抽回，需要停顿一下等锡丝在焊盘上铺展后方能抽回，如果不停顿马上抽回，锡丝可能会将未铺展的熔融的锡球带回而不能完成焊接。

作为本发明的一个实施例，送丝量为5.5mm，送丝速度为6mm/s，中断时间高为0.1s。

步骤(3)在激光辐射作用下，锡丝熔化，熔融的锡向待焊工件表面辅展润湿；

步骤(4)锡丝回抽，脱离焊盘；

抽丝参数包括抽丝量、抽丝速度，以下对各参数功能进行详细说明。

1)抽丝量：抽丝的作用有两个。一是防止焊点凝固后锡丝与焊点沾连；二是保证焊后锡丝端部回到焊前位置位置，以保证连续自动焊接时每次锡丝的送丝量一致。

2)抽丝速度：一般抽丝速度尽量快些，必须保证焊点凝固前将锡丝抽回，以防止拉尖缺陷产生。

作为本发明的一个实施例，抽丝量为3.5mm，抽丝速度为15mm/s。

步骤(5)半导体激光继续辐射，使锡丝在焊盘表面充分辅展；

锡丝熔化会吸收热量，所以在此阶段需增加激光能量，以维持锡丝持续熔化并向焊盘辅展所需能量，激光波形为如图4所示的焊接部分。

步骤(6)关闭激光，锡自然冷却，开成焊点。

通过上述参数经调试确定后，通过图5所示的焊接流程，即可完成单点焊接。

实施后，采用激光锡焊，由于送丝量可精确控制，焊点成型一致，又可避免钎料的浪费，而且由于激光加热、冷却时间很快，焊点光亮，无氧化痕迹，而且由于热影响小，结晶后的晶粒比传统烙铁焊后晶粒更加细小，所以焊点强度优于传统的烙铁锡焊。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光软钎焊方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤(1)：半导体激光以设定的能量辐射PCB焊盘，使其表面达到一定的预热温度；

步骤(2)：通过送丝机构将锡丝以一定的送丝参数送到PCB焊盘表面；

步骤(3)：在激光辐射作用下，锡丝熔化，熔融的锡向待焊工件表面辅展润湿；

步骤(4)：锡丝回抽，脱离焊盘；

步骤(5)：半导体激光继续辐射，使锡丝在焊盘表面充分辅展；

步骤(6)：关闭激光，锡自然冷却，形成焊点。

上述步骤是通过焊接机来实现点焊，该焊接机包括有工作平台、控制机构、进丝机构及激光器，所述的进丝机构能在控制机构的控制下进行送丝；所述的控制机构能控制所述的激光器发光，所述的激光器所发出来的激光作为所述点焊机的热源，所述的工作平台上放置有需焊接的工件。

2.如权利要求1所述的激光软钎焊方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的送丝参数包括送丝量、送丝速度、抽丝量、抽丝速度、中断时间。

3.如权利要求2所述的激光软钎焊方法，其特征在于：所述的中断时间是指送丝与抽丝动作的间隔时间。

4.如权利要求1所述的激光软钎焊方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的激光能量的调节包括两部分，一部分是激光峰值功率的调节，另一部分是激光波形的调节。

5.如权利要求4所述的激光软钎焊方法，其特征在于；所述的激光波形包括预热区、焊接区和冷却区。

6.如权利要求1～5任一所述的激光软钎焊方法，其特征在于：所设置的焊接流程包括以下步骤：

31)移动工件到焊接位置；

32)通过控制机构触发激光器发光；

33)设置延时；

34)通过控制机构触发所述的送丝机构送丝及抽丝；

35)关闭激光。

7.如权利要求6所述的激光软钎焊方法，其特征在于：所述的步骤33)中，设置延时为0.15S。

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