CN102139412A - 一种激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焊接方法，其首先输出一高功率密度激光，使焊接温度达到焊接材料的沸点；然后快速调整为输出一低功率密度激光，使焊接温度降低到焊接材料的熔点；并维持该低功率密度激光至完成焊接。采用了该发明的激光焊接方法，由于其首先使用高功率密度激光，使焊接材料的焊点，在短时间内迅速到达深熔焊状态，达到较深的焊接沟槽深度，然后迅速降低激光功率密度，维持较长时间的热导焊状态，此时整个焊接沟槽内的焊接材料维持液态，并维持一定水平的对流，使不同焊接材料以分子级互相混合，以完成焊接，由此采用本发明的激光焊接方法，焊点光滑平整，无氧化现象，焊接效率较高，质量好，成品次品率低，且应用方法简便，使用范围较为广泛。

Description

一种激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种金属加工方法，具体涉及一种焊接方法。
背景技术
近年来, 随着电子产品向便携式、小型化、网络化和多媒体方向迅速发展, SMT 技术( Surface Mount Technology, 表面贴装技术) 在电子工业中正得到越来越广泛的应用, 并且在许多领域部分或全部取代了传统电子封装技术。SMT传统的焊接技术有波峰焊和回流焊两种。波峰焊是将熔融的液态焊料，借助与泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件的PCB置于传送链上，经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。回流焊是一种软钎焊方法, 它通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的钎料, 实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间的机械与电气连接。传统焊接技术的优势是效率高，但其劣势是污染严重，透锡深度有限，只能焊接贴片元件。
无论是传统的波峰焊还是回流焊，其透锡深度都受到较大的限制，特别是一些大功率元器件和连接器，因所需要透锡深度较深，一般无法应用波峰焊或回流焊，而只能通过手工方式进行焊接。
而在现有的激光焊接技术中，在电子产品生产方面，系用点焊扫描的方式进行焊接。其不仅效率相对传统波峰焊、回流焊为低，而且还存在激光焊接易于形成陷坑的缺点。由于在电子产品生产中，存在陷坑通常会被认为是次品，所以激光焊接技术一直较少应用于电子产品生产中。这就大大制约了电子产品的生产效率。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能方便地应用于电子产品生产，且焊接效率较高，效果较好，成品次品率低，应用方法简便，且使用范围较为广泛的一种激光焊接方法。
为了实现上述的目的，本发明的激光焊接方法包括以下步骤：
（1）控制激光器输出一具有确定的高功率密度的激光，使焊接温度达到焊接材料的沸点；
（2）控制激光器快速调整为输出一具有确定的低功率密度的激光，使焊接温度降低到焊接材料的熔点；
（3）维持该激光器输出所述的确定的低功率密度的激光至完成焊接。
该激光焊接方法中，所述的焊接材料为铜PCB板和电气元件引脚插针，所述的铜PCB板和插针间的焊接位置涂敷有助焊剂。
该激光焊接方法中，所述的助焊剂为无铅焊锡膏。
该激光焊接方法中，所述的确定的高功率密度激光的功率密度为                                               
Figure 2011100657382100002DEST_PATH_IMAGE002
W/mm2，所述的低功率密度激光的功率密度为
Figure 2011100657382100002DEST_PATH_IMAGE004
W/mm2。
该激光焊接方法中，所述的步骤（1）具体为：控制激光器的输出功率5W，光斑半径0.5mm，以插针中心为圆心，半径0.7mm ，速度200mm/s焊接一周。
该激光焊接方法中，所述的步骤（2）具体为：快速调整激光器至输出功率5W，光斑半径2mm。
该激光焊接方法中，所述的快速调整激光器的步骤具体是指：通过控制激光器改变激光光路调整激光光斑半径。
该激光焊接方法中，所述的步骤（3）具体为：以插针中心为光斑圆心，持续激光输出3秒。
采用了该发明的激光焊接方法，由于其首先使用高功率密度激光，使焊接材料的焊点，在短时间内迅速到达深熔焊状态，达到较深的焊接沟槽深度，然后迅速降低激光功率密度，维持较长时间的热导焊状态，此时整个焊接沟槽内的焊接材料维持液态，并维持一定水平的对流，使不同焊接材料以分子级互相混合，以完成焊接，由此采用本发明的激光焊接方法，焊点光滑平整，无氧化现象，焊接效率较高，质量好，成品次品率低，且应用方法简便，使用范围较为广泛。
附图说明
图1为本发明的激光焊接方法的流程示意图。
图2为采用本发明的激光焊接方法的铜PCB板上焊接插针的焊接元件示意图。
图3为本发明的激光焊接方法中激光器的激光功率密度与焊接材料状态的特征曲线图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的激光焊接方法的流程示意图。
在一种实施方式中，该激光焊接方法包括以下步骤：
（1）控制激光器输出一具有确定的高功率密度的激光，使焊接温度达到焊接材料的沸点；
（2）控制激光器快速调整为输出一具有确定的低功率密度的激光，使焊接温度降低到焊接材料的熔点；
（3）维持该激光器输出所述的确定的低功率密度的激光至完成焊接。
其中，所述的焊接材料为铜PCB板和电气元件引脚插针，所述的铜PCB板和插针间的焊接位置涂敷有助焊剂，该助焊剂为无铅焊锡膏。所述的确定的高功率密度激光的功率密度为W/mm2，所述的低功率密度激光的功率密度为
Figure 2011100657382100002DEST_PATH_IMAGE006
W/mm2。
在一种优选的实施方式中，所述的激光焊接方法具体包括以下步骤：
（1）控制激光器的输出功率5W，光斑半径0.5mm，以插针中心为圆心，半径0.7mm ，速度200mm/s焊接一周。
（2）快速调整激光器至输出功率5W，光斑半径2mm。
（3）以插针中心为光斑圆心，持续激光输出3秒。
在一种更优选的实施方式中，所述的步骤（2）中快速调整激光器的步骤具体是指通过控制激光器改变激光光路调整激光光斑半径。
以在0.5mm厚度铜PCB板上焊接插针为例，其焊接材料如图2所示。若采用传统的波峰焊或者回流焊，完全无法达到该透锡厚度。因此一直采用手工焊接方式。但手工焊接不仅效率低，而且由于手工焊接中，焊枪热容量低，为达到该产品技术要求，即满足美国ASME标准，每个焊点需要焊接时间接近1分钟，非常容易导致PCB板过热损伤或周边元件过热损伤，废次品率一直超过40%。
若采用本发明的激光焊接方法，则可以在满足该产品技术要求的情况下，实现较低的废次品率；同时，也大幅度提高了该元件的生产效率。
本应用案例中，采用1064nm固体YAG激光器，进行有焊料焊接，所述的焊料是无铅环保型焊锡膏，该焊料的成分中含有助焊剂。
在本发明的应用中，该激光焊接方法的实施步骤如下：
1、测定该焊料的热熔特性，测得该焊料熔点为210℃，因助焊剂存在的因素，该焊料沸点较低，为340℃。
2、根据该焊料的热熔特性，计算相应激光器参数，选择激光器功率为5W，设定聚集光斑直径0.5mm。
3、清洁PCB板表面，并在焊点位置加上焊锡膏。
4、通过光学元件反射，以200mm/S速度，以插针半径+0.2mm为半径，激光绕以插针中心为圆心一周。此时测得，该焊料表面最高温度为352℃，有极少量飞溅现象，但极细小，目视不可见。最低温度为307℃。此时激光照射处周边焊料均为液态。焊料边缘仍为固态。
5、自动控制激光器改变激光光路，使激光光斑直径改为2mm，并停止移动，光斑中心与插针中心重合；维持该状态3秒。从监测系统中可以看到，焊料呈完全液态。温度基本稳定，维持在250℃～280℃之间。
6、切断激光光路，焊接完成。
利用上述的激光焊接方法的铜PCB板与插针焊接具有以下优点
1、焊点光滑平整，无氧化现象；
2、焊料没有溢出开口、目视无飞溅所形成的锡珠；
3、PCB板没有发现桥接、立片、虚焊等问题；
4、透锡达到360度均匀，且平均透锡深度达4.7mm以上；
5、根据以上外观检测结果，并进行通电检查，可以认定焊接已达该产品所要求的美国ASME标准；
6、每个点的焊接时间约为4秒，相对手工焊接的1分钟，效率提高1500%。焊接准备时间与手工焊接一致。但激光焊接具备实现自动化生产的可能性。因此，投入实际生产中，效率将远远超过手工焊接速度。
7、批量测试后，平均废次品率低于6%，大大优于手工焊接。
采用具有上述步骤的激光焊接方法后，焊接材料变化过程如图3所示，包括以下变化步骤：
1、首先用高功率密度激光，使焊接材料的焊点，在短时间内迅速到达深熔焊状态，此时材料达到或超过材料沸点。
2、当材料到达深熔焊状态，且深熔焊小孔深度达到工艺要求深度后，迅速降低激光功率密度。因残余能量的作用，焊点会维持短暂的深熔焊与热导焊并存的状态，即中间态。
3、当材料温度低于沸点后，此时的较低激光功率密度将维持较长时间的热导焊状态，此时整个焊接沟槽内，焊接材料维持液态，并维持一定水平的对流，使不同焊接材料以分子级互相混合。
4、维持一定时间热导焊后，继续降低激光功率密度，则焊接沟槽内，逐渐冷却并凝结，焊接过程完成。
本发明的激光焊接方法具备了深熔焊快速、高效、熔深大、深宽比高的优势，并回避深熔焊稳定性差，易于受环境和激光器本身不稳定性影响的缺点；同时具备了热导焊稳定性高的优势，并回避了热导焊效率低，熔深小，深宽比低的缺点。
且本发明的激光焊接方法对所焊接材料，没有特殊要求，适合绝大多数焊接材料的焊接；该方法所使用的激光器种类没有特殊要求，支持市面上目前所有正在使用的激光器；对于所使用的激光波长也没有特殊要求，支持市面上目前所有正在使用的激光波长；焊接所需要的焊接材料的特性曲线，均可以通过本技术领域中惯用的技术手段较为方便地取得。
发明的激光焊接方法支持相同材料焊接、不同材料焊接、有/无焊丝（膏）焊接、有/无助焊剂等多种焊接方式；且相对其它混合激光焊接技术，本方法对控制部分要求低，易于实现，并可在现有激光焊接设备上，通过技术改造，软件升级等技术手段，实现产品的升级。
采用了该发明的激光焊接方法，由于其首先使用高功率密度激光，使焊接材料的焊点，在短时间内迅速到达深熔焊状态，达到较深的焊接沟槽深度，然后迅速降低激光功率密度，维持较长时间的热导焊状态，此时整个焊接沟槽内的焊接材料维持液态，并维持一定水平的对流，使不同焊接材料以分子级互相混合，以完成焊接，由此采用本发明的激光焊接方法，焊点光滑平整，无氧化现象，焊接效率较高，质量好，成品次品率低，且应用方法简便，使用范围较为广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种激光焊接方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
（1）控制激光器输出一具有确定的高功率密度的激光，使焊接温度达到焊接材料的沸点；
（2）控制激光器快速调整为输出一具有确定的低功率密度的激光，使焊接温度降低到焊接材料的熔点；
（3）维持该激光器输出所述的确定的低功率密度的激光至完成焊接。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述的焊接材料为铜PCB板和电气元件引脚插针，所述的铜PCB板和插针间的焊接位置涂敷有助焊剂。
3.根据权利要求2所述的激光焊接方法，其特征在于，所述的助焊剂为无铅焊锡膏。
4.根据权利要求2所述的激光焊接方法，其特征在于，所述的确定的高功率密度激光的功率密度为                                               
Figure 2011100657382100001DEST_PATH_IMAGE002
W/mm2，所述的低功率密度激光的功率密度为
Figure 2011100657382100001DEST_PATH_IMAGE004
W/mm2。
5.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤（1）具体为：
控制激光器的输出功率5W，光斑半径0.5mm，以插针中心为圆心，半径0.7mm ，速度200mm/s焊接一周。
6.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤（2）具体为：
快速调整激光器至输出功率5W，光斑半径2mm。
7.根据权利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，所述的快速调整激光器的步骤具体是指：通过控制激光器改变激光光路调整激光光斑半径。
8.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其特征在于，所述的步骤（3）具体为：
以插针中心为光斑圆心，持续激光输出3秒。
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