CN102500855B - 一种用于半导体激光器的锡焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光器的锡焊接方法，配合自动化工作台焊接，其特征在于：包括以下步骤：1)半导体激光光束整形：设置柱透镜、激光聚焦单元，以及采用长焦距非球面透镜进行方形光斑的光纤耦合；2)半导体激光输出任意波形控制。进一步的特征在于：所述自动化工作台是具有调速功能的自动化工作台；还包括以下步骤：3)采用具有调速功能的自动化工作台配合半导体激光调速输出焊接。本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的半导体激光焊接控制方式多样化，激光功率调制可以适应塑性材料的差异以及工件的个性化和特殊化，不会在过高的能量密度下造成低熔点焊锡丝弯曲，或者是焊锡熔化成颗粒状，有效避免产生焊锡飞溅、虚焊或脱焊。

Description

一种用于半导体激光器的锡焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接，特别是涉及一种用于半导体激光器的锡焊接方法。

背景技术

现有的连续半导体激光焊接控制方式较为单一，半导体激光器输出的是发散角度差异甚大的两个发散方向的光束，其快轴一般为30～50°，慢轴一般小于10°，经后续光学系统的视场角不均匀，成像也不规则，特别是半导体激光功率调制往往不适应塑性材料的差异以及工件的个性化和特殊化，在过高的能量密度下易造成低熔点焊锡丝弯曲，或者是焊锡熔化成颗粒状，产生焊锡飞溅、虚焊或脱焊。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种用于半导体激光器的锡焊接方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种用于半导体激光器的锡焊接方法，配合自动化工作台焊接。

这种用于半导体激光器的锡焊接方法的特点是：

包括以下步骤：

1)半导体激光光束整形

所述半导体激光光束整形包括：

在半导体激光的自由光路中设置对半导体激光器输出的发散角度差异甚大的两个发散方向的光束进行矫正整形的柱透镜，所述柱透镜的曲率经过光学计算实现精确的数值化；

采用长焦距非球面透镜进行方形光斑的光纤耦合，消除激光束的像差，降低像放孔径角，通过设定光纤直径，以及光纤所能接收的最大入射光角度即数值孔径，改变出射光的发散角度和激光的空间模式，以增加光束形状的可选择性，显著提高锡焊接的适应性和灵活性；

还在半导体激光的自由光路中设置对光束进一步整形的激光聚焦单元，所述激光聚焦单元的光学参数由锡焊接环境决定。

2)半导体激光输出任意波形控制

所述半导体激光输出任意波形控制，包括以下四个控制阶段即四个子步骤：

2·1)升温：在升温时间内将激光功率提升至峰值功率，使焊锡的温度从室温达到其熔点以上，所述升温时间和峰值功率由焊锡的相应不同熔点决定，例如熔点是175℃；

2·2)初次降温：在初次降温时间内将激光功率降低至小于峰值功率的功率，使焊锡的温度从熔点降低至熔点附近；

2·3)保温：在保温时间内将激光功率维持为小于峰值功率的功率不变，使焊锡充分熔化或接近全部熔化；

2·4)降温至零度：在降温至零度时间内将激光功率降低至更小于峰值功率的功率，使焊锡的温度从熔点温度缓慢下降到0℃，以有效控制焊锡飞溅、虚焊或脱焊，且使焊锡在热收缩的过程中避免出现小孔，外观美观，所述降温至零度时间由焊焊接环境决定。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

在很多实际的锡焊工艺中，只依靠光束整形和波形控制也无法达到理想的焊接效果，例如存储卡的焊盘和金层之间需要焊接的面积比较大，约12mm²，需要加入更多的焊锡填充焊接位置，单纯采用波形控制在某一点位置加热，焊接位置各点的温度不均匀，存在温度梯度，焊锡也无法均匀的焊接在其间，仍然可能产生焊锡飞溅、虚焊或脱焊。

为此，这种用于半导体激光器的锡焊接方法的进一步特点是：

所述自动化工作台是具有调速功能的自动化工作台；

还包括以下步骤：

3)采用具有调速功能的自动化工作台配合半导体激光调速输出焊接，包括以下三个控制阶段即三个子步骤：

3·1)加速运动：在加速运动时间内将激光运动速度由零提升至峰值速度，所述加速运动时间和预热温度由锡焊接环境和要求决定；

3·2)匀速运动：在匀速运动时间内将激光运动速度保持在峰值速度，使焊锡充分熔化；

3·3)减速运动：在减速运动时间内将激光运动速度由峰值速度减低至零，使焊锡从一工件逐渐吸附在另一工件上，避免产生虚焊。

本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。

所述锡焊接环境包括焊锡材料、散热介质材料、环境温度、环境湿度、自动化工作台行走精度、激光器功率稳定性，以及焊接工件工装夹具的装配稳定性。例如散热介质为铜的降温至零度时间小于散热介质为铝的降温至零度时间

所述升温时间、初次降温时间、保温时间与降温至零度时间之和在0.6秒钟以内。

所述加速运动时间、匀速运动时间与减速运动时间之和为1～2秒钟。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的半导体激光焊接控制方式多样化，激光功率调制可以适应塑性材料的差异以及工件的个性化和特殊化，不会在过高的能量密度下造成低熔点焊锡丝弯曲，或者是焊锡熔化成颗粒状，有效避免产生焊锡飞溅、虚焊或脱焊。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行说明。

一种用于半导体激光器的锡焊接方法，配合具有调速功能的自动化工作台焊接，半导体激光器相关参数如下：

激光波长：808nm；激光功率：30W；激光光斑：400μm(理论值)；

光纤直径：200或400um／NA0.17；工作距离：70～120mm。

锡焊接方法包括以下步骤：

1)半导体激光光束整形，包括：

在半导体激光的自由光路中设置柱透镜对半导体激光器输出的发散角度差异甚大的两个发散方向的光束进行矫正整形，柱透镜的曲率经过光学计算实现精确的数值化；

采用长焦距非球面透镜进行方形光斑的光纤耦合，消除激光束的像差，降低像放孔径角，通过设定光纤直径，以及光纤所能接收的最大入射光角度即数值孔径，改变出射光的发散角度和激光的空间模式，以增加光束形状的可选择性，显著提高锡焊接的适应性和灵活性；

还在半导体激光的自由光路中设置激光聚焦单元对光束进一步整形，激光聚焦单元的光学参数由锡焊接环境决定。

2)半导体激光输出任意波形控制，包括以下四个控制阶段即四个子步骤：

2·1)升温：在升温时间t1内将激光功率提升至峰值功率w1，使焊锡的温度从室温达到其熔点以上，升温时间t1和峰值功率w1由焊锡的相应不同熔点决定，例如熔点是175℃；

2·2)初次降温：在初次降温时间t2内将激光功率降低至小于峰值功率w1的功率w2，使焊锡的温度从熔点降低至熔点附近；

2·3)保温：在保温时间t3内将激光功率维持为小于峰值功率w1的功率w2不变，使焊锡充分熔化或接近全部熔化；

2·4)降温至零度：在降温至零度时间t3内将激光功率降低至更小于峰值功率w1的功率w3，使焊锡的温度从熔点温度缓慢下降到0℃，以有效控制焊锡飞溅、虚焊或脱焊，且使焊锡在热收缩的过程中避免出现小孔，外观美观，所述降温至零度时间t3由锡焊接环境决定；

其中t1+t2+t3+t4≤0.6秒钟。

3)采用具有调速功能的自动化工作台配合半导体激光调速输出焊接，包括以下三个控制阶段即三个子步骤：

3·1)加速运动：在加速运动时间T1内将激光运动速度由零提升至峰值速度v1，加速运动时间T1和预热温度由锡焊接环境和要求决定；

3·2)匀速运动：在匀速运动时间T2内将激光运动速度保持在峰值速度v1，使焊锡充分熔化；

3·3)减速运动：在减速运动时间T3内将激光运动速度由峰值速度v1减低至零，使焊锡从一工件逐渐吸附在另一工件上，避免产生虚焊。

其中T1+T2+T3=1～2秒钟。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种用于半导体激光器的锡焊接方法，配合自动化工作台焊接，其特征在于：

包括以下步骤：

1)半导体激光光束整形

所述半导体激光光束整形包括：

在半导体激光的自由光路中设置对半导体激光器输出的发散角度差异甚大的两个发散方向的光束进行矫正整形的柱透镜，所述柱透镜的曲率经过光学计算实现精确的数值化；

采用长焦距非球面透镜进行方形光斑的光纤耦合，消除激光束的像差，降低像放孔径角；

还在半导体激光的自由光路中设置对光束进一步整形的激光聚焦单元，所述激光聚焦单元的光学参数由锡焊接环境决定；

2)半导体激光输出任意波形控制

所述半导体激光输出任意波形控制包括以下四个控制阶段即四个子步骤：

2·1)升温：在升温时间内将激光功率提升至峰值功率，使焊锡的温度从室温达到其熔点以上，所述升温时间和峰值功率由焊锡的相应不同熔点决定；

2·2)初次降温：在初次降温时间内将激光功率降低至小于峰值功率的功率，使焊锡的温度从熔点降低至熔点附近；

2·3)保温：在保温时间内将激光功率维持为小于峰值功率的功率不变，使焊锡充分熔化或接近全部熔化；

2·4)降温至零度：在降温至零度时间内将激光功率降低至更小于峰值功率的功率，使焊锡的温度从熔点温度缓慢下降到0℃，所述降温至零度时间由锡焊接环境决定。

2.如权利要求1所述的用于半导体激光器的锡焊接方法，其特征在于：

所述自动化工作台是具有调速功能的自动化工作台；

还包括以下步骤：

3)采用具有调速功能的自动化工作台配合半导体激光调速输出焊接，包括以下三个控制阶段即三个子步骤：

3·1)加速运动：在加速运动时间内将激光运动速度由零提升至峰值速度，所述加速运动时间和预热温度由锡焊接环境和要求决定；

3·2)匀速运动：在匀速运动时间内将激光运动速度保持在峰值速度，使焊锡充分熔化；

3·3)减速运动：在减速运动时间内将激光运动速度由峰值速度减低至零，使焊锡从一工件逐渐吸附在另一工件上，避免产生虚焊。

3.如权利要求1或2所述的用于半导体激光器的锡焊接方法，其特征在于：

所述锡焊接环境包括焊锡材料、散热介质材料、环境温度、环境湿度、自动化工作台行走精度、激光器功率稳定性，以及焊接工件工装夹具的装配稳定性。

4.如权利要求1所述的用于半导体激光器的锡焊接方法，其特征在于：

所述升温时间、初次降温时间、保温时间与降温至零度时间之和在0.6秒钟以内。

5.如权利要求2所述的用于半导体激光器的锡焊接方法，其特征在于：

所述加速运动时间、匀速运动时间与减速运动时间之和为1～2秒钟。