CN104202918B - 一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，本方法能计算出锡膏在焊接过程中每个时刻的温度值。根据每一个阶段焊盘的具体情况，选择最好的参数，更好的保证焊接质量，达到最优控制的目的，本发明直接应用于激光焊接精密仪器。

Description

一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，属于焊接领域。

背景技术

激光软钎焊在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光软钎焊热影响区小、加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光软钎焊也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光软钎焊效果很好，得到广泛的应用。

近年来激光软钎焊又逐渐应用到印制电路板的装联过程中。随着电路的集成度越来越高，零件尺寸越来越小，引脚间距也变得更小，以往的工具已经很难在细小的空间操作。激光由于不需要接触到零件即可实现焊接，很好的解决了这个问题，受到电路板制造商的重视。

但是对激光功率控制不好的话，也会影响到焊接质量，比如容易生成气孔、不能使助焊剂活性达到最大、疏松和裂纹、焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷，软钎焊过程不稳定等等，为消除或减少激光软钎焊的缺陷，需要对激光的功率输出进行严格的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，本方法分为四个阶段，经过精密的仿真和实际操作，得出了本方法具体参数的取值。本方法能计算出锡膏在焊接过程中每个时刻的温度值。根据每一个阶段焊盘的具体情况，选择最好的参数，更好的保证焊接质量，达到最优控制的目的，本发明直接应用于激光焊接精密仪器。

在软钎焊焊接工艺中，最难把握的就是软钎焊温度曲线的设定，本申请发明人通过理论和实践得出了软钎焊工艺对焊锡温度的控制方法。为了尽量避免因不良温度曲线引起的软钎焊缺陷，以图1的温度曲线为例，为充分理解曲线的各阶段对焊膏成分的影响，将温度曲线分成预热段、活性段、回流段和冷却段，四个阶段有不同的目的，所以激光照射的功率和时间也不同，但是各个阶段之间又是按照顺序，紧密联系的。在各个阶段进行计算时，最主要的是要先了解清楚上一个阶段的状态，以及此阶段的能量散失途径，才能通过能量守恒定理来进行计算。然后建立温度关于时间的函数，经过微分等计算就能算出软钎焊在每一个时刻的温度。

在软钎焊焊接工艺中，能量散失途径包括激光发射能量、热传递散失能量、空气对流散失能量和材料温度上升消耗能量，如图2所示。方法的输入有室温，激光的输出功率，焊盘的形状和焊锡的质量；输出有焊锡的温度。通过对这些热量的产生和散失的追踪，就能知道焊锡所处的状态。

下面结合图1、图2阐述本方法中每个阶段的作用和具体内容。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，包括：

1)预热段

此阶段的目的是使PCB板、焊锡和引脚温度上升，使焊锡融化，温度上升不能太快，否者损坏板子和零件，也会导致助焊剂中溶剂的丧失，温度上升也不能太慢,否者锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度；

初始状态为引脚、焊锡和PCB板都处于室温状态T0，激光焊接器开始工作，得到此时的能量产生和消耗方向，同时满足下列关系：

Q_激光＝Q_热传递+Q_空气对流+Q_焊锡融化

即∫W·klaserdt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T-TB)·S+m·C1·(T-TB)

其中，W为激光功率，klaser为激光损耗率，knn为焊膏热传导系数，kshape焊膏传导热几何系数，T为焊接处的温度，S为焊膏面积，hf对流热系数，m为焊锡的质量，C1焊膏未熔化前比热容，对上面公式求导后得到关于时间t的一阶函数：

然后得到焊锡温度T关于时间t的函数：

令该函数等于：

解方程得到：T(t)＝(TB-q1/p1)·exp^-p1·^t+q1/p1

焊锡的温度变化从室温T0达到熔点Tmelt时，中温锡膏170℃，带入Tmelt，计算出激光的功率和激光焊接时间；

2)活性段

活性段的目的是在预热段达到焊锡的熔点Tmelt时，保证pcb板、焊盘、焊锡都达到同一温度。

在此阶段激光所产生的能量主要用于使焊锡融化，由固态变成液态，温度不变，所以能量满足下列关系：

Q_产生＝Q_焊锡融化

式中Q_焊锡融化是和焊锡的质量成正比的一个常量，经过对等式两边求导和积分，求出在此阶段的焊锡温度关于时间的函数，再根据焊锡的温度爬升速率，得出在活性段所需的时间t1＝Kmelt1·m1/W。

电路板上的元件吸热能力通常有很大差别,有时需要延长活性周期,减少形成峰值回流温度之前元件之间的温度差。但是太长的活性周期可能导致助焊剂蒸发太快,以致在熔焊区无法充分结合与润湿,引起引脚与焊盘的氧化,减弱焊膏的上锡能力。太快的温度上升速率则会导致溶剂的快速气化,可能引起锡珠等缺陷,而过短的活性周期又无法使活性剂充分发挥功效,也可能造成整个电路板预热温度的不平衡,从而导致不沾锡、焊后断开、焊点空洞等缺陷,所以应根据电路板的设计情况及回流炉的对流加热能力来决定活性周期的长短及温度值。

3)回流段

回流段目的是使铅锡粉末融化,让铅锡粉末微粒结合成一个锡球并使焊盘表面充分润湿，为了保证良好的焊板质量，因此应找到理想的峰值Ttop与时间的最佳结合，一般应使曲线的尖端区覆盖面积最小，在此阶段能量的流向和预热阶段的一样，主要是热传递消耗能量、空气对流能量的散失和材料温度上升消耗能量。

Q_激光＝Q_热传递+Q_空气对流+Q_焊锡融化

即∫W·klaserdt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T-Tmelt)·S+m·C2·(T-Tmelt)

此时C2为熔化合金比热容，

将等式两边经过微分及解微分方程，得焊锡温度和时间的函数：

T(t)＝(Tmelt-q2/p2)·exp^-p2·t+q2/p2

初始温度为焊锡的熔点Tmelt，最终温度为最高温度Ttop，中温锡膏210℃，得出激光焊接的时间；

4)冷却段

在冷却段为了防止温度下降过快或过慢，需要选择合适的参数，以此来充分保证焊盘质量，具体分为保温段、凝固段和散热段，

由于在保温段时的焊锡仍然是液体状态，所以Q_焊锡融化中的比热容仍然是焊锡液态时的数值，且初始温度为Ttop，中温锡膏210℃，焊锡的具体温度T满足Tmelt<T<Ttop，得到温度T关于时间的函数，由于功率保持不变，就得到保温段的最终温度Tsold，中温锡膏180℃。

在保温段时的能量的流向和预热阶段的一样，但此时是保持功率不变，同样有：

Q_激光＝Q_热传递+Q_空气对流+Q_焊锡融化

即∫w·klaserdt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T_-Ttop)·S+m·C2·(T_-Ttop)

同样将等式两边经过微分及解微分方程，得：

T(t)＝(Ttop-q3/p3)·exp^-p3·t+q3/p3

第二个阶段是凝固段，即Tmelt<T<Tsold时，焊锡由液态变为固态，散发的能量和融化所需能量差不多，且散热速度和散热面积有关，此时激光的功率为0，得到：

∫0·klaser·dt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T-Tsold)·S+m·C2·(T-Tsold)

同样将等式两边经过微分及解微分方程，得：

T(t)＝Tsold·exp^-p4·t

第三个阶段是凝固结束后的正常散热阶段，焊盘的温度由Tsold降到室温，通过计算分析得焊盘的温度和时间的关系为：

T(t)＝Tmelt·exp^-p5·t

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在预热段，所述klaser变化范围为0.2-0.8。

进一步，在预热段，所述knn焊膏热传导系数为401w/m*K。

进一步，在预热段，所述kshape焊膏传导热几何系数为15-40。

进一步，在预热段，所述hf对流热系数为10w/m²*K。

进一步，在预热段，所述C1焊膏未熔化前比热容为230J/kg*℃。

在此方法中，主要还涉及到激光功率损耗率Klaser和焊膏热几何传导系数Kshape的测定，具体是通过实验和计算所得，带入后经检验，理论值和现实情况有高度的一致性，仿真结果如图3所示。同时针对不同的实际情况，比如焊锡质量或焊盘面积有变化时，对这个温度所产生的影响。本方法也进行了详细的分析，在预热阶段焊膏的质量发生M^*变化时W＝W^*+P₂*M^*,和质量的变化量成正比。若是焊盘面积发生变化S^*，相应的焊锡质量也将发生变化时，得到W＝W^*+P₃*S^*，可以看出能量的消耗和面积的改变量成正比。当在活性段时，焊膏的质量发生变化，只改变活性时间。若是焊盘面积发生变化S^*，相应的焊锡质量也将发生变化时，依然可以得到相同的结果，W＝W^*+P₄*S^*，仍然和面积的改变量成正比，只是系数不同。

在实际生产中,并不能要求所选择每一点的温度曲线均达到较为理想的情况,有时由于元件密度、所承受最高温度的不同及热特性的巨大差异或由于板材的不同及激光照射的限制,而导致有些点的温度曲线无法满足要求,这时必须综合各元件对整个电路板功能的影响从而选择最为有利的功率和时间参数。

本发明的有益效果是：

本发明针对激光软钎焊焊锡融化和凝固过程设计了温度的控制方法，具体涉及一种建立焊盘类型、激光输出功率和焊接材料上的温度场的方法。本发明将钢板按照四个阶段划分为很多小阶段，增加了焊锡实时温度的精确性。通过在不同阶段不同散热途径的分析，更精确的逼近实际实验所得结果。

本方法计算的是激光软钎焊时焊锡的温度，本方法不仅可以计算焊锡的动态温度变化，而且能计算出每个时刻焊锡和其他材料的温度变化，对激光软钎焊焊接过程有很好的指导价值。

附图说明

图1为本发明激光软钎焊的温度曲线图；

图2为本发明能量流向图；

图3为本发明Kshape和Klaser确定情况下的仿真曲线图；

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

1)在预热阶段，使用适中焊锡温度上升速率

CURRENT＝750，上升速率过慢，助焊剂未达到活性区，

CURRENT＝1500，上升速率过快，产生大量飞溅，

CURRENT＝1000，上升速度适合，从初始温度上升到160℃时，上升速率平均值为450-550℃/s)(当采用PD控制时，可以使得直线上升速度为500℃/S)，采用此时上升速率作为预热上升速率v，这里的v也是估算值。

当T(t)＝Tmelt-10为预热终止温度时，满足

当采用1mmx2mm镀锡焊盘时，此时从模型上仿真能看到上升速度过慢，因此设定W＝5.18w时，上升时间依据仿真数据得到t1＝324ms，满足适当的上升速率，因此，最佳功率为W＝5.1863W，t1＝0.324s＝324ms。

2)当在活性段时，需要使得温度保持在熔点以上5℃左右，保证焊膏熔化，并且铺展，此时使得温度保持在175℃，持续一定时间，时间为预热时间的1.5倍(通过标准焊接参数预估，为1-2倍之间，该时间与焊盘面积有关)(此时，取t2＝1.5*t1,保持在175℃，即为Tmelt+5：此时上升速率0<＝T’<500℃/s。

则有：p(2)*T(t2-Δt)≈q(2)

t2＝1.5·t1

解得，W＝4.6233w，持续时间t2＝0.486s

3)当在回流段时，在达到210℃时稳定一定时间，此时功率由

则有：p(2)·T(t3-Δt)≈q(2)

得到

解得，W＝5.5480w，持续时间t3＝0.368s

若采用上升速率为预热段1.5倍时，

T(t3-Δt)＝Tmelt+40,温度上升速度为预热段的1.5倍，则有vv2＝1·vv,

依T(t)＝(Tmelt+5-q(i)/p(i))·exp^-p(i)·t+q(i)/p(i)

则有：T(t3)＝(Tmelt+5-q(i)/p(i))·exp^-p(i)·t3+q(i)/p(i)

(1+exp^-p(i)*t3)·[q(i)-(Tmelt+5)·p(i)]＝2·vv2

则有W＝[(2·Tmelt+45)·Knn·Kshape·S+2·vv2·(m·C(i)+hf·S)]/(2·klaser)

解得，W＝8.8147，t3＝68ms，速度极快。

4)当回流段结束,铺展基本完成，设置功率为0。

工艺验证实验设计

预设实验功率设定：

W1＝5.18w,t1＝324ms

W2＝4.62w,t2＝486ms

W3＝5.55W,t3＝368ms

实验结果为：采用当前功率和照射时间，得到焊点效果良好，焊接30个点良好，有2个点轻微起球，良品率为93.3％。

综上所述，本激光软钎焊温度控制方法，很好的解决了在焊接过程中对焊盘温度的精确要求，可以实时的模拟出焊盘在每一个阶段的温度变化，对于保证高品质的焊接起到了重要作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，其特征在于，包括：

1)预热段

初始状态为引脚、焊锡和PCB板都处于室温状态T0，激光焊接器开始工作，得到此时的能量产生和消耗方向，同时满足下列关系：

Q_激光＝Q_热传递+Q_空气对流+Q_焊锡融化

即∫W·klaserdt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T-TB)·S+m·C1·(T-TB)

其中，W为激光功率，klaser为激光损耗率，knn为焊膏热传导系数，kshape焊膏传导热几何系数，T为焊接处的温度，S为焊膏面积，hf对流热系数，m为焊锡的质量，C1焊膏未熔化前比热容，对上面公式求导后得到关于时间t的一阶函数：

$W\&CenterDot;klaser=Knn\&CenterDot;Kshape\&CenterDot;S\&CenterDot;T+hf\&CenterDot;\stackrel{\&CenterDot;}{T}\&CenterDot;S+m\&CenterDot;C1\&CenterDot;\stackrel{\&CenterDot;}{T}$

然后得到焊锡温度T关于时间t的函数：

$\stackrel{\&CenterDot;}{T}+\frac{Knn\&CenterDot;Kshape\&CenterDot;S}{m\&CenterDot;C1+hf\&CenterDot;S}\&CenterDot;T=\frac{W\&CenterDot;klaser}{m\&CenterDot;C1+hf\&CenterDot;S}$

令该函数等于：

解方程得到：T(t)＝(TB-q1/p1)·exp^-p1·t+q1/p1

焊锡的温度变化从室温T0达到熔点Tmelt时，中温锡膏170℃，带入Tmelt，计算出激光的功率和激光焊接时间；

2)活性段

此阶段激光所产生的能量用于使焊锡融化，由固态变成液态，温度不变，所以能量满足下列关系：

Q_产生＝Q_焊锡融化

式中Q_焊锡融化是和焊锡的质量成正比的一个常量，经过对等式两边求导和积分，求出在此阶段的焊锡温度关于时间的函数，再根据焊锡的温度爬升速率，得出在活性段所需的时间t1＝Kmelt1·m1/W；

3)回流段

此阶段能量的流向和预热阶段一样：

Q_激光＝Q_热传递+Q_空气对流+Q_焊锡融化

即∫W·klaserdt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T-Tmelt)·S+m·C2·(T-Tmelt)

此时C2为熔化合金比热容，

将等式两边经过微分及解微分方程，得焊锡温度和时间的函数：

T(t)＝(Tmelt-q2/p2)·exp^-p2·t+q2/p2

初始温度为焊锡的熔点Tmelt，最终温度为最高温度Ttop，中温锡膏210℃，得出激光焊接的时间；

4)冷却段

冷却段分为保温段、凝固段和散热段，由于在保温段时的焊锡仍然是液体状态，所以Q_焊锡融化中的比热容仍然是焊锡液态时的数值，且初始温度为Ttop，中温锡膏210℃，焊锡的具体温度T满足Tmelt<T<Ttop，得到温度T关于时间的函数，由于功率保持不变，就得到保温段的最终温度Tsold，中温锡膏180℃；

在保温段的能量流向和预热阶段一样，但此时是保持功率不变，同样有：

Q_激光＝Q_热传递+Q_空气对流+Q_焊锡融化

即∫w·klaserdt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T-Ttop)·S+m·C2·(T-Ttop)

同样将等式两边经过微分及解微分方程，得：

T(t)＝(Ttop-q3/p3)·exp^-p3·t+q3/p3

第二个阶段是凝固段，即Tmelt<T<Tsold时，焊锡由液态变为固态，此时激光的功率为0，得到：

∫0·klaser·dt＝∫Knn·Kshape·T·Sdt+hf·(T-Tsold)·S+m·C2·(T-Tsold)

同样将等式两边经过微分及解微分方程，得：

T(t)＝Tsold·exp^-p4·t

第三个阶段是散热阶段，焊盘的温度由Tsold降到室温，通过计算分析得焊盘的温度和时间的关系为：

T(t)＝Tmelt·exp^-p5·t。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述klaser变化范围为0.2-0.8。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述knn焊膏热传导系数为401w/m*K。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述kshape焊膏传导热几何系数为15-40。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述hf对流热系数为10w/m²*K。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述C1焊膏未熔化前比热容为230J/kg*℃。