CN108296591B - 一种锡球焊接的自动化出锡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，特别是一种锡球焊接的自动化出锡装置及方法。包括激光光源B、聚焦镜片B、喷嘴、锡球传输器和电控三维调节台，所述激光光源B用于发射融化锡球的激光，所述聚焦镜片B用于将激光光源B发射的激光聚焦至喷嘴中心，所述电控三维调节台用于控制聚焦镜片B三向移动，所述锡球传输器用于传输锡球至喷嘴，其特征在于，还包括气压传感器：用于检测喷嘴内部的气压；激光能量计：用于测量激光通过喷嘴后所剩余的能量；电控比例阀：用于为喷嘴提供可控气体压力。通过检测喷嘴内的气压可以有效区分出工作状态从而确定喷嘴内有球还是无球；是否有焊渣残留。

Description

一种锡球焊接的自动化出锡装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是一种锡球焊接的自动化出锡装置及方法。

背景技术

激光锡球焊接方法已经在多年前开始广泛应用与磁头焊接、摄像头焊接、连接器焊接等微电子应用。锡球传输装置是焊接设备中的核心器件它一般由如下装置组成(专利公开号CN202114398U)如附图1和附图2就是一种转盘式的单锡球传输装置它主要由主轴101、窗口保护片102、上盖体103、下盖体104、碟片105、喷嘴106、油封107、密封圈108组成。上盖提103和下盖体104的接触面通过研磨配合可以做到较好的气密性，窗口片103与上盖体103之间通常加装有密封圈108进行密封；喷嘴106与下盖体104之间一般加装有膨胀环密封因此在以上装置的共同作用下可以认为上盖提103和下盖体104之间的空腔是一个密闭的空腔，喷嘴106内部气压与上盖体103、下盖体104之间的空腔气压相等。

激光束130通过窗口片102在聚焦装置131的作用下通过喷嘴106后照射到锡球132上，由于喷嘴内径孔最大仅有0.8mm因此对于激光照射的角度、位置、高低特别敏感稍微的位置偏差都有可能使激光照射在喷嘴内壁中而不是照射在锡球上(如附图3)。同时锡球传输器的整个材料为非透明无法从外部观察激光的调节位置；焊接激光常选用红外激光束肉眼不可见、红色指示激光通过聚焦系统后由于色差的问题焦点也与实际的工作激光焦点有偏差，这些综合因素都造成了人工调节激光束的位置困难也缺乏定量的评判标准，多依靠人工经验调节无法形成自动化控制。

在实际焊接过程中焊接激光需要精确照射到锡球中心，激光焦点也需要稍微离焦使部分激光能量照射到喷嘴上，避免喷嘴温度过低时锡球再次附着的概率。喷嘴106在使用过程中难免会出现有锡渣残留或激光束位置发生偏离(附图4所示)当出现此问题时锡球132将不能正确喷射或喷射角度发生变化，为解决该问题一般都需要人工停机检查喷嘴和清理，极大的影响了工作效率同时这些步骤无法形成自动化控制。

为解决上述问题传统的方法是这样的：在喷嘴106下增加一个摄像机，调节摄像机镜头与喷嘴之间的距离可以清晰的观察到激光传输光纤的端面和喷嘴内孔。通过这种方法人工将光纤中心对齐到喷嘴中心从而保证了激光焦点正好照射在锡球中心；当喷嘴出现锡渣残留时依旧使用该摄像机进行观察发现问题并人工清除。传统方法存在以下不足：只能用于多模光纤传输的激光器如灯泵浦激光器、半导体激光器；对于光纤激光器、固体泵浦激光器或单模激光器作为焊接光源时无能为力。因为单模光纤芯径仅10um而喷嘴内孔约为0.8mm两者相差接近80倍用同一个倍率的摄像机镜头无法同时兼顾两者的清晰成像，固体激光器可能就没有使用光纤进行传输更是无法观察到光纤中心。为提高生产良品率减少锡球熔化后在喷出过程中与封嘴重复发生粘连现象，需要将一部分激光能量照射到喷嘴上提高喷嘴温度，使用传统方法无法定量评判多少能量被喷嘴吸收。当喷嘴内出现锡渣残留时由于激光焦点的位置原因造成仅有少部分能量被喷嘴吸收，直接利用该激光照射熔化残留锡渣非常困难，同时也无法自动进行该操作必须依赖人工。传统方法已经不适应全自动化生产或无人工厂的需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能自动将激光焦点调节到喷嘴中心，判断锡球是否正常发射以及实现锡渣自动清理的锡球焊接的自动化出锡装置及方法。

本发明一种锡球焊接的自动化出锡装置的技术方案为，包括：激光光源B、聚焦镜片B、喷嘴、锡球传输器和电控三维调节台，所述激光光源B用于发射融化锡球的激光，所述聚焦镜片B用于将激光光源B发射的激光聚焦至喷嘴中心，所述电控三维调节台用于控制聚焦镜片B三向移动，所述锡球传输器用于传输锡球至喷嘴，其特征在于，还包括

气压传感器：用于检测喷嘴内部的气压；

激光能量计：用于测量激光通过喷嘴后所剩余的能量；

电控比例阀：用于为喷嘴提供可控气体压力。

较为优选的，还包括聚焦镜片A、激光光源A和反射镜，所述激光光源A用于发射对锡渣进行清理的激光，所述聚焦镜片A用于对所述激光进行聚焦后输出至反射镜，所述反射镜用于对激光光源B发出的激光进行透射以及对激光光源A发出的激光进行反射。

较为优选的，还包括密封安装在锡球传输器上的窗口保护片，所述窗口保护片用于透射激光光源A和激光光源B发出的激光。

较为优选的，所述激光光源A的波长为800-1000nm，最大功率大于10W，激光发射时间为1-30ms。

较为优选的，所述激光光源B的波长范围为800-1100nm，平均功率大于10W，峰值功率大于600W，激光发射时间为1-10ms。

本发明一种锡球焊接的自动化出锡方法的技术方案为，不断利用激光能量计测量激光通过喷嘴后所剩余的能量并根据测得的能量值调节激光焦点位置，使激光焦点位于喷嘴中心；

利用气压传感器测量喷嘴内的气压，根据所述气压判断锡球是成功发射还是存在锡渣残留。

较为优选的，不断利用激光能量计测量激光通过喷嘴后所剩余的能量并根据测得的能量值调节激光焦点位置，使激光焦点位于喷嘴中心包括以下步骤：

步骤1：测量喷嘴内无锡球时的气压值P1；

步骤2：在水平XY方向移动激光光源B和聚焦镜B，并同时利用激光能量计测量激光通过喷嘴后的能量，反复运行该步骤直到测量能量值达到最大值E1；

步骤3：保证水平XY方向不变，沿Z向调节激光光源B和聚焦镜B，同时利用激光能量计测量激光通过喷嘴后的能量，直至该值达到最大值达到E2；

步骤4：保证水平XY方向不变，沿Z向向下调节激光光源B和聚焦镜B，同时测量激光透过喷嘴后的能量值，直至该值达到E3时停止移动，E3＝0.9*E2。

较为优选的，所述利用气压传感器测量喷嘴内的气压，根据所述气压判断锡球是成功发射还是存在锡渣残留包括以下步骤：

步骤5：设定电控比例阀使其输出的气压值等于P2，P2的范围为0.4-2kPa；

步骤6：传输锡球进入喷嘴；

步骤7：通过气压传感器测量锡球传输器腔体内的气压值为P3；

步骤8当P3<P2时判断锡球为未能正确传输，再次重复上一步骤或产生报警信号；当P3＝P2时判断锡球正确进入喷嘴；

步骤9：发射激光光源B；

步骤10：通过气压传感器测量锡球传输腔体内的气压值为P4；

步骤11：当气压值P4大于P1且小于P2时判断有锡渣残留；当测量气压值P4不大于P1时判断锡球正常发射；当测量气压值P4等于P2时判断激光光源B(201)故障需要人工检查。

较为优选的，当判断为存在锡渣残留时还包括以下步骤：

步骤一：控制电控比例阀(211)增加锡球传输器(213)腔体内部气压使其等于P5，P5的范围为2-100kPa；

步骤二：发射激光光源A对残留的锡渣进行清理；

步骤三：通过气压传感器测量锡球传输器空腔内气压值P6；

步骤四：当气压值P6不大于P1时锡渣残留实现自动清除；当气压值P6大于P1自动清除失败，输出报警信号。

较为优选的，所述发射激光光源A对残留的锡渣进行清理的过程为：发射激光光源A持续时间T1后间隔T2时间再次发射激光A，重复该步骤1～3次，所述T1时间范围为10-30ms，T2时间范围为1-3秒。

本发明的有益效果是：采用本发明所述的方法可以使用自动化装置将激光焦点调节到喷嘴中心、将一定比例的激光能量照射到喷嘴上，该调节过程可自动进行；与传统方法1相比采用测量能量来检测焦点位置解决了使用光纤激光器、固体泵浦激光器等无法从摄像机中看清光纤芯径的问题。当需要焦点离焦使部分激光照射到喷嘴上时，通过检测喷嘴内的气压可以有效区分出工作状态从而确定喷嘴内有球还是无球；是否有焊渣残留。本发明设置两个激光器和两套聚焦装置可以使两者的焦点分别位于不同平面，焊接用的激光绝大部分能量都集中在锡球上用于快速将锡球熔化后喷出；清洗用的激光绝大部分能量都集中在喷嘴上使喷嘴快速升温熔化附着在上面的焊渣。引入电控比例阀装置，当正常焊接时使用较小气压，当需要激光清洗喷嘴时提供较大气压。利用高气压将熔化的焊渣喷射而出，整个过程可以在无人干预的情况下自动进行。

附图说明

图1、2为专利公开号CN202114398U一种转盘式的单锡球传输装置的结构示意图；

图3为激光束偏差照射在喷嘴内壁的示意图；

图4为锡渣残留或激光束位置发生偏离的结构示意图；

图5为本发明一种锡球焊接的自动化出锡装置的结构示意图；

图6为一种锡球焊接的自动化出锡方法中出锡流程图；

图7为一种锡球焊接的自动化出锡方法中对残留锡渣进行清理的流程图；

图中：101-主轴，102-窗口保护片，103-上盖体，104-下盖体，105-碟片，106、206-喷嘴，107-油封，108-密封圈，130-激光束，131-聚焦装置，132、207-锡球，133、213-锡球传输器，134-残留锡渣，201-激光光源B，202-聚焦镜片B，203-窗口保护片，204、212-气管，205-气压传感器，208-激光能量计，209-聚焦镜片A，210-激光光源A，211-电控比例阀，214-电控三维调节台，215-反射镜。

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。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图5所示，一种锡球焊接的自动化出锡装置包括：激光光源B 201、聚焦镜片B202、窗口保护片203、气管204和212、气压传感器205、喷嘴206、锡球207、激光能量计208、聚焦镜片A 209、激光光源A 210、电控比例阀211、锡球传输器213、电控三维调节台214、反射镜215组成。

电控三维调节台214与聚焦镜片B 202相连，电控三维调节台214可以在XYZ三个方向上带动聚焦镜片B 202移动，激光光源B 201聚焦后的焦点位置可以在电控三维调节台的带动下在喷嘴内部XYZ三个方向移动；通过电控三维调节台214可使激光焦点聚焦到所需的位置。

气压传感器205通过气管204与锡球传输器213的内部空腔相连用于测量喷嘴206内部气压值，控制该气压值可以控制锡球207受激光照射熔化后喷出的速度。通过测量喷嘴206内的等效气压可以确定喷嘴206内是否有锡球或有焊渣残留从而为自动启动清洗或报警功能提供依据。

电控比例阀211通过气管212与锡球传输器213内空腔相连为喷嘴206提供可控气体压力。当正常焊接时电控比例阀211提供较小气压用于喷射锡球，当需要清洗喷嘴206内的残留锡渣时提供较大气压，通过气流将熔化的焊渣喷射而出。

激光光源B 201发射的激光经过聚焦镜片202聚焦后透射入反射镜215和窗口保护片203中，调节激光聚焦焦点在喷嘴206中心，通过控制激光焦点的高度位置使激光大部分能量都照射到锡球206上，激光光源B 201是用于焊接工作的主要激光源。

激光光源A 210发射的激光经过聚焦镜片A 209聚焦后经反射镜215反射后透射入窗口保护片203中，通过控制激光焦点的高度位置使绝大部分激光都照射到喷嘴206上，激光光源A 210是用于清洁喷嘴的辅助激光光源。

喷嘴206的正下方有一个激光能量计208可以测量激光通过喷嘴208后所剩余的能量，通过测量激光光源B 201通过喷嘴206后的剩余能量可以判断激光焦点的位置是否正确。

如图6所示，本发明的工作流程包括流程A和流程B，其中，流程A用于控制激光焦点位置，以及控制出锡过程及锡球发射成功与否的判断，流程B用于在检测到残留锡渣后对锡渣进行清理：

流程A

第一步：测量喷嘴206内无锡球时的气压值P1，附图6-300。

第二步：电控三维调整台在水平XY方向移动激光光源B 201的聚焦镜B 202及光源，并同时测量激光通过喷嘴206后的能量，反复运行该步骤直到测量能量值达到最大E1，附图6-301。

第三步：保持电控三维调整台水平XY方向不变，Z方向调节使激光光源B 201和聚焦镜B 202使激光焦点逐渐向下或向上移动，同时测量激光透过喷嘴后的能量值当该值达到最大值E2时停止，附图6-302。

第四步：电控三维调整台保持XY方向不变，向下调节Z方向使激光光源B 201的焦点逐渐向下移动，同时测量激光透过喷嘴206后的能量值当该值为E3时停止移动，E3＝0.9*E2，附图6-303

第五步：设定电控比例阀使其输出的气压值等于P2，P2的范围为0.4-2kPa，附图6-304。

第六步：传输锡球进入喷嘴，附图6-305

第七步：通过气压传感器205测量锡球传输器213腔体内的气压值为P3，附图6-306。

第八步：当P3<P2时判断锡球为未能正确传输再次重复第七步或产生报警信号；当P3＝P2时判断锡球正确进入喷嘴进入第九步，附图6-307，308

第九步：发射激光光源B 201，激光发射持续时间为1-10ms，附图6-309。

第十步：通过气压传感器205测量锡球传输器213腔体内的气压值为P4，附图6-310。

第十一步：当气压值P4大于P1且小于P2时判断有锡渣残留进入流程B；当测量气压值P4不大于P1时判断锡球正常发射；当测量气压值P4等于P2时判断激光光源B故障需要人工检查，附图6-311，312，313。

流程B

第一步：控制电控比例阀211增加锡球传输器213腔体内部气压使其等于P5，P5的范围为2-100kPa，附图7-350。

第二步：发射激光光源A 210持续时间T1后间隔T2时间再次发射激光A 210重复该步骤N次，T1时间范围为10-30ms，T2时间范围为1-3秒，次数N等于1-3次，附图7-351。

第三步：通过气压传感器205测量锡球传输器213空腔内气压值P6，附图7-352。

第四步：当气压值P6不大于P1时残余锡球或焊渣得到清除；当气压值P6大于P1自动清除失败产生报警信号，附图7-353，354。

本发明所述的激光光源B 201是一种准直后的激光光束它的波长范围800-1100nm、平均功率大于10W、峰值功率大于600W、激光发射时间1-10ms(可以超出该范围)；可以是半导体激光器、固体泵浦激光器、光纤激光器等发射的激光，激光器的种类对本发明所述的方法无影响。

本发明所述的激光光源A 210是一种准之后的激光光束它的波长可以是800-1000nm，最大功率大于10W，激光发射时间1-30ms(可以超出该范围)；可以是半导体激光器、光纤激光器、固体泵浦激光器，激光器的种类对本发明所述的方法无影响。

本发明的所述的聚焦镜片B 202和聚焦镜片A 209是一种可以将激光聚焦的光学装置，它可以是单镜片或多镜片组组成；通过聚焦镜B 202聚焦后的激光束焦点位置光斑直径不能大于待焊接锡球直径；通过聚焦镜片A 209聚焦后的激光光束焦点位置光斑直径不能大于喷嘴最小内径。

本发明所述的窗口保护片片203是一种可以透射激光光源A 210和激光光源B 201的镜片，它透过率大于98％(800-1100nm)；窗口片与锡球传输器之间具有密封的结构，锡球传输器内的气体无法通过窗口保护片片203泄露。

本发明所述的电控三维调节台214是一种能够在XYZ三个维度调节的可控装置，该装置与聚焦镜片B 202和激光光源B 201相连通过调节三维调节台即可达到调整激光光源B201聚焦后的焦点位置的功能；该调节装置的具体形式对本发明所述的方法无影响。

本发明所述的电控比例阀211是一种可精确预设定气压的调节装置，通过电压、电流或其它形式可以调节输出的气压值；该电控比例阀同时具有增大气压和减小气压的功能；它通过气管212与锡球传输器213的内部空腔连接，从而达到控制锡球传输器213空腔内气压的目的。

本发明所述的气压传感器205是一种气压测量装置，通过气管204与锡球传输器213内部空腔相连后即可等效测量出喷嘴206内的气压值，该传感器的气压测量范围不小于0-3kPa，测量精度不小于0.01kPa。

本发明所述的激光能量计208是一种脉冲激光能量的测量装置，它的最大量程大于2.5J，精度不小于0.01J。

本发明所述的锡球206是一种通用的焊接耗材，常规直径有0.45、0.5、0.55、0.6、0.75mm等材质锡合金(如Sn96.5 Ag3 Cu0.5)，该锡球的直径、材质、品牌对本发明所述的方法无影响。

本发明所述的锡球传输器213是一种将单个锡球传输入喷嘴206的装置或装置集合，在锡球传输器内一个等效的密闭空腔，具有一个加压加入的入口和一个气压测量的出口，锡球传输都在该密闭空腔内进行，锡球传输器的具体结构形式对本发明无影响。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种锡球焊接的自动化出锡方法，其特征在于：一种锡球焊接的自动化出锡装置，包括激光光源B(201)、聚焦镜片B(202)、喷嘴(206)、锡球传输器(213)和电控三维调节台(214)，所述激光光源B(201)用于发射融化锡球的激光，所述聚焦镜片B(202)用于将激光光源B(201)发射的激光聚焦至喷嘴(206)中心，所述电控三维调节台(214)用于控制聚焦镜片B(202)三向移动，所述锡球传输器(213)用于传输锡球(207)至喷嘴(206)，还包括

气压传感器(205)：用于检测喷嘴(206)内部的气压；

激光能量计(208)：用于测量激光通过喷嘴(206)后所剩余的能量；

电控比例阀(211)：用于为喷嘴(206)提供可控气体压力；

不断利用激光能量计(208)测量激光通过喷嘴(206)后所剩余的能量并根据测得的能量值调节激光焦点位置，使激光焦点位于喷嘴(206)中心；

利用气压传感器(205)测量喷嘴(206)内的气压，根据所述气压判断锡球是成功发射还是存在锡渣残留；

不断利用激光能量计(208)测量激光通过喷嘴(206)后所剩余的能量并根据测得的能量值调节激光焦点位置，使激光焦点位于喷嘴(206)中心包括以下步骤：

步骤1：测量喷嘴(206)内无锡球时的气压值P1；

步骤2：在水平XY方向移动激光光源B(201)和聚焦镜片B(202)，并同时利用激光能量计(208)测量激光通过喷嘴(206)后的能量，反复运行该步骤直到测量能量值达到最大值E1；

步骤3：保证水平XY方向不变，沿Z向调节激光光源B(201)和聚焦镜片B(202)，同时利用激光能量计(208)测量激光通过喷嘴(206)后的能量，直至该值达到最大值达到E2；

步骤4：保证水平XY方向不变，沿Z向向下调节激光光源B(201)和聚焦镜片B(202)，同时测量激光透过喷嘴(206)后的能量值，直至该值达到E3时停止移动，E3＝0.9*E2。

2.如权利要求1所述的锡球焊接的自动化出锡方法，其特征在于：所述利用气压传感器(205)测量喷嘴(206)内的气压，根据所述气压判断锡球是成功发射还是存在锡渣残留包括以下步骤：

步骤5：设定电控比例阀(211)使其输出的气压值等于P2，P2的范围为0.4-2kPa；

步骤6：传输锡球进入喷嘴(206)；

步骤7：通过气压传感器(205)测量锡球传输器(213)腔体内的气压值为P3；

步骤8当P3<P2时判断锡球为未能正确传输，再次重复上一步骤或产生报警信号；当P3＝P2时判断锡球正确进入喷嘴；

步骤9：发射激光光源B(201)；

步骤10：通过气压传感器(205)测量锡球传输器(213)腔体内的气压值为P4；

步骤11：当气压值P4大于P1且小于P2时判断有锡渣残留；当测量气压值P4不大于P1时判断锡球正常发射；当测量气压值P4等于P2时判断激光光源B(201)故障需要人工检查。

3.如权利要求1所述的锡球焊接的自动化出锡方法，其特征在于，当判断为存在锡渣残留时还包括以下步骤：

步骤一：控制电控比例阀(211)增加锡球传输器(213)腔体内部气压使其等于P5，P5的范围为2-100kPa；

步骤二：发射激光光源A(210)对残留的锡渣进行清理；

步骤三：通过气压传感器(205)测量锡球传输器(213)空腔内气压值P6；

步骤四：当气压值P6不大于P1时锡渣残留实现自动清除；当气压值P6大于P1自动清除失败，输出报警信号。

4.如权利要求3所述的锡球焊接的自动化出锡方法，其特征在于，所述发射激光光源A(210)对残留的锡渣进行清理的过程为：发射激光光源A(210)持续时间T1后间隔T2时间再次发射激光A，重复该步骤1～3次，所述T1时间范围为10-30ms，T2时间范围为1-3秒。

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