CN111390318B - Smd器件焊接控制系统及焊接控制方法 - Google Patents

Smd器件焊接控制系统及焊接控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种SMD器件焊接控制系统及焊接控制方法，其中，SMD器件焊接控制系统中包括：控制终端；位置感应装置，设置于回流区域周围且与控制终端连接，用于感应焊接底板于导轨上的行进位置；当感应到焊接底板运行至预设回流区位置时，发送感应信号至控制终端；由第二电机驱动控制的机械挡板，活动设置于预设回流区位置处导轨的上方，且第二电机与控制终端连接，用于接收控制终端基于感应信号生成的控制信号，并在该控制信号的控制下下降至行进方向上待焊接SMD器件前端的预设位置并作用预设时间后上升至初始位置，使SMD器件与行进中的焊接底板发生相对位移，从而改善氮气回流焊炉器件空洞。

Description

SMD器件焊接控制系统及焊接控制方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种SMD器件焊接控制系统及焊接控制方法。
背景技术
回流焊接是表面贴装技术(SMT)将电子元件黏接至印刷电路板上最常使用的方法。在传统的回流焊接过程中，通常分为四个阶段：“预热”、“浸热”、“回流”与“冷却”，逐步熔化焊料与缓慢加热连接界面，避免急速加热而导致电子元件的损坏。
对于大面积焊盘灯珠或其他具有大焊盘的SMD器件来说，如焊盘面积大于2*2mm(毫米)，进行常规回流焊接后会出现空洞率难以控制的情况，使得器件与热沉/散热器有效接触面积减少，导致器件的散热性能和可靠性能大大下降。尤其是对于一些对散热和可靠性要求较高的应用，对空洞率的要求往往较为严格，这一现象很大程度上限制了器件的应用。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种SMD器件焊接控制系统及焊接控制方法，有效解决常规回流焊接后出现的空洞率高的技术问题。
本发明提供的技术方案为：
一种SMD器件(Surface Mounted Devices，表面贴装器件)焊接控制系统，应用于回流焊炉，所述回流焊炉中包括由第一电机驱动控制的导轨，所述导轨在第一电机的驱动下动作进一步带动表面的焊接底板沿导轨方向行进，所述焊接底板表面的焊盘位置有焊锡，焊锡表面放置有待焊接的SMD器件；
所述SMD器件焊接控制系统中包括：
控制终端；
位置感应装置，设置于回流区域周围且与所述控制终端连接，用于感应焊接底板于导轨上的行进位置；当感应到焊接底板运行至预设回流区位置时，发送感应信号至控制终端；
由第二电机驱动控制的机械挡板，活动设置于预设回流区位置处导轨的上方，且所述第二电机与控制终端连接，用于接收控制终端基于感应信号生成的控制信号，并在该控制信号的控制下下降至行进方向上待焊接SMD器件前端的预设位置并作用预设时间后上升至初始位置，使SMD器件与行进中的焊接底板发生相对位移。
本发明还提供了一种SMD器件焊接控制方法，应用于上述SMD器件焊接控制系统，包括：
导轨带动表面的焊接底板沿导轨方向行进，所述焊接底板表面放置有待焊接的SMD器件且焊盘位置有焊锡；
位置感应装置感应到焊接底板运行至预设回流区位置并发送感应信号至控制终端；
控制终端接收到位置感应装置发送的感应信号并生成控制信号；
机械挡板在控制信号的控制下下降至行进方向上待焊接SMD器件前端的预设位置并作用预设时间后上升至初始位置，使SMD器件与行进中的焊接底板发生相对位移；
SMD器件在锡膏的作用下回复至焊接底板表面的初始位置，完成SMD器件的焊接。
在本发明提供的SMD器件焊接控制系统及焊接控制方法中，使用位置感应装置感应焊接底板到达预设回流区位置后，通过第二电机控制机械挡板下降到SMD器件前端的预设位置处，利用机械推力来推动熔融状态下的SMD器件产生相对位移，使SMD器件与焊接底板之间的气泡从间隙中排出，后利用熔融后锡膏的回拉力将SMD器件回复至初始位置，从而改善氮气回流焊炉器件空洞。相比于现有技术中空洞率均值为20％(随焊接面增大比例增加)的普通回流焊方法来说，在该焊接控制方法的控制下焊接的SMD器件的空洞率低至5％；且整个系统能够在高温等严苛条件下相对长期稳定工作，可靠性强。
附图说明
图1为本发明中焊接控制系统结构示意图；
图2为本发明中焊接控制方法流程示意图；
图3为一实例中在如图2所示焊接控制方法的控制下焊接的SMD器件与常规焊接方法焊接的SMD器件的空洞对比图。
附图标记：
1-导轨，2-焊接底板，3-SMD器件，4-位置感应装置，5-机械挡板，6-空洞。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
针对现有技术中，常规回流焊接后会出现空洞率难以控制的情况，本申请中提供了一种SMD器件焊接控制系统，应用于回流焊炉，对SMD器件回流焊接的过程进行控制，降低空洞率。回流焊是通过回流焊炉内温度的不同变化使SMD器件与焊接底板上的焊盘通过锡膏的熔融焊接在一起的过程，这一过程中，将表面放置有待焊接SMD器件的焊接底板(SMD器件通过锡膏临时连接至焊盘上)置于回流焊炉的导轨表面后，导轨在第一电机的驱动控制下动作进而带动焊接底板和SMD器件沿导轨方向行进。
如图1所示(图1(a)为焊接控制系统俯视示意图，图1(b)为焊接控制系统侧视示意图)，该SMD器件3焊接控制系统中包括：控制终端(图中未示出)；位置感应装置4，设置于回流区域周围且与控制终端连接，用于感应焊接底板2(PCB板)于导轨1上的行进位置；当感应到焊接底板2运行至预设回流区位置时，发送感应信号至控制终端；由第二电机驱动控制的机械挡板5，活动设置于预设回流区位置处导轨1的上方，且第二电机与控制终端连接，用于接收控制终端基于感应信号生成的控制信号，并在该控制信号的控制下下降至行进方向(A)上待焊接SMD器件3前端的预设位置并作用预设时间(机械挡板下降至预设位置开始至上升至脱离SMD器件上表面的时间)后上升至初始位置，使SMD器件3与行进中的焊接底板2发生相对位移。
在该控制系统中，将位置感应装置4安装于回流区域的回流区域周围，对焊接底板2于导轨1表面的行进位置进行探测。当探测到焊接底板2行进至预设回流区位置时，将感应信息反馈至控制终端，以此控制终端根据该感应信息对机械挡板5的动作进行控制。这里对位置感应装置4的具体形式不作限定，只要其能实现本实施例的目的对焊接底板2进行探测即可，如红外传感器等。
机械挡板5用于在焊接底板2行进至预设回流区位置时，阻挡SMD器件3的继续行进，促使SMD器件3与继续行进的焊接底板2发生相对移动；在机械挡板5回到初始位置之后，在熔融后锡膏的回拉力下SMD器件3回复至初始位置。这一过程中，SMD器件3与焊接底板2之间的相对运动促使气泡从间隙中排出，从而改善氮气回流焊炉器件空洞。对于机械挡板5的设置位置和具体结构，可以根据实际应用进行调整。原则上来说，机械挡板5可活动的设置在回流区滑轨的上方，且可下降至SMD器件3运行方向前端的一位置即可，如，机械挡板5通过滑轨设置于导轨1上方；又如，机械挡板5通过转轴设置于导轨1上方等。机械挡板5可以设计为任意结构，只要与SMD器件3的接触点、线或面沿SMD器件3的中轴线对称设置，保证SMD器件3和焊接底板2只发生导轨1行进方向上的相对运动即可。此外，机械挡板5沿导轨1垂直方向的横向宽度同样可以根据实际情况进行调整，为了确保在上述过程中SMD器件3不会发生除行进方向的移动，可以设置其横向宽度大于SMD器件3于导轨1垂直方向上的宽度。
由于机械挡板5的作用为在回流区阻挡SMD器件3预设时间内的行进，为实现这一目的，机械挡板5下降至能够触碰到SMD器件3即可。在实际应用中，为了能够实现上述目的的同时确保不损伤SMD器件3表面的硅胶等，将预设位置设定为大于待焊接SMD器件3厚度的1/2处，即将机械挡板5下降至SMD器件3厚度1/2以下的位置，甚至下降至SMD器件3厚度2/3以下的位置。另外，为了不影响焊接底板2的行进，机械挡板5不能下降至焊接底板2的位置，且需要与焊接底板2保持一定距离，如0.2mm(机械挡板5下降至焊接底板2上表面0.2mm处)等。应当清楚，在实际应用中，机械挡板5的下降高度可以根据SMD器件3的具体结构进行调整。
针对通用型粘度为210±30Pa/s的锡膏，为了确保熔融后锡膏能够将SMD器件3回拉，限定SMD器件3与焊接底板2的相对位移大小为行进方向上SMD器件3宽度的30％～40％。基于此，限定机械挡板5下降至预设位置作用的时间t(机械挡板下降至预设位置开始至上升至脱离SMD器件上表面的时间)为：
t＝(A+(0.3～0.4)*B)/V1-C/V2
其中，A为行进方向上SMD器件距离焊接底板边缘的距离，B为行进方向上SMD器件长度，V1为轨道速度，C为机械挡板的初始位置与预设位置之间的距离，V2为机械挡板的上升/下降速率，C/V2为机械挡板从初始位置下降至预设位置的时间。
应当清楚，在回流焊炉中，导轨的运行速度通常较为缓慢，如轨道速度为6mm/s，此时，若机械挡板的上升/下降速率设定的较大(如超过轨道速度数倍、甚至数十倍)且机械挡板的初始位置距离SMD器件的上表面较近(如距离1cm等)，可以忽略机械挡板上升和下降的时间，即令t＝(A+(0.3～0.4)*B)/V1。理论上来说，只要确保SMD器件到达预设回流区位置时，机械挡板已经处于预设位置即可，故实际应用中可基于该基准对机械挡板的运行速度进行调整。另外，以上仅示例性的给出了使用粘度为210±30Pa/s的锡膏时SMD器件和焊接底板之间的相对位移大小，在其他实例中，可以适当的根据锡膏的粘度做出调整，这里不做具体限定。对于粘度更大的锡膏，可适当的加大SMD器件与焊接底板之间的相对位移量；对于粘度更小的锡膏，可适当的减小SMD器件与焊接底板之间的相对位移量。
本发明还提供了一种SMD器件焊接控制方法，应用于上述SMD器件焊接控制系统，如图2所示，该包括：
S10导轨带动表面的焊接底板沿导轨方向行进，焊接底板表面放置有待焊接的SMD器件且焊盘位置有焊锡；
S20位置感应装置感应到焊接底板运行至预设回流区位置并发送感应信号至控制终端；
S30控制终端接收到位置感应装置发送的感应信号并生成控制信号；
S40机械挡板在控制信号的控制下活动下降至行进方向上待焊接SMD器件前端的预设位置并作用预设时间后活动上升至初始位置，使SMD器件与行进中的焊接底板发生相对位移；
S50 SMD器件在锡膏的作用下回复至焊接底板表面的初始位置，完成SMD器件的焊接。
在该控制方法中，将位置感应装置安装于回流区域的回流区域周围，对焊接底板于导轨表面的行进位置进行探测。当探测到焊接底板行进至预设回流区位置时，将感应信息反馈至控制终端，以此控制终端根据该感应信息对机械挡板的动作进行控制。这里对位置感应装置的具体形式不作限定，只要其能实现本实施例的目的对焊接底板进行探测即可，如红外传感器等。
机械挡板用于在焊接底板行进至预设回流区位置时，阻挡SMD器件的继续行进，促使SMD器件与继续行进的焊接底板发生相对移动；在机械挡板回到初始位置之后，在熔融后锡膏的回拉力下SMD器件回复至初始位置。这一过程中，SMD器件与焊接底板之间的相对运动促使气泡从间隙中排出，从而改善氮气回流焊炉器件空洞。对于机械挡板的设置位置和具体结构，可以根据实际应用进行调整。原则上来说，机械挡板可活动的设置在回流区滑轨的上方，且可下降至SMD器件运行方向前端的一位置即可，如，机械挡板通过滑轨设置于导轨上方；又如，机械挡板通过转轴设置于导轨上方等。机械挡板可以设计为任意结构，只要与SMD器件的接触点、线或面沿SMD器件的中轴线对称设置，保证SMD器件和焊接底板只发生导轨行进方向上的相对运动即可。此外，机械挡板沿导轨垂直方向的横向宽度同样可以根据实际情况进行调整，为了确保在上述过程中SMD器件不会发生除行进方向的移动，可以设置其横向宽度大于SMD器件于导轨垂直方向上的宽度。
由于机械挡板5的作用为在回流区阻挡SMD器件3预设时间内的行进，为实现这一目的，机械挡板5下降至能够触碰到SMD器件3即可。在实际应用中，为了能够实现上述目的的同时确保不损伤SMD器件3表面的硅胶等，将预设位置设定为大于待焊接SMD器件3厚度的1/2处，即将机械挡板5下降至SMD器件3厚度1/2以下的位置，甚至下降至SMD器件3厚度2/3以下的位置。另外，为了不影响焊接底板2的行进，机械挡板5不能下降至焊接底板2的位置，且需要与焊接底板2保持一定距离，如0.2mm(机械挡板5下降至焊接底板2上表面0.2mm处)等。应当清楚，在实际应用中，机械挡板5的下降高度可以根据SMD器件3的具体结构进行调整。
针对通用型粘度为210±30Pa/s的锡膏，为了确保熔融后锡膏能够将SMD器件回拉，限定SMD器件与焊接底板的相对位移大小为行进方向上SMD器件宽度的30％～40％。基于此，限定机械挡板下降至预设位置作用的时间t为：
t＝(A+(0.3～0.4)*B)/V1-C/V2
其中，A为行进方向上SMD器件距离焊接底板边缘的距离，B为行进方向上SMD器件长度，V1为轨道速度，C为机械挡板的初始位置与预设位置之间的距离，V2为机械挡板的上升/下降速率，C/V2为机械挡板从初始位置下降至预设位置的时间。
如图3所示为一实例中在本发明提供的焊接控制方法的控制下焊接的SMD器件与常规焊接方法焊接的SMD器件的空洞对比图，其中，图3(a)为常规回流焊接方法后SMD器件的空洞示意图，图3(b)为在本发明提供的焊接控制方法的控制下焊接的SMD器件的空洞示意图，附图标记6表示的为产生的空洞。经过分析，图3(a)中的空洞面积高达35.1％，图3(b)中的空洞面积仅为4％。可见，相对于常规回流焊接方法来说，本发明提供的焊接控制方法显著降低了SMD器件的空洞率，提升了焊接质量，提高了器件的可靠性。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种SMD器件焊接控制系统，其特征在于，应用于回流焊炉，所述回流焊炉中包括由第一电机驱动控制的导轨，所述导轨在第一电机的驱动下动作进一步带动表面的焊接底板沿导轨方向行进，所述焊接底板表面的焊盘位置有焊锡，焊锡表面放置有待焊接的SMD器件；
所述SMD器件焊接控制系统中包括：
控制终端；
位置感应装置，设置于回流区域周围且与所述控制终端连接，用于感应焊接底板于导轨上的行进位置；当感应到焊接底板运行至预设回流区位置时，发送感应信号至控制终端；
由第二电机驱动控制的机械挡板，活动设置于预设回流区位置处导轨的上方，且所述第二电机与控制终端连接，用于接收控制终端基于感应信号生成的控制信号，并在该控制信号的控制下下降至行进方向上待焊接SMD器件前端的预设位置并作用预设时间后上升至初始位置，使SMD器件与行进中的焊接底板发生相对位移。
2.如权利要求1所述的SMD器件焊接控制系统，其特征在于，所述机械挡板于导轨的垂直方向上沿SMD器件的中轴线对称设置，且横向宽度大于SMD器件于导轨垂直方向上的宽度。
3.如权利要求1或2所述的SMD器件焊接控制系统，其特征在于，所述预设位置为大于待焊接SMD器件厚度的1/2处。
4.如权利要求1或2所述的SMD器件焊接控制系统，其特征在于，SMD器件与焊接底板的相对位移大小为行进方向上SMD器件宽度的30％～40％；
所述预设时间t为：
t＝(A+(0.3～0.4)*B)/V1-C/V2
其中，A为行进方向上SMD器件距离焊接底板边缘的距离，B为行进方向上SMD器件长度，V1为轨道速度，C为机械挡板的初始位置与预设位置之间的距离，V2为机械挡板的上升/下降速率。
5.一种SMD器件焊接控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4任意一项所述的SMD器件焊接控制系统，包括：
导轨带动表面的焊接底板沿导轨方向行进，所述焊接底板表面放置有待焊接的SMD器件且焊盘位置有焊锡；
位置感应装置感应到焊接底板运行至预设回流区位置并发送感应信号至控制终端；
控制终端接收到位置感应装置发送的感应信号并生成控制信号；
机械挡板在控制信号的控制下下降至行进方向上待焊接SMD器件前端的预设位置并作用预设时间后上升至初始位置，使SMD器件与行进中的焊接底板发生相对位移；
SMD器件在锡膏的作用下回复至焊接底板表面的初始位置，完成SMD器件的焊接。
6.如权利要求5所述的SMD器件焊接控制方法，其特征在于，所述预设位置为大于待焊接SMD器件厚度的1/2处。
7.如权利要求5所述的SMD器件焊接控制方法，其特征在于，SMD器件与焊接底板的相对位移大小为行进方向上SMD器件宽度的30％～40％；
所述预设时间t为：
t＝(A+(0.3～0.4)*B)/V1-C/V2
其中，A为行进方向上SMD器件距离焊接底板边缘的距离，B为行进方向上SMD器件长度，V1为轨道速度，C为机械挡板的初始位置与预设位置之间的距离，V2为机械挡板的上升/下降速率。
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