CN112091346B - 一种激光喷射焊球的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光喷射焊球的焊接方法，属于焊接工艺技术领域。其包括以下步骤：激光焊接装置的喷嘴移动至目标焊接区域的上方，激光焊接装置以第一出光功率出射激光，将进入其喷嘴内的焊球加热至部分熔融状态；激光焊接装置将一个部分熔融状态的焊球喷射到目标焊接区域，使部分熔融状态的焊球定位于目标焊接区域内的间隙的开口处；激光焊接装置调整喷嘴的位置并喷射预设数量的部分熔融状态的焊球至目标焊接区域，使预设数量的部分熔融状态的焊球定位排列在目标焊接区域；激光焊接装置以第二出光功率出射激光，将目标焊接区域内的预设数量的部分熔融状态的焊球加热至完全熔化，使它们相互熔合并填满间隙。本发明提高了焊接效率及焊接质量。

Description

一种激光喷射焊球的焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接工艺技术领域，尤其涉及一种激光喷射焊球的焊接方法。

背景技术

随着电子产品的小巧、轻薄化发展，对于焊接工艺的要求也越来越高，怎样适应复杂的焊接要求，并提升产品焊接工艺的精度和效率，成为电子产品品质管控的关键因素，PCB板作为电子元器件的支撑体，上面布满各种元器件，对应力以及热效应特别敏感，所以在PCB板作业精度要求非常高。这对传统的HB焊接工艺是非常大的挑战。

对于需要焊接不同孔径的焊接场合，传统的焊接工艺为：在焊接位置预先点上锡膏，不同孔径需要点不同剂量锡膏，然后手动将载具放到焊接平台上，最后使用不同尺寸HB头的HB机完成不同孔径通孔的焊接。但是传统的焊接工艺会存在以下问题：1)产品的加工精度不高；2)锡膏量不稳定，焊接后焊锡覆盖不完全或者有锡球析出而容易造成元器件短路；3)对HB头压力控制要求高，压力过大容易造成元器件pin脚锡裂。压力过小，容易造成虚焊，影响产品功能；4)对HB头压力及温度控制要求高，温度过大容易造成元器件pin脚锡熔化后短路；温度不够，会造成冷焊，焊点强度不够。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光喷射焊球的焊接方法，是一种非接触激光焊接工艺，对组装公差包容性强，能够有效降低PCB板所受应力及热效应，且提高了焊接效率及焊接质量，可以满足焊接微细精度要求高的电子产品。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光喷射焊球的焊接方法，用于待焊接产品的待焊接件A和待焊接件B之间的焊接，所述待焊接件A与所述待焊接件B之间形成间隙，包括以下步骤：

a)将一检测定位装置与一激光焊接装置的控制系统电连接，采用检测定位装置拍摄待焊接件A与待焊接件B之间间隙的图形特征并发送给所述控制系统，所述控制系统对所述图形特征进行处理，拟合成一个目标焊接区域；

b)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置的喷嘴移动至所述目标焊接区域的上方，所述激光焊接装置以第一出光功率出射激光，将进入其所述喷嘴内的焊球加热至部分熔融状态；优选的，将喷嘴内的焊球加热至半熔融状态；

c)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置将一个部分熔融状态的所述焊球喷射到所述目标焊接区域，使所述部分熔融状态的所述焊球定位于所述目标焊接区域内的间隙的开口处；

d)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置调整所述喷嘴的位置并喷射预设数量的所述部分熔融状态的所述焊球至所述目标焊接区域，使预设数量的所述部分熔融状态的所述焊球定位排列在所述目标焊接区域；

e)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置以第二出光功率出射激光，将所述目标焊接区域内的预设数量的所述部分熔融状态的所述焊球加热至完全熔化，使它们相互熔合并填满所述间隙。

可选地，所述待焊接件A为导电通孔，所述待焊接件B为穿设于所述导电通孔内的导电柱，所述导电通孔与所述导电柱构成一个焊接孔位，所述导电柱与所述导电通孔之间形成一环形间隙，所述目标焊接区域为环形区域。

可选地，所述待焊接产品上具有不同孔径的所述焊接孔位，采用相同大小的所述焊球对不同孔径的所述焊接孔位进行焊接，使孔径较大的所述焊接孔位的所述环形区域内排列较多的所述焊球。

可选地，对不同孔径的所述焊接孔位进行焊接时，使用较大的所述第二出光功率对孔径较大的所述焊接孔位的所述环形区域内的焊球进行激光加热。

可选地，所述导电通孔与所述导电柱均为圆形，且同轴心设置，所述激光焊接装置出射的激光的焦点与所述导电柱的中心重合。

可选地，所述第一出光功率和/或所述第二出光功率小于所述激光焊接装置的额定出光功率。

可选地，所述控制系统将拟合的所述目标焊接区域的形状及大小与所述焊球的形状及大小进行对比分析，计算出需要喷射的所述焊球的数量，并形成指引所述喷嘴移动位置的行走路径。

可选地，通过光电传感器识别所述目标焊接区域内喷射的所述焊球的数量，并反馈给所述控制系统。

可选地，通过气压检测传感器获取所述喷嘴内通入的保护气的压力数据，并反馈给所述控制系统。

可选地，所述焊球为以质量百分比计由96.5％的Sn、3.0％的Ag和0.5％的Cu组成的锡球。

本发明的有益效果为：

本发明通过激光焊接装置以第一出光功率出射激光，将激光焊接装置内的焊球加热至部分熔融状态，由于焊球仍处于固态，焊球能够固定在间隙处，避免了焊料从间隙漏到PCBA板的底板上，而烫伤底板，能够有效降低PCBA板所受应力及热效应。预设数量的焊球排布在间隙处后，再通过激光焊接装置以第二出光功率出射激光，将焊球加热至完全熔化，预设数量的焊球相互熔合，进而填满间隙，对组装公差包容性强，且提高了焊接效率及焊接质量，可以满足焊接微细精度要求高的电子产品。

附图说明

图1是本发明优选实施方式提供的喷嘴和PCBA板剖视结构示意图；

图2是本发明优选实施方式提供的喷嘴和PCBA板俯视结构示意图；

图3是本发明优选实施方式提供的喷射有焊球后的喷嘴和PCBA板的立体结构示意图；

图4是本发明优选实施方式提供的喷射有焊球后的喷嘴和PCBA板的俯视结构示意图；

图5是图4中A-A处的剖面结构示意图；

图6是本发明优选实施方式提供的喷射焊球的工作流程图。

图中：1、喷嘴；2、保护气通道；3、焊球通道；4、焊球；5、底板；6、PCBA板；7、导电柱；8、目标焊接区域。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图1-6并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种激光喷射焊球的焊接方法，如图1至图6所示，激光喷射焊球的焊接方法用于待焊接产品的待焊接件A和待焊接件B之间的焊接，待焊接件A与待焊接件B之间形成间隙，包括以下步骤：

a)将一检测定位装置与一激光焊接装置的控制系统电连接，采用检测定位装置拍摄待焊接件A与待焊接件B之间间隙的图形特征并发送给控制系统，控制系统对图形特征进行处理，拟合成一个目标焊接区域8。

b)在控制系统的控制下，激光焊接装置的喷嘴1移动至目标焊接区域8的上方，激光焊接装置以第一出光功率出射激光，将进入其喷嘴1内的焊球4加热至部分熔融状态，焊球4由焊球通道3进入喷嘴1内。

c)在控制系统的控制下，激光焊接装置将一个部分熔融状态的焊球4喷射到目标焊接区域8，使部分熔融状态的焊球4定位于目标焊接区域8内的间隙的开口处。

d)在控制系统的控制下，激光焊接装置调整喷嘴1的位置并喷射预设数量的部分熔融状态的焊球4至目标焊接区域8，使预设数量的部分熔融状态的焊球4定位排列在目标焊接区域8。

e)在控制系统的控制下，激光焊接装置以第二出光功率出射激光，将目标焊接区域8内的预设数量的部分熔融状态的焊球4加热至完全熔化，使它们相互熔合并填满间隙。

本实施例通过激光焊接装置以第一出光功率出射激光，将激光焊接装置内的焊球4加热至部分熔融状态，由于焊球4仍处于固态，焊球4能够固定在间隙处，避免了焊料从间隙漏到PCBA板6的底板5上，而烫伤底板5，能够有效降低PCBA板6所受应力及热效应，预设数量的焊球4排布在间隙处后，再通过激光焊接装置以第二出光功率出射激光，将焊球4加热至完全熔化，预设数量的锡球相互熔合，进而填满间隙，对组装公差包容性强，且提高了焊接效率及焊接质量，可以满足焊接微细精度要求高的电子产品。

在一些实施例中，如图2至图5所示，待焊接件A为导电通孔，待焊接件B为穿设于导电通孔内的导电柱7，导电通孔与导电柱7构成一个焊接孔位，导电柱7与导电通孔之间形成一环形间隙，目标焊接区域8为环形区域。可以理解的是，目标焊接区域8为环形是比较常见的焊接情形，但是目标焊接区域8的形状并不用来限定本发明，例如目标焊接区域8还可以为直线型或曲线形等，具体地，焊球4的直径要与目标焊接区域8的某一方向的尺寸匹配以防止焊球4从间隙处漏到底板5上。

在一些实施例中，导电通孔与导电柱7均为圆形，且同轴心设置，激光焊接装置出射的激光的焦点与导电柱7的中心重合，可以避免激光打到导电柱7的侧面造成激光反射，从而烧伤待焊接产品上，例如PCBA板6上的元器件。

在一些实施例中，如图3所示，待焊接产品上具有不同孔径的焊接孔位，采用相同大小的焊球4对不同孔径的焊接孔位进行焊接，使孔径较大的焊接孔位的环形区域内排列较多的焊球4。可以理解的是，对于具有不同孔径的焊接孔位的待焊接产品，采用同样大小的焊球4，不需要更换焊接装置，使用相同的焊球4，通过多次喷球，从而实现了对多种不同孔径的焊接孔位的焊接，解决了多种孔径的焊接孔位需要配置多样喷嘴的激光焊接装置的问题，提高了焊接效率，降低了焊接成本。

可选地，对不同孔径的焊接孔位进行焊接时，使用较大的第二出光功率对孔径较大的焊接孔位的环形区域内的焊球4进行激光加热。对于不同孔径的焊接孔位，焊接孔位的直径越大，使用的第二出光功率越大，能够减小焊接较大的焊接孔位时，焊球4加热至完全熔化的时间，从而降低了PCBA板6受热影响的时间。

进一步地，第一出光功率和/或第二出光功率小于激光焊接装置的额定出光功率。优选地，第一出光功率和第二出光功率均小于激光焊接装置的额定出光功率。例如，焊接直径为1.6mm的孔时，可用46％的出光功率出光20ms将5个直径为0.76mm的焊球4加热至部分熔融状态，再用34％的出光功率出光500ms，将焊球4加热至完全熔化；焊接直径为2mm的孔时，可用46％的出光功率出光20ms将9个直径为0.76mm的焊球4加热至部分熔融状态，再用54％的出光功率出光500ms，将焊球4加热至完全熔化。可以理解的是，由于焊球4加热至部分熔融状态需要的能量少，采用小功率的第一出光功率，将焊球4加热至部分熔融状态，对喷嘴1的热影响小，从而能够提高激光焊接装置喷嘴1的使用寿命。由于焊球4喷射在焊接孔位后，焊球4已经处于半熔融的状态，使用较小的第二出光功率将焊球4加热至完全熔化直至覆盖整个间隙，PCBA板6所受应力、热影响小，从而减小了焊接对PCBA板6的影响，提高了产品的质量。

若目标焊接区域8喷射的焊球4过多，会导致焊球4熔化后溢出，若焊球4过少，会导致缺焊，为了使目标焊接区域8喷射的焊球4的数量与目标焊接区域8的大小匹配，控制系统将拟合的目标焊接区域8的形状及大小与焊球4的形状及大小进行对比分析，计算出需要喷射的焊球4的数量，并形成指引喷嘴1移动位置的行走路径，从而可以精确的控制焊球4的喷射数量，使焊球4喷射位置精准，进而达到目标焊接区域8的焊接覆盖效果好，焊接点圆润饱满的目的。

作为一种优选实施例，检测定位装置可以采用CCD定位装置，通过CCD抓边可以获取焊接位置的图形特征。以导电通孔与导电柱7均为圆形为例，具体实施时，可以将CCD移动至导电通孔正上方，拍摄导电柱与导电通孔圆形特征，并发送给控制系统，然后拟合出一个环形区域，焊球将喷射在此环形区域。这样，既不会有焊料落到PCBA上烧伤板材或元器件，又能填满铜柱与通孔之间缝隙。

为了便于控制激光焊接装置喷射至目标焊接区域8的焊球4的数量，通过光电传感器识别目标焊接区域8内喷射的焊球4的数量，并反馈给控制系统。

如图1和图6所示，通过气压检测传感器获取喷嘴1内通入的保护气的压力数据，并反馈给控制系统。可选地，保护气可选为氮气，氮气通过保护气通道2进入喷嘴1内部，通过气压检测传感器检测喷嘴1内的压力大小，控制系统根据获取的喷嘴1的内的压力信息控制激光器是否出光。

可选地，焊球4为以质量百分比计由96.5％的Sn、3.0％的Ag和0.5％的Cu组成的锡球，可以使焊接强度更高，使焊接更可靠。但是焊球4的组成并不用来限定本发明，例如焊球4还可以选用共晶焊料、高铅焊料或者无铅焊料无铅焊料如SnAg、SnAgCu、AuSn、InSn或SnBi等。

本实施例通过将激光焊接装置内的焊球4加热至部分熔融状态，将部分熔融状态的焊球4喷射至间隙处，能够避免了焊料从间隙漏到PCBA板6的底板5上，而烫伤底板5，能够有效降低PCBA板6所受应力及热效应，预设数量的焊球4排布在间隙处后，再通过激光焊接装置以第二出光功率出射激光，将焊球4加热至完全熔化，预设数量的锡球相互熔合，进而填满间隙，对组装公差包容性强，且提高了焊接效率及焊接质量，可以满足焊接微细精度要求高的电子产品。待焊接产品上具有不同孔径的焊接孔位时，采用相同大小的焊球4对不同孔径的焊接孔位进行焊接，不需要更换焊接装置，提高了焊接效率。

本发明中提到的激光焊接装置可以采用现有激光喷球焊接机或激光喷锡焊接系统，也可以是根据需要在现有激光喷球焊接机或激光喷锡焊接系统的基础上进行结构改进的激光焊接装置。

作为本发明一种优选应用，本发明激光喷射焊球的焊接方法创新应用于PCBA板上的焊接作业，相对于传统的HB焊接工艺，本发明具有如下优点：1)提高产品加工精度；2)对组装公差包容性更强；3)锡球喷射数量稳定可控；4)锡球喷射位置精准，覆盖效果完全，焊点圆润饱满；5)对PCBA板面及元器件无接触，无应力影响；6)局部加热，无热应力，适用热敏感元器件；7)无助焊剂、无污染、无锡渣飞溅；8)纯氮气保护，钎料表面无氧化，内部无气泡；9)使用同一尺寸锡球，通过多次喷球同时解决对多种不同孔径孔洞的焊接。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光喷射焊球的焊接方法，用于待焊接产品的待焊接件A和待焊接件B之间的焊接，所述待焊接件A与所述待焊接件B之间形成间隙，其特征在于，包括以下步骤：

a)将一检测定位装置与一激光焊接装置的控制系统电连接，采用检测定位装置拍摄待焊接件A与待焊接件B之间间隙的图形特征并发送给所述控制系统，所述控制系统对所述图形特征进行处理，拟合成一个目标焊接区域(8)；

b)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置的喷嘴(1)移动至所述目标焊接区域(8)的上方，所述激光焊接装置以第一出光功率出射激光，将进入其所述喷嘴(1)内的焊球(4)加热至部分熔融状态；

c)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置将一个部分熔融状态的所述焊球(4)喷射到所述目标焊接区域(8)，使所述部分熔融状态的所述焊球(4)定位于所述目标焊接区域(8)内的间隙的开口处；

d)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置调整所述喷嘴(1)的位置并喷射预设数量的所述部分熔融状态的所述焊球(4)至所述目标焊接区域(8)，使预设数量的所述部分熔融状态的所述焊球(4)定位排列在所述目标焊接区域(8)；

e)在所述控制系统的控制下，所述激光焊接装置以第二出光功率出射激光，将所述目标焊接区域(8)内的预设数量的所述部分熔融状态的所述焊球(4)加热至完全熔化，使它们相互熔合并填满所述间隙；

所述控制系统将拟合的所述目标焊接区域(8)的形状及大小与所述焊球(4)的形状及大小进行对比分析，计算出需要喷射的所述焊球(4)的数量，并形成指引所述喷嘴(1)移动位置的行走路径；

所述待焊接产品上具有不同孔径的焊接孔位，采用相同大小的所述焊球(4)对不同孔径的所述焊接孔位进行焊接，使孔径较大的所述焊接孔位的环形区域内排列较多的所述焊球(4)。

2.根据权利要求1所述的激光喷射焊球的焊接方法，其特征在于，所述待焊接件A为导电通孔，所述待焊接件B为穿设于所述导电通孔内的导电柱(7)，所述导电通孔与所述导电柱(7)构成一个焊接孔位，所述导电柱(7)与所述导电通孔之间形成一环形间隙，所述目标焊接区域(8)为环形区域。

3.根据权利要求2所述的激光喷射焊球的焊接方法，其特征在于，对不同孔径的所述焊接孔位进行焊接时，使用较大的所述第二出光功率对孔径较大的所述焊接孔位的所述环形区域内的焊球(4)进行激光加热。

4.根据权利要求2所述的激光喷射焊球的焊接方法，其特征在于，所述导电通孔与所述导电柱(7)均为圆形，且同轴心设置，所述激光焊接装置出射的激光的焦点与所述导电柱(7)的中心重合。

5.根据权利要求1所述的激光喷射焊球的焊接方法，其特征在于，所述第一出光功率和/或所述第二出光功率小于所述激光焊接装置的额定出光功率。

6.根据权利要求1所述的激光喷射焊球的焊接方法，其特征在于，通过光电传感器识别所述目标焊接区域(8)内喷射的所述焊球(4)的数量，并反馈给所述控制系统。

7.根据权利要求1所述的激光喷射焊球的焊接方法，其特征在于，通过气压检测传感器获取所述喷嘴(1)内通入的保护气的压力数据，并反馈给所述控制系统。

8.根据权利要求1-7任一项所述的激光喷射焊球的焊接方法，其特征在于，所述焊球(4)为以质量百分比计由96.5％的Sn、3.0％的Ag和0.5％的Cu组成的锡球。

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