TW202423590A - 雷射錫焊設備 - Google Patents

Abstract

本發明有關一種雷射錫焊設備，包括：一由疊合式長條光雷射熱源所構成的焊接雷射裝置，以二雷射光發射器，使用不同角度發射出高斯光束打入同一位置，使兩道光疊加後提升功率密度；且藉由各條狀雷射光源模組發射出之條狀光源的陡邊部，與相鄰的條狀雷射光源模組發射之條狀光源的陡邊部搭接，據以將長度受限的單一雷射光源，疊合組成合宜長度的加長型均勻線光源；再者，在焊接雷射裝置之前設有一預熱雷射裝置，先以雷射光對被焊物進行預熱；接著，再以雷射的指向性光源焊接，除了穩定控制焊接溫度之外，還能避免熱源的浪費；且使用雷射預熱面板可以使焊接製程更加穩定，可避免錫爐的高溫對於面板材料造成過度氧化或是損毀的現象，進而具有以條狀雷射熱源滿足大面積焊接需求之功效者。

Description

雷射錫焊設備

本發明有關一種雷射錫焊設備，尤指一種使用條狀雷射熱源進行預熱及錫焊作業之設計者。

按，雷射錫焊是以雷射做爲熱源加熱熔化錫絲或錫膏完成焊接的雷射焊接技術，利用雷射的高能量實現局部或微小區域快速加熱完成錫焊，非常適合用於電子元件的焊接組裝，而習知的雷射錫焊多為採用逐點焊接之設計方式；然而，對於大面積的焊接需求，例如Mini及Micro LED之應用，需要低成本、高組合彈性的雷射錫焊設備，而現有的過錫爐焊錫方式耗能且耗氣體(N ₂或Ar)，且因爐管升降溫不易控制，常有不均勻、空焊及過焊之現象，難以用於使用Mini及Micro LED的面板焊接組裝。

又按，南韓商鐳射希股份有限公司的台灣公開第TW202045286A專利申請案，係如圖1所示，揭示一種線性移送方式的鐳射回流焊裝置70，包括載體71、第一鐳射頭部模組72及第二鐳射頭部模組73以及紅外線攝像頭(圖1未示)。載體71為放置配置有作為焊接對象物的多個電子部件的長方形的基板。第一鐳射頭部模組72及第二鐳射頭部模組73設置於上述載體71的上方，在焊接對象物被線性移送的期間，向焊接對象物分別同時或依次照射雷射光束來將電子部件焊接在基板。惟查，該申請案所揭露的雷射光束，屬於一種面光源74，除了不易控制焊接溫度之外，且形成熱源的浪費。

再按，三菱電機株式會社的美國專利第US6,717,105 B1號，揭示一種鐳射光學系統，具備線狀光束形成部件，該線狀光束形成部件用於將從鐳射振盪器放射的雷射光束在基板上的矽膜上形成線狀光束形狀。鐳射光學系統被佈置為使得從鐳射振盪器到線性光束形成構件的雷射光束的光軸基本上處於同一平面內並且基本上垂直於基板。每束雷射光束被反射鏡反射並照射到基板上的矽膜上。惟查，該案所揭露的雷射光束，雖是一種線狀光束形狀，但其未教示線狀光束形狀的搭接技術如何達到最佳效果，且其雷射光束係使用在基板上的矽膜上，此與使用在Mini及Micro LED的面板焊接組裝的技術領域不同；再者，其亦未揭露於雷射焊接之前，先將待焊接物進行預熱的技術手段；因此，該案的公開並無法將其轉用在Mini及Micro LED的面板焊接技術上，故尙難滿足大面積焊接之需求。

本發明之主要目的，欲提供一種雷射錫焊設備，其將長度受限的單一雷射光源，疊合組成合宜長度的均勻線光源，以雷射的指向性光源焊接，可以穩定控制焊接溫度之外，還能避免熱源的浪費之功效增進。

本發明再一目的，係提供一種雷射錫焊設備，其在焊接雷射裝置之前，先以雷射光對被焊物進行預熱，使焊接製程更加穩定，可避免錫爐的高溫對於面板材料造成過度氧化或是損毀的現象，進而具有以條狀雷射熱源滿足大面積焊接需求之功效增進者。

為達上述功效，本發明所採用之技術特徵，包括有：一輸送單元，用以承載一被焊物；一疊合式長條光雷射熱源，其係將複數個條狀雷射光源模組間隔設置於一定位件，而該條狀雷射光源模組包括有：一定位體；二雷射光發射器，設置於該定位體，係使用不同角度發射出高斯光束打入同一位置，用以提升功率密度；以及一光束均勻器，相對該雷射光發射器設置於該定位體，用以將該雷射光發射器發射出的高斯光束轉換為具有平頂部與陡邊部的條狀光束，各該條狀雷射光源模組之間，係採用該陡邊部功率密度為該平頂部功率密度45％〜55％之位置做為交疊點；據此，以各該條狀雷射光源模組發射出之條狀光源的陡邊部，與相鄰的條狀雷射光源模組發射之條狀光源的陡邊部搭接，據以將長度受限的單一雷射光源疊合組成合宜長度的加長型均勻線光源；一預熱雷射裝置，係設在該輸送單元上方，以雷射光源對該被焊物進行預熱；以及一焊接雷射裝置，係由該疊合式長條光雷射熱源所構成，接續設在該預熱雷射裝置之下游端，用以對已完成預熱的該被焊物進行焊接；藉此，先以雷射光源對該被焊物進行預熱，再以該疊合式長條光雷射熱源的指向性光源焊接，據以穩定控制焊接溫度，滿足大面積焊接需求。

依據前揭特徵，該光束均勻器可包括為:複眼透鏡、柱狀鏡、包威爾鏡頭、繞射光學元件或長方形輸出光纖。

依據前揭特徵，可包括將該輸送單元將所承載的被焊物，相對該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置進行平移，或將該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置，相對該被焊物進行平移輸送。

依據前揭特徵，該預熱雷射裝置可包括由該疊合式長條光雷射熱源所構成。

依據前揭特徵，本發明另一可行實施例中，該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置係可包括以成組「軸向接續」設置於該輸送單元上方或下方，而可同時對大型被焊物進行分區預熱及錫焊。

依據前揭特徵，本發明又一可行實施例中，該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置係可包括以成組「垂直向並列」設置於該輸送單元上方或下方，而可同時對大型被焊物進行分區預熱及錫焊。

藉助上揭技術手段，本發明的雷射錫焊設備，以雷射的指向性光源焊接，可以穩定控制焊接溫度之外，還能避免熱源的浪費；而使用局部穩定的光源來提升溫度焊接，比與傳統的升溫整體的烤爐還要節能，再者，使用雷射焊接製程在碳排量上有較優越的節能省碳，且使用雷射預熱面板，可以使焊接製程更加穩定，具有避免錫爐的高溫對於面板材料造成過度氧化或是損毀的現象。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

首先，請參閱圖2A～圖4所示，本發明「雷射錫焊設備」其一可行實施例包含:一輸送單元31，用以承載一被焊物40a；一疊合式長條光雷射熱源20，其係將複數個條狀雷射光源模組10間隔設置於一定位件21，而該條狀雷射光源模組10包括有：一定位體11；二雷射光發射器12，設置於該定位體11，係使用不同角度發射出高斯光束121打入同一位置122，用以提升功率密度，本實施例中，該二雷射光發射器12包括可使用不同之波長，針對材料之吸收特性，合併或分別使用。舉例說明:兩個雷射的功率相同都是300W，則功率合計為600W增加一倍，但若兩個雷射功率不同，例如一個300W另一個700W則功率合計為1000W(1kW)，功率密度比單一300W增加 700W/300W=2.3倍。

因此，請參考圖2C及圖2D之比較參考示意圖所示，本發明二個雷射光發射器12的光型疊加前與疊加後比較得知，兩道光的合併功率與功率密度都倍數增加。是以，本發明使用二個雷射光發射器12的高斯光束121打入同一位置122使光型疊加後，確實可以有效提升功率密度。

以及一光束均勻器13，相對該二雷射光發射器12設置於該定位體11，用以將該二雷射光發射器12發射出的高斯光束121轉換為具有平頂部141與陡邊部142的條狀光束14，而得以條狀光束14做為用於雷射錫焊的條狀熱源。本實施例中，該光束均勻器13可為複眼透鏡(fly-eye lens)、柱狀鏡(cylindrical lens)、包威爾鏡頭(Powell Lens)、繞射光學元件(DOE，Diffractive Optical Element)或長方形輸出光纖(Optical Fiber with Rectangle beam output)其中之一所構成。

接著，請參閱圖3A～圖3C所示，本發明之疊合式長條光雷射熱源20，係將複數個條狀雷射光源模組10間隔設置於一定位件21，而令各該條狀雷射光源模組10發射出之條狀光束14的陡邊部142與相鄰的條狀雷射光源模組10發射出之條狀光束14的陡邊部142搭接，而疊合複數條狀光束14成為一加長型均勻線光源22，做為用於雷射錫焊的疊合式長條光雷射熱源20。

本發明其一重要特徵在於: 如圖3A所示，各該條狀雷射光源模組10之間，係採用該陡邊部142功率密度為該平頂部141功率密度45％〜55％之位置做為交疊點；亦即，若該平頂部141的寬度X，相鄰平頂部141的間距ΔX，條狀雷射光源模組10的設置數量為N，則加長型均勻線光源22的寬度為NX+(N-1)ΔX。據此，以各該條狀雷射光源模組10發射出之條狀光源的陡邊部142，與相鄰的條狀雷射光源模組10發射之條狀光源的陡邊部142搭接，據以將長度受限的單一雷射光源疊合組成合宜長度的加長型均勻線光源22；由於，該條狀雷射光源模組10的雷射光發射器12發射出「高斯光束」；再由該光束均勻器13將該雷射光發射器12發射出的高斯光束轉換為具有平頂部141與陡邊部142的條狀光束14。進一步，本發明因各該條狀雷射熱源模組10之間，係採用該陡邊部142功率密度為該平頂部141功率密度45％〜55％之位置做為交疊點的設計；如此一來，所形成的加長型均勻線光源22，其長度(寬度)為NX+(N-1)ΔX，可依需求組成合宜長度的加長型均勻線光源22，達到最佳的線光源搭接效益，使該疊合式長條光雷射熱源20，具有可供產業利用性。

請參閱圖4所示，本發明之雷射錫焊設備30A包括有：一預熱雷射裝置50，係設在該輸送單元31上方，以雷射光對該被焊物40a進行預熱；以及一焊接雷射裝置60，係由該疊合式長條光雷射熱源20b所構成，接續設在該預熱雷射裝置50之下游端，用以對已完成預熱的該被焊物40a進行焊接；藉此，先以預熱雷射裝置50的雷射光對該被焊物40a進行預熱，再以該焊接雷射裝置60的疊合式長條光雷射熱源20b的指向性光源焊接，據以穩定控制焊接溫度，滿足大面積焊接需求。

本實施例中，該輸送單元31將所承載的該被焊物40a，相對該預熱雷射裝置50與焊接雷射裝置60進行平移輸送，也就是說，該預熱雷射裝置50與焊接雷射裝置60是固定不動，但不限定於此。即，本發明亦可將該預熱雷射裝置50與焊接雷射裝置60，相對該被焊物40a平移輸送，容不贅述。

承上，該預熱雷射裝置50設置於該輸送單元31上方(或下方)，而利用發射出之雷射光對該被焊物40a進行預熱；本實施例中，該預熱雷射裝置50所發射出之雷射光，可為一般的雷射光源20A，或是，亦可由本發明之疊合式長條光雷射熱源20a所構成的加長型均勻線光源22a對該被焊物40a進行預熱；原因在於預熱的距離及掃瞄時間等參數配置，並不同於焊接的需求；所以，本發明將該預熱雷射裝置50與焊接雷射裝置60，呈前、後分開設置，該焊接雷射裝置60係位於該預熱雷射裝置50之下游端，而利用本發明之疊合式長條光雷射熱源20b，所發射出之加長型均勻線光源22b對被焊物40a進行錫焊；如此一來，針對不同的焊接產品及需求，該前、後光源的距離及掃瞄時間，可依需求調整不同的參數配置與出光間距配置，以達最佳的焊接模式及效益，此亦為本發明主要特徵之一。

另者，請參閱圖5所示，本發明之雷射錫焊設備30B另一可行實施例，係將該預熱雷射裝置50與焊接雷射裝置60成組「軸向接續」(X方向)設置於該輸送單元31上方(或下方)，而可同時對大(長)型被焊物40b(平行該輸送單元31輸送軸向的長度較大者)進行分區預熱及錫焊，如圖中所示的第一焊接區及第二焊接區，進而提升焊接效率。

又，請參閱圖6所示，本發明之雷射錫焊設備30C又一可行實施例，係將該預熱雷射裝置50與焊接雷射裝置60成組「垂直向並列」(Y方向)設置於該輸送單元31上方(或下 方)，而可同時對大(寬)型被焊物40c(垂直該輸送單元31輸送軸向的寬度較大者)進行分區預熱及錫焊，進而提升焊接效率。 本發明基於第一項與第二項的疊加性質，此焊接系統針對焊物的尺寸的變化與焊接參數的需求，如圖3A所示，可利用該定位件21將複數個條狀雷射光源模組10線性組合，除了X方向可以水平疊加之外，也可以透過多組光源雷射在Y方向疊加，達到焊接長度與寬度的變化調整，並在焊接時選擇出光與不出光雷射，以達到設備的彈性尺寸焊接應用。

基於如是之構成，本發明之雷射錫焊設備具有如下之功效需再闡明者: 一、本發明使用不同角度發射出高斯光束121打入同一位置122，使兩道光型疊加後，其合併功率與功率密度都至少倍數增加；再者配合各該條狀雷射光源模組10之間，採用該陡邊部142功率密度為該平頂部141功率密度45％〜55％之位置做為交疊點的設計所形成的加長型均勻線光源22(22a、22b)，可依需求組成合宜長度的加長型均勻線光源22(22a、22b)，二者功效相輔相乘，可達到最佳的線光源搭接效益，使該疊合式長條光雷射熱源20(20a、20b)，具有可供產業利用性。 二、本發明之雷射錫焊設備30A，先以預熱雷射裝置50的雷射光對該被焊物40a進行預熱，再以該焊接雷射裝置60的疊合式長條光雷射熱源20b的指向性光源進行焊接，據以穩定控制焊接溫度，滿足大面積焊接需求。再者，還能避免雷射光(熱)源的浪費，而局部穩定的雷射光(熱)源來提升溫度比與傳統烤爐的整體升溫還要節能，在碳排量上有較優越的節能省碳。 三、本發明依需求組成合宜長度的加長型均勻線光源22(22a、22b)，具有大寬度(面積)進行錫焊之優勢；再者，本發明之雷射錫焊設備30A、30B，除了將(疊合式)條狀雷射熱源使用於進行錫焊之外，還使用於進行預熱，可使後續之錫焊效果更加穩定與迅速，利用調整雷射功率並配合焊接速度達到溫度穩定控制的焊接，避免過焊或空焊現象且確保降低助焊劑噴濺現象，當應用於Min及Micro LED面板之製造時，可以避免錫爐/烤箱的高溫對於面板材料造成過度氧化或是損毀的現象；是以，本發明具有使用條狀雷射熱源進行預熱及錫焊作業，滿足大面積焊接需求之功效。

綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。

惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技術人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

10:條狀雷射光源模組 11:定位體 12:雷射光發射器 121:高斯光束 122:同一位置 13:光束均勻器 14:條狀光束 141:平頂部 142:陡邊部 20、20a、20b:疊合式長條光雷射熱源 20A:雷射光源 21:定位件 22、22a、22b:加長型均勻線光源 30A、30B、30C:雷射錫焊設備 31:輸送單元 40a、40b、40c:被焊物 50:預熱雷射裝置 60:焊接雷射裝置

圖1係習用第TW202045286A專利申請案所揭露的雷射焊接光束示意圖。 圖2A係本發明條狀雷射光源模組之結構正視示意圖。 圖2B係本發明條狀雷射光源模組之結構側視示意圖。 圖2C係本發明二個雷射光發射器光型疊加前之參考示意圖。 圖2D係本發明二個雷射光發射器光型疊加後之參考示意圖。 圖3A係本發明疊合式長條光雷射熱源之結構正視示意圖。 圖3B係本發明疊合式長條光雷射熱源之結構側視示意圖。 圖3C係本發明疊合式長條光雷射熱源之結構俯視示意圖。 圖4係本發明雷射錫焊設備第一實施例之結構示意圖。 圖5係本發明雷射錫焊設備第二實施例之結構示意圖。 圖6係本發明雷射錫焊設備第三實施例之結構示意圖。

11:定位體

12:雷射光發射器

13:光束均勻器

14:條狀光束

141:平頂部

142:陡邊部

20:疊合式長條光雷射熱源

21:定位件

22:加長型均勻線光源

Claims (7)

1. 一種雷射錫焊設備，包括有： 一輸送單元，用以承載一被焊物； 一疊合式長條光雷射熱源，其係將複數個條狀雷射光源模組間隔設置於一定位件，而該條狀雷射光源模組包括有：一定位體；二雷射光發射器，設置於該定位體，係使用不同角度發射出高斯光束打入同一位置，用以提升功率密度；以及一光束均勻器，相對該二雷射光發射器設置於該定位體，用以將該二雷射光發射器發射出的高斯光束，轉換為具有平頂部與陡邊部的條狀光束，且各該條狀雷射光源模組之間，係採用該陡邊部功率密度為該平頂部功率密度45％〜55％之位置做為交疊點；據此，以各該條狀雷射光源模組發射出之條狀光源的陡邊部，與相鄰的條狀雷射光源模組發射之條狀光源的陡邊部搭接，據以將長度受限的單一雷射光源疊合組成合宜長度的加長型均勻線光源； 一預熱雷射裝置，係設在該輸送單元上方，以雷射光對該被焊物進行預熱；以及 一焊接雷射裝置，係由該疊合式長條光雷射熱源所構成，接續設在該預熱雷射裝置之下游端，用以對已完成預熱的該被焊物進行焊接； 藉此，先以雷射光對該被焊物進行預熱，再以該疊合式長條光雷射熱源的指向性光源焊接，據以穩定控制焊接溫度，滿足大面積焊接需求。
2. 如請求項1所述之雷射錫焊設備，其中，該二雷射光發射器包括可使用不同之波長，針對材料之吸收特性，合併或分別使用。
3. 如請求項1所述之雷射錫焊設備，其中，該光束均勻器為複眼透鏡、柱狀鏡、包威爾鏡頭、繞射光學元件或長方形輸出光纖。
4. 如請求項1所述之雷射錫焊設備，其中，包括將該輸送單元將所承載的被焊物，相對該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置進行平移，或將該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置，相對該被焊物平移輸送。
5. 如請求項1所述之雷射錫焊設備，其中，預熱雷射裝置包括由該疊合式長條光雷射熱源所構成。
6. 如請求項1至5其中任一所述之雷射錫焊設備，其中，該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置係包括可以成組「軸向接續」設置於該輸送單元上方或下方，而可同時對大型被焊物進行分區預熱及錫焊。
7. 如請求項1至5其中任一所述之雷射錫焊設備，其中，該預熱雷射裝置與焊接雷射裝置係包括可以成組「垂直向並列」設置於該輸送單元上方或下方，而可同時對大型被焊物進行分區預熱及錫焊。

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