CN106425103B - 一种红外激光对有色金属的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外激光对有色金属的焊接方法，属于激光加工软钎焊技术领域。包括利用视觉对位技术精确定位，将连接器上电镀pin脚利用低频率激光进行毛化预处理，再利用高频率激光对pin脚毛化区域进行加热。本发明具有反射小、局部加热、快速加热、快速冷却等特点，可有效降低pin脚元件的热损伤，并且能够解决锡料爬越的问题，极大地提高焊接合格率。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工软钎焊技术领域，具体涉及一种红外激光对有色金属的焊接方法。
背景技术
随着电子工业产品设计水平和制造技术的提高，激光软钎焊技术不断发展，已在电子工业中得到广泛应用。近年来，随着电子产品向着多功能、微型化方向的发展，PCBA（将各种电子器件通过表面封装工艺组装在线路板上）加工技术和电子器件组装密度的不断提高，高焊盘数、超细pin脚间距的高密度、微型化电子元器件的出现，互连焊点的尺寸不断减小，互连焊点可靠性也要求越来越高，使得电子元器件的互连技术面临着越来越多的挑战。与此同时，出于环境保护的需要，钎料的“无铅化”正在世界范围内推行，由于适用的无铅钎料（如Sn-Ag-Cu钎料）的熔点比Sn-Pb钎料通常高出30-40℃，因而导致无铅钎料的钎焊峰值温度达到250℃以上，极易使电子元器件受到热损伤。不仅进一步加剧了高密度封装器件引线焊点的“桥连”问题，还对钎焊工艺、基板材料，以及不同材料间的相互影响规律提出了新的要求。
目前，QFP(Quad flat package)的pin脚中心间距最小已达到了0.2mm，单一器件上的pin脚数目可达到80个以上。传统的波峰焊、红外再流焊等方法焊接这类细间距pin脚时，极易发生相邻pin脚焊点的“桥连”，很难达到稳定的良品率。现在也出现了类似激光软钎焊的加工方法，专利号为200910189069的一种激光软钎焊方法，对于加工PCBA插装引脚、线材与PCBA的焊接尚无明显缺陷，但对于PCBA与电镀pin脚的激光软钎焊会造成焊接不稳定的现象，由于激光软钎焊采用连续或者高重频激光焊接，电镀pin脚与PCBA上的预上锡焊盘紧密接触，电镀pin脚一般采用铜质镀金件和合金镀镍件，对上述两种激光具有高反射性，pin脚吸收激光能量不稳定导致热传导给预上锡焊盘能量不一致影响焊接良品率。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种红外激光对有色金属的焊接方法。特别适用于PCBA与pin脚的激光软钎焊领域。
本发明采用的技术方案是：包括：利用视觉对位技术精确定位，将连接器上电镀pin脚利用低频率激光进行毛化预处理，再利用高频率激光对pin脚毛化区域进行加热。
上述方案中，采用高重频光纤激光器。
具体包括以下步骤：
(1)、首先调节光学***使激光焦点在加工表面上方1-5mm，使CCD的焦点与加工表面重合；
(2)、将待焊接PCBA焊盘预上锡安装好带pin脚连接器之后，整体固定在治具中，治具固定在二维平台上；
(3)、采用计算机控制板卡和视觉对位焊接软件，调节二维平台和升降平台使PCBA上的“mark”点，在CCD视场中心显示清晰，做好“mark”点的模版；
(4)、根据PCBA焊盘尺寸在视觉对位焊接软件中做好pin脚毛化图形，设定合适的激光脉宽、低频率、焊接速度、加工遍数；
(5)、调节视觉对位“mark”点的模版属性和pin脚毛化图形坐标，运用视觉对位使激光精确打在pin脚中间对pin脚进行毛化；
(6)、根据PCBA焊盘尺寸在视觉对位焊接软件中做好pin脚焊接图形与毛化图形重合，设定合适的激光脉宽、高频率、焊接速度、加工遍数；
(7)、触发激光，运用视觉对位在激光辐射作用下，预上锡熔化，熔融的锡向PCBA焊盘和pin脚接触面间辅展润湿；
(8)、关闭激光，锡料自然冷却，形成焊接面。
上述技术方案中，所述的高重频光纤激光器产生的光能，激光参数为波长1055—1070nm、平均功率20W、最高单脉冲能量1.2mJ、光束质量M2因子小于等于1.3、最小脉冲宽度2nm。
进一步地，上述步骤(1)中，所述激光焦点在加工表面上方1-5mm，使激光光斑为70-90um，同轴视觉对位***CCD的焦点与加工表面重合。
进一步地，上述步骤(2)中，PCBA焊盘尺寸为0.4X0.2mm—2.0X1.5mm，间距0.2—1mm，双面共有10—80个焊盘，带pin脚连接器双面共有10-80个pin脚，宽0.2—1.5mm。
进一步地，上述步骤(4)中，参数为激光脉宽1—5um、频率13—50KHZ、激光次数2—8遍、激光速度30—100mm/s。该步骤的作用是利用低频率、窄脉宽、慢速的将pin脚进行毛化，毛化后的电镀pin脚氧化物很容易的吸收光能。
进一步地，上述步骤(5)中，调节“mark”点的模版属性，使整体定位精度为±0.02mm。该步骤的作用是使激光精确定位，提高焊接品质。
进一步地，上述步骤(6)中，设定参数为激光脉宽10—50um、频率100—1000KHZ、激光次数10—20遍、激光速度100—1200mm/s。该步骤的作用是利用高频率、长脉宽、快速的使预上锡熔化，熔融的锡向PCBA焊盘和pin脚接触面间辅展润湿。
进一步地，上述步骤(7)或(11)中，激光发射过程中二维平台保持静止状态。
进一步地，上述步骤(8)后，包括以下步骤：
(1)、如果是整版PCBA是多个，移动二维平台使下一个PCBA上的“mark”点进入CCD视场中心；
(2)、重新调节pin脚毛化和焊接图形和参数，设定合适的激光脉宽、频率、焊接速度、加工遍数；
(3)、重新触发激光，运用视觉对位使PCBA焊盘预上锡在焊盘与pin脚接触面间充分辅展；
(4)、关闭激光，液态锡自然冷却，形成焊接面；
(5)、将PCBA翻面后重复上述步骤完成焊接加工。
本发明根据有色金属对红外激光吸收率原理，利用视觉对位技术精确定位，采用高重频光纤激光器将连接器上电镀pin脚用低频率激光进行毛化预处理减少反射增加吸收率，再利用高频率激光对pin脚毛化区域进行加热，随着激光能量的增加，pin脚在高密度、高能量的激光作用下通过热传导使pin脚与焊盘接触面的预锡产生更多的紊流和扰动，从而提供了足够的热力学条件，促使界面处锡料融化分散，完成锡焊加工。
选择激光源，是选择红外激光光源，利用高重频光纤激光器产生的低频率和高重频光能及其激光参数：波长1055--1070nm、平均功率20W、最高单脉冲能量1.2mJ、光束质量M2因子小于等于1.3、最小脉冲宽度2nm。高重频光纤激光器产生的光能可以很好的被毛化后的电镀pin脚氧化物吸收，通过热传导使pin脚能量传导到焊盘预锡上，同时高重频光纤激光器很容易做到通过控制脉宽和重复频率实现激光辐射能量的精确控制。
本发明的有益效果:由于通过本方法进行锡焊具有反射小、局部加热、快速加热、快速冷却等特点，可有效降低pin脚元件的热损伤，并且能够解决锡料爬越的问题，极大地提高焊接合格率。与传统的波峰焊、红外再流焊、Hotbar钎焊等焊接方法相比，彻底的消除了细间距时相邻pin脚焊点的“桥连”问题，安装在电路板上的许多元器件也不易受静电放电的影响，静电放电感生的损伤可能使元器件部分或全部损坏，降低了成品率，从而提高了制造成本。用激光***进行钎焊时，因为激光***是种非接触热源，不会对元器件有太大的热影响，从而减少静电放电损伤的危险。与传统的激光焊接方法相比，解决了电镀pin脚对激光具有高反射性，pin脚吸收激光能量不稳定，导致热传导给预上锡焊盘能量不一致影响焊接良品率问题。
在传统的激光焊接机设备中可以很容易的应用本工艺方法，无需对现有的设备进行大幅度的技术改造。利用在低能量密度、低频率、短时间的光纤激光器的激光辐射下对电镀pin脚进行预先毛化，增加pin脚对激光能量的吸收率；在高能量密度、高频率、短时间的光纤激光器的激光辐射pin脚预毛化区域，预上锡熔化，熔融的锡向PCBA焊盘和pin脚接触面间辅展润湿，完成焊接。该工艺方法适用于Type-c连接器的pin脚焊接。
附图说明
图1是本发明实施例Type-c连接器的示意图；
图2是本发明实施例PCBA的示意图；
图3是本发明实施例Type-c连接器安装PCBA后的示意图；
图4是本发明实施例pin脚被低频率激光进行毛化后的示意图；
图5是本发明实施例Type-c连接器和PCBA焊接好之后的示意图；
图6是本发明实施例Type-c连接器和PCBA焊接好之后的pin脚的示意图。
图中：1-Type-c连接器的固定壳体；2-Type-c连接器上安装PCBA的卡口；3-Type-c连接器上的pin脚；4-PCBA上的预上锡焊盘；5-PCBA上的“mark”点；6-PCBA；7-激光毛化区域；8-激光焊接区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1—图6所示，本发明加工对象为Type-c连接器，PCBA焊盘尺寸为1X0.22mm(长X宽)，间距0.2mm，双面共有20个焊盘，带pin脚连接器双面共有20个pin脚，宽0.2mm。首先调节光学***使激光焦点在加工表面上方1-5mm（正离焦），使激光光斑为70-90um，然后调节同轴视觉对位***，使CCD的焦点与加工表面重合，按照以下步骤进行：
第一步：将待焊接PCBA焊盘预上锡安装好带pin脚连接器之后，整体固定在治具中，治具固定在二维平台上。PCBA焊盘尺寸为1X0.22mm(长X宽)，间距0.2mm，双面共有20个焊盘，带pin脚连接器双面共有20个pin脚，宽0.2mm。
第二步：采用计算机控制板卡和视觉对位焊接软件，调节二维平台和升降平台使PCBA上的“mark”点，在CCD视场中心显示清晰，做好“mark”点的模版。
第三步：根据PCBA焊盘尺寸在视觉对位焊接软件中做好pin脚毛化图形，设定参数为激光脉宽1—5um、频率13—50KHZ、激光次数2—8遍、激光速度30—100mm/s。
第四步：调节视觉对位“mark”点的模版属性和pin脚毛化图形坐标，运用视觉对位使激光精确打在pin脚中间对pin脚进行毛化。
第五步：根据PCBA焊盘尺寸在视觉对位焊接软件中做好pin脚焊接图形与毛化图形重合，设定参数为激光脉宽10—50um、频率100—1000KHZ、激光次数10—20遍、激光速度100—1200mm/s。
第六步：触发激光，运用视觉对位在激光辐射作用下，预上锡熔化，熔融的锡向PCBA焊盘和pin脚接触面间辅展润湿。
第七步：关闭激光，锡料自然冷却，形成焊接面，激光发射过程中二维平台保持静止状态。
第八步：如果是整版PCBA是多个，移动二维平台使下一个PCBA上的“mark”点进入CCD视场中心。
第九步：重新调节pin脚毛化和焊接图形和参数，设定合适的激光脉宽、频率、焊接速度、加工遍数。
第十步：重新触发激光，运用视觉对位使PCBA焊盘预上锡在焊盘与pin脚接触面间充分辅展。
第十一步：关闭激光，液态锡自然冷却，形成焊接面，激光发射过程中二维平台保持静止状态。
第十二步：将PCBA翻面后重复上述步骤完成焊接加工。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，包括：利用视觉对位技术精确定位，将连接器上电镀pin脚利用低频率激光进行毛化预处理，再利用高频率激光对pin脚毛化区域进行加热；采用高重频光纤激光器；具体包括以下步骤：
(1)、首先调节光学***使激光焦点在加工表面上方1-5mm，使CCD的焦点与加工表面重合；
(2)、将待焊接PCBA焊盘预上锡安装好带pin脚连接器之后，整体固定在治具中，治具固定在二维平台上；
(3)、采用计算机控制板卡和视觉对位焊接软件，调节二维平台和升降平台使PCBA上的“mark”点，在CCD视场中心显示清晰，做好“mark”点的模版；
(4)、根据PCBA焊盘尺寸在视觉对位焊接软件中做好pin脚毛化图形，设定合适的激光脉宽、低频率、焊接速度、加工遍数；
(5)、调节视觉对位“mark”点的模版属性和pin脚毛化图形坐标，运用视觉对位使激光精确打在pin脚中间对pin脚进行毛化；
(6)、根据PCBA焊盘尺寸在视觉对位焊接软件中做好pin脚焊接图形与毛化图形重合，设定合适的激光脉宽、高频率、焊接速度、加工遍数；
(7)、触发激光，运用视觉对位在激光辐射作用下，预上锡熔化，熔融的锡向PCBA焊盘和pin脚接触面间辅展润湿；
(8)、关闭激光，锡料自然冷却，形成焊接面。
2.根据权利要求1所述的一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，所述的高重频光纤激光器产生的光能，激光参数为波长1055—1070nm、平均功率20W、最高单脉冲能量1.2mJ、光束质量M2因子小于等于1.3、最小脉冲宽度2nm。
3.根据权利要求1所述的一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，上述步骤(1)中，所述激光焦点在加工表面上方1-5mm，使激光光斑为70-90um，同轴视觉对位***CCD的焦点与加工表面重合。
4.根据权利要求1所述的一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，上述步骤(2)中，PCBA焊盘尺寸为0.4X0.2mm—2.0X1.5mm，间距0.2—1mm，双面共有10—80个焊盘，带pin脚连接器双面共有10-80个pin脚，宽0.2—1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，上述步骤(4)中，参数为激光脉宽1—5um、频率13—50KHZ、激光次数2—8遍、激光速度30—100mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，上述步骤(5)中，调节“mark”点的模版属性，使整体定位精度为±0.02mm。
7.根据权利要求1所述的一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，上述步骤(6)中，设定参数为激光脉宽10—50um、频率100—1000KHZ、激光次数10—20遍、激光速度100—1200mm/s。
8.根据权利要求1所述的一种红外激光对有色金属的焊接方法，其特征在于，上述步骤(8)后，包括以下步骤：
(1)、如果是整版PCBA是多个，移动二维平台使下一个PCBA上的“mark”点进入CCD视场中心；
(2)、重新调节pin脚毛化和焊接图形和参数，设定合适的激光脉宽、频率、焊接速度、加工遍数；
(3)、重新触发激光，运用视觉对位使PCBA焊盘预上锡在焊盘与pin脚接触面间充分辅展；
(4)、关闭激光，液态锡自然冷却，形成焊接面；
(5)、将PCBA翻面后重复上述步骤完成焊接加工。
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- 2016-10-31 CN CN201610929324.2A patent/CN106425103B/zh active Active
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