CN113084290A - 激光锡焊***以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光焊接技术领域，提供了一种激光锡焊***，包括激光发生器，还包括环形焊盘以及用于将所述激光发生器发出的激光整形为环形光斑的整形组件，所述环形焊盘上具有供所述环形光斑覆盖于其上作业的作业区域，所述环形焊盘的所述作业区域中布设有若干锡焊工位。还提供了一种激光锡焊方法。本发明采用的环形焊盘具有多个锡焊工位，对圆环产品上的N个焊盘上的锡球进行一次焊接，相对于激光每次焊接一个焊盘上锡球的方式，生产效率提高了N倍。采用测温装置检测环形光斑内的温度，并将测得的温度反馈至激光器控制单元，由所述激光器控制单元控制所述激光发生器的输出功率大小，使得焊接过程更加稳定，提高良率。

Description

激光锡焊***以及方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种激光锡焊***以及方法。
背景技术
电烙铁锡焊热量输入较大，高的温度容易导致产品内部器件失效，电烙铁需要与焊盘接触，对于焊盘周围有干涉的产品无法施工。激光焊接具有热影响范围小，加工效率高，与工件非接触，容易实现自动化等优势，在锡焊等行业应用越来越广泛。锡焊项目中，传统的激光锡焊一次焊接一个焊盘，效率低下；采用加大光斑大小，让光斑覆盖整个环形焊盘的方法，这样非焊盘区域(光斑中心位置)温度太高。采用圆锥棱镜配合聚焦透镜可以产生环形光斑，但是圆锥棱镜加工难度高且成本高。采用两个或者多个棱镜叠加组合可以产生环形光斑，如专利：一种环形光斑装置，申请号：201320165279.X。但是这种结构得到的环形光斑大小不可调试，适用范围较小。直接采用环形光斑焊接可能因为材料表面的状态差异，导致吸收的激光能量不一样，产生的温度不可控制，温度过高，可能会将焊盘烧伤，产生不良。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光锡焊***以及方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种激光锡焊***，包括激光发生器，还包括环形焊盘以及用于将所述激光发生器发出的激光整形为环形光斑的整形组件，所述环形焊盘上具有供所述环形光斑覆盖于其上作业的作业区域，所述环形焊盘的所述作业区域中布设有若干锡焊工位。
进一步，各所述锡焊工位沿所述工作区域的环形方向均匀布置。
进一步，所述整形组件包括沿光路方向依次布置的准直镜、整形镜片、反射元件以及聚焦镜。
进一步，所述整形镜片为衍射光学元件。
进一步，所述整形组件还包括用于对不同波长的光进行合并同轴的合光组件镜，所述合光组件镜设于所述反射元件和所述聚焦镜之间的光路上。
进一步，还包括用于对焊接位置进行视觉定位的CCD相机。
进一步，还包括用于检测所述环形光斑内的温度的测温装置，所述测温装置将测得的温度反馈至激光器控制单元，所述激光器控制单元控制激光发生器的输出功率大小。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种激光锡焊方法，包括如下步骤：
S1，采用激光发生器发出激光，并送至整形组件；
S2，所述整形组件接收激光后将激光整形为环形光斑；
S3，将所述环形光斑射至具有多个锡焊工位的环形焊盘上，并使所述环形光斑覆盖各所述锡焊工位，以实现多工位同时焊接。
进一步，采用测温装置检测环形光斑内的温度，并将测得的温度反馈至激光器控制单元，由所述激光器控制单元控制所述激光发生器的输出功率大小。
进一步，采用缓升缓降的温度对所述环形焊盘进行焊接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用的环形焊盘具有多个锡焊工位，对圆环产品上的N个焊盘上的锡球进行一次焊接，相对于激光每次焊接一个焊盘上锡球的方式，生产效率提高了N倍。
2、采用衍射光学元件作为整形镜片，相比于圆锥棱镜，具有小型化、可重复度高、成本低、设计自由度高、衍射效率高等优点。
3、采用测温装置可以实时检测环形光斑内的温度，并将温度反馈给激光器控制***，进行功率控制，保证环形光斑内的温度与设定值一致，做到对环形光斑内温度进行精确控制，保证良品率。
4、采用缓升缓降的温度对环形焊盘进行焊接得到的焊点外观好，良品率高，良率可达99.8％。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激光锡焊***的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激光锡焊***环形光斑的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光锡焊***的测温装置和激光器控制单元的联动原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种激光锡焊***的环形焊盘的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种激光锡焊***设定的温度曲线；
图6为本发明实施例提供的一种激光锡焊***设定的激光功率曲线；
附图标记中：1-激光发生器；2-准直器；3-整形镜片；4-反射元件；5-CCD相机；6-合光组件镜；7-聚焦镜；8-环形光斑；9-测温装置；10-环形焊盘；11-锡焊工位。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2和图4，本发明实施例提供一种激光锡焊***，包括激光发生器1、环形焊盘10以及用于将所述激光发生器1发出的激光整形为环形光斑8的整形组件，所述环形焊盘10上具有供所述环形光斑8覆盖于其上作业的作业区域，所述环形焊盘10的所述作业区域中布设有若干锡焊工位11。在本实施例中，采用的环形焊盘10具有多个锡焊工位11，对圆环产品上的N个焊盘上的锡球进行一次焊接，相对于激光每次焊接一个焊盘上锡球的方式，生产效率提高了N倍。具体地，传统的激光锡焊如果采用环形光斑8加工时，多是一个个进行焊接，而本实施例采用了环形焊盘10后，可以实现同时加工多个工位，从而极大地提高了环形光斑8焊接的效率。其中采用的激光发生器1优选为半导体激光器，波长915nm，平均功率30W，这种激光器成本非常低，电光转化效率达到40％，冷却方式为风冷，采用U箱结构，便于设备集成。
以下为具体实施例：
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图4，各所述锡焊工位11沿所述工作区域的环形方向均匀布置。在本实施例中，各个锡焊工位11的布置也是形成环状，以便于环形光斑8能够覆盖每个锡焊工位11，只需要控制好环形光斑8的大小，即可一次性完成多个焊锡工位的焊接工作。例如环形焊盘10上有七个锡焊工位11，设有七个锡球，锡球直径为0.50mm。环形光斑8的激光一次对焊盘上的七个锡球进行加热，将锡球熔化，然后将焊盘进行锡焊加工。相对于传统的圆形光斑激光锡焊方式：焊盘上上面的七个锡球，需要激光作用七次，才能完成锡焊，每次激光作用时间2s，则需要14s时间才能完成整个环形焊盘10的锡焊，采用环形光斑8对焊盘上的锡球进行加工，则只需要2s时间，是传统的加工方式时间的1/7，极大的提高了生产效率。优选的，在锡焊工位11上涂覆助焊剂，然后植入锡球，激光对锡球加热，使得焊盘焊接起来。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述整形组件包括沿光路方向依次布置的准直镜、整形镜片3、反射元件4以及聚焦镜7。优选的，所述整形镜片3为衍射光学元件。本整形组件还包括用于对不同波长的光进行合并同轴的合光组件镜6，所述合光组件镜6设于所述反射元件4和所述聚焦镜7之间的光路上。在本实施例中，激光从激光发生器1中出来后，先由准直器2将光束变成平行光，然后再由整形镜片3极性整形，该整形镜片3为衍射光学元件(Diffactive Optical Elements,DOE)，相比于圆锥棱镜，具有小型化、可重复度高、成本低、设计自由度高、衍射效率高等优点。因为圆锥棱镜需要将玻璃材料镜片采用机械加工方法形成圆锥形状，对尺寸的加工精度要求高，一般要求加工公差正负0.01-0.05mm，现有机械加工技术很难达到要求，导致加工成本高且良率底。而该整形镜片3的加工方法为阶梯重刻法，其加工流程分为三步：设计与制作掩膜、图形重现以及刻蚀。对于衍射光学元件的制作来说，它的相位特征是多阶的，一次制作，只能在目标材料上呈现两个梯度结构，所以需要进行多次重复以上三步工艺流程。反射元件4可以对激光进行反射，合光组件镜6可以对不同波长的光进行合并同轴，形成同轴光路，聚焦镜7对激光进行聚焦，最终形成环形光斑8。优选的，本***还包括用于对焊接位置进行视觉定位的CCD相机5。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，本***还包括用于检测所述环形光斑8内的温度的测温装置9，所述测温装置9将测得的温度反馈至激光器控制单元，所述激光器控制单元控制激光发生器1的输出功率大小。在本实施例中，测温装置9优选为红外测温光学发生器，它可以实时检测环形光斑8内的温度。这里采用激光器控制单元与之配合，具体地，如图3所示，上位机设定焊接温度值，单片机获取指令，打开激光器出光，对焊盘加热，温度升高，温度探测器实时探测环形光斑8内的温度值，反馈给单片机，将探测到的温度值和设定的温度值进行对比，控制激光的功率大小，使得环形光斑8内的实际温度和设定的温度值保持一致，实现对环形光斑8内温度的稳定性控制。
本发明实施例提供一种激光锡焊方法，包括如下步骤：S1，采用激光发生器1发出激光，并送至整形组件；S2，所述整形组件接收激光后将激光整形为环形光斑8；S3，将所述环形光斑8射至具有多个锡焊工位11的环形焊盘10上，并使所述环形光斑8覆盖各所述锡焊工位11，以实现多工位同时焊接。在本实施例中，采用的环形焊盘10具有多个锡焊工位11，对圆环产品上的N个焊盘上的锡球进行一次焊接，相对于激光每次焊接一个焊盘上锡球的方式，生产效率提高了N倍。具体地，传统的激光锡焊如果采用环形光斑8加工时，多是一个个进行焊接，而本实施例采用了环形焊盘10后，可以实现同时加工多个工位，从而极大地提高了环形光斑8焊接的效率。其中采用的激光发生器1优选为半导体激光器，波长915nm，平均功率30W，这种激光器成本非常低，电光转化效率达到40％，冷却方式为风冷，采用U箱结构，便于设备集成。
作为本发明实施例的优化方案，采用测温装置9检测环形光斑8内的温度，并将测得的温度反馈至激光器控制单元，由所述激光器控制单元控制所述激光发生器1的输出功率大小。在本实施例中，测温装置9优选为红外测温光学发生器，它可以实时检测环形光斑8内的温度。这里采用激光器控制单元与之配合，具体地，如图3所示，上位机设定焊接温度值，单片机获取指令，打开激光器出光，对焊盘加热，温度升高，温度探测器实时探测环形光斑8内的温度值，反馈给单片机，将探测到的温度值和设定的温度值进行对比，控制激光的功率大小，使得环形光斑8内的实际温度和设定的温度值保持一致，实现对环形光斑8内温度的稳定性控制。
作为本发明实施例的优化方案，采用缓升缓降的温度对所述环形焊盘10进行焊接。在本实施例中，采用缓升缓降的温度对环形焊盘10上的锡球进行锡焊，设定的温度曲线如图5所示，在加热时间0-300ms内，环形光斑8内的温度从0W升高到120℃，对助焊剂进行加热，使得助焊剂在焊盘上充分的流动，让后续熔化的锡铺满整个焊盘；加热时间300-400ms内，环形光斑8内的温度从120℃升高到200℃，对锡球进行预热，让锡球与助焊剂有更好的粘性，锡球不会因为温度突然升高，导致锡球发生位置突然变化，焊接过程更加稳定；加热时间400-1200ms内，环形光斑8内的温度一直保持200℃，对锡球进行持续加热，使得锡球熔化；加热时间1200-1210ms内，环形光斑8内的温度从200℃降低到160℃，使得热量更加平稳的降低；加热时间1210-1610ms内，环形光斑8内的温度一直保持160℃，相当于保温作用，使得熔化的锡进一步在焊盘上铺展开，但是又不至于产生炸锡等不良，焊点外观非常美观光亮，良品率得到极大提高，良率达到99.8％。另外不采用温度控制，采用设定激光功率曲线的方式进行焊接，如图6所示。传统的方式因为没有对温度进行控制，某些焊盘表面对激光能量吸收率过高，产生的温度值过高，将焊盘烧伤；良率只有95.6％。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种激光锡焊***，包括激光发生器，其特征在于：还包括环形焊盘以及用于将所述激光发生器发出的激光整形为环形光斑的整形组件，所述环形焊盘上具有供所述环形光斑覆盖于其上作业的作业区域，所述环形焊盘的所述作业区域中布设有若干锡焊工位。
2.如权利要求1所述的一种激光锡焊***，其特征在于：各所述锡焊工位沿所述工作区域的环形方向均匀布置。
3.如权利要求1所述的一种激光锡焊***，其特征在于：所述整形组件包括沿光路方向依次布置的准直镜、整形镜片、反射元件以及聚焦镜。
4.如权利要求3所述的一种激光锡焊***，其特征在于：所述整形镜片为衍射光学元件。
5.如权利要求3所述的一种激光锡焊***，其特征在于：所述整形组件还包括用于对不同波长的光进行合并同轴的合光组件镜，所述合光组件镜设于所述反射元件和所述聚焦镜之间的光路上。
6.如权利要求1所述的一种激光锡焊***，其特征在于：还包括用于对焊接位置进行视觉定位的CCD相机。
7.如权利要求1所述的一种激光锡焊***，其特征在于：还包括用于检测所述环形光斑内的温度的测温装置，所述测温装置将测得的温度反馈至激光器控制单元，所述激光器控制单元控制激光发生器的输出功率大小。
8.一种激光锡焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采用激光发生器发出激光，并送至整形组件；
S2，所述整形组件接收激光后将激光整形为环形光斑；
S3，将所述环形光斑射至具有多个锡焊工位的环形焊盘上，并使所述环形光斑覆盖各所述锡焊工位，以实现多工位同时焊接。
9.如权利要求8所述的一种激光锡焊方法，其特征在于：采用测温装置检测环形光斑内的温度，并将测得的温度反馈至激光器控制单元，由所述激光器控制单元控制所述激光发生器的输出功率大小。
10.如权利要求8所述的一种激光锡焊方法，其特征在于：采用缓升缓降的温度对所述环形焊盘进行焊接。
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