摘要：采用(yong)激光作為熱源對電路板端子進行(xing)焊(han)(han)(han)(han)接，在激光聚焦頭與電路板之間添加自(zi)動送絲(si)(si)機構(gou),對電路板焊(han)(han)(han)(han)盤處進行(xing)自(zi)動送絲(si)(si)處理。闡述了設備總體結構(gou)、自(zi)動送絲(si)(si)機構(gou)、釬(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)工藝(yi)(yi)流(liu)程及實(shi)際焊(han)(han)(han)(han)接效(xiao)果。其中，釬(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)工藝(yi)(yi)流(liu)程包(bao)括電路板預(yu)(yu)熱處理、自(zi)動送絲(si)(si)、錫(xi)絲(si)(si)形成(cheng)液(ye)滴(di)、錫(xi)滴(di)冷卻和形成(cheng)釬(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)接頭的(de)過程；重點(dian)比較研究了預(yu)(yu)熱和非預(yu)(yu)熱處理的(de)釬(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)效(xiao)果。結果表明，經(jing)預(yu)(yu)熱處理焊(han)(han)(han)(han)錫(xi)液(ye)滴(di)剛好覆蓋焊(han)(han)(han)(han)盤，焊(han)(han)(han)(han)點(dian)圓滑飽滿(man)，無明顯(xian)缺(que)口，無脫落現(xian)象(xiang)，效(xiao)果更好。
關鍵詞：電(dian)路板 激光釬焊 自(zi)動送絲(si)機構
電子產品要求體積越來越小，重量越來越輕，對電路板(PCB)的體積和重量也提出了嚴苛的要求[1-4]。目前電路板焊接主要方式有烙鐵焊、波峰焊、回流焊等焊接方式。其中，烙鐵焊接的成功率低，容易出現虛焊、拉尖、爆錫等焊接缺陷，一旦焊接失敗，整個電路板只能報廢處理[5]；而波峰焊和回流焊都必須將整個電路板放入高溫爐中處理，效率很低，且對電路板中的低溫敏感電子元器件損害極大，已經不能滿足現代電路板的焊接需求[6]。
激光焊是將激光束經過光學組件聚焦后，對焊接區域進行局部加熱，具有熱影響區域小、效率高、容易實現自動化等優點，已經在高溫金屬材料焊接上得到廣泛應用，如各種不銹鋼焊接、鋁合金焊接及異種材料的焊接[7-10]。隨著激(ji)光焊(han)(han)(han)(han)接(jie)應用的(de)發展，電路(lu)板的(de)釬(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)難(nan)題亦期待采(cai)用激(ji)光釬(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)解決。但是(shi)激(ji)光釬(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)對焊(han)(han)(han)(han)接(jie)位(wei)置精(jing)度(du)要求較高，且(qie)(qie)對焊(han)(han)(han)(han)點溫(wen)度(du)非常(chang)敏(min)感，目(mu)前(qian)研(yan)究的(de)重點主要集(ji)中在(zai)如(ru)何提高釬(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)加工(gong)位(wei)置精(jing)度(du)及通過精(jing)確控制(zhi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)區域的(de)溫(wen)度(du)來避免對焊(han)(han)(han)(han)接(jie)以外區域的(de)灼(zhuo)傷，但是(shi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)質(zhi)量依然無(wu)法(fa)得(de)到(dao)充分保證。在(zai)釬(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)過程中，釬(han)(han)(han)料(liao)、助焊(han)(han)(han)(han)劑(ji)、焊(han)(han)(han)(han)盤、焊(han)(han)(han)(han)接(jie)溫(wen)度(du)、焊(han)(han)(han)(han)接(jie)時間等(deng)因素均會影響到(dao)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)效果，而(er)且(qie)(qie)各種影響因素相互影響制(zhi)約。因此，激(ji)光釬(han)(han)(han)焊(han)(han)(han)(han)仍需要大量的(de)工(gong)藝研(yan)究，改善(shan)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)效果。
文(wen)中通(tong)過在激(ji)光聚焦頭與電路(lu)板(ban)之間添(tian)加(jia)高精(jing)度自(zi)動送絲(si)機構，優化設計釬焊(han)加(jia)工工藝流程，對PCB端子進(jin)行(xing)精(jing)密(mi)焊(han)接(jie)，達到(dao)了良好(hao)的(de)焊(han)接(jie)效(xiao)果。
電路板釬焊設備整體結構主要由激光器組件、激光聚焦頭(將激光束通過光學鏡片聚焦到工件上)、運動平臺及夾具安裝板(固定電路板)等部分組成，設備整體結構如圖1所示。其中X/Y/Z軸運(yun)動平(ping)臺(tai)的行(xing)程為300 mm×200 mm×100 mm，可以加工較大幅面的電(dian)(dian)路板或(huo)者(zhe)一次加工多個小(xiao)型電(dian)(dian)路板，提高生產效率。
圖1 設備總(zong)體組(zu)成圖
自(zi)動(dong)(dong)送(song)絲(si)(si)(si)系統主(zhu)(zhu)要由(you)壓(ya)緊(jin)手(shou)柄(bing)、送(song)絲(si)(si)(si)輪(lun)、驅動(dong)(dong)機(ji)構(gou)(gou)(gou)、矯(jiao)(jiao)直(zhi)(zhi)機(ji)構(gou)(gou)(gou)及(ji)壓(ya)緊(jin)滾輪(lun)組成，結構(gou)(gou)(gou)如圖2所示。焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)纏繞在(zai)焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)滾輪(lun)上(shang)后，采用(yong)壓(ya)緊(jin)手(shou)柄(bing)對(dui)焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)進(jin)行初步壓(ya)緊(jin)，驅動(dong)(dong)機(ji)構(gou)(gou)(gou)在(zai)電機(ji)的(de)作(zuo)用(yong)下驅動(dong)(dong)上(shang)下兩對(dui)壓(ya)緊(jin)輪(lun)，焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)在(zai)壓(ya)緊(jin)滾輪(lun)的(de)摩擦力作(zuo)用(yong)下被(bei)拉出焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)盤，然后進(jin)入(ru)焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)矯(jiao)(jiao)直(zhi)(zhi)機(ji)構(gou)(gou)(gou)，保證(zheng)焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)在(zai)送(song)絲(si)(si)(si)軟管中不發生折彎，最后焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)經過導槽送(song)入(ru)焊(han)(han)(han)(han)槍嘴，由(you)焊(han)(han)(han)(han)槍嘴帶動(dong)(dong)焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)伸入(ru)到指(zhi)定的(de)焊(han)(han)(han)(han)接區域。其中送(song)絲(si)(si)(si)的(de)位置精度主(zhu)(zhu)要依靠壓(ya)緊(jin)滾輪(lun)保證(zheng)，文中在(zai)壓(ya)緊(jin)滾輪(lun)上(shang)開出U形(xing)槽，防止(zhi)焊(han)(han)(han)(han)絲(si)(si)(si)通過的(de)過程中發生變形(xing)，影響送(song)絲(si)(si)(si)效果。
圖2 自動(dong)送絲(si)結構圖
激光釬焊加工工藝流程主要包括定位、預熱、送錫絲并熔錫、滴錫及結束過程，流程示意圖如圖3所示。將激光聚焦頭在X/Y軸運動平移臺的操控下到達指定位置(PCB焊盤的正上方)，激光聚焦焦點距離PCB面3 mm，且激光聚焦頭、送錫絲機構及焊盤三者位于同一平面。采用一定功率對預定PCB焊盤進行預熱處理，預熱功率應合理選取，較高很容易灼傷PCB焊盤，較小則無法起到預熱效果。然后送絲機構將錫絲送出一定長度(此時錫絲與焊盤之間有一定高度距離)，同時調節激光器功率并保持一定時間，將錫絲熔化。送絲機構在Z軸運動平移臺的操控下高速向下運動并將錫焊液滴送至PCB焊盤上，然后送絲機構在Z軸(zhou)運動平移(yi)臺的(de)操控下快速抬起(qi)，送絲嘴(zui)離開PCB焊(han)盤(pan)，在焊(han)盤(pan)上形成(cheng)(cheng)焊(han)點，完成(cheng)(cheng)PCB上單個焊(han)盤(pan)的(de)焊(han)接。
圖3 釬焊(han)流程設計(ji)示意圖
激(ji)光(guang)(guang)釬焊(han)加(jia)工工藝流程(cheng)(cheng)中關鍵(jian)的(de)兩個過(guo)程(cheng)(cheng)為預(yu)熱(re)(re)過(guo)程(cheng)(cheng)及(ji)送(song)錫(xi)(xi)絲(si)(si)熔化過(guo)程(cheng)(cheng)。圖(tu)(tu)4a為激(ji)光(guang)(guang)對PCB焊(han)盤(pan)進行預(yu)加(jia)熱(re)(re)的(de)過(guo)程(cheng)(cheng)示意(yi)圖(tu)(tu)，圖(tu)(tu)4b為送(song)錫(xi)(xi)絲(si)(si)熔錫(xi)(xi)過(guo)程(cheng)(cheng)示意(yi)圖(tu)(tu)，需要快速(su)送(song)錫(xi)(xi)絲(si)(si)及(ji)對錫(xi)(xi)絲(si)(si)快速(su)回收。文(wen)中設計(ji)的(de)送(song)絲(si)(si)速(su)度(du)最(zui)快達到300 mm/s，保證將釬料液滴快速(su)送(song)至PCB焊(han)盤(pan)，避免(mian)激(ji)光(guang)(guang)長時(shi)(shi)間作(zuo)用燒蝕PCB，同時(shi)(shi)送(song)絲(si)(si)機(ji)(ji)構(gou)能在最(zui)短(duan)時(shi)(shi)間內抬起(qi)(0.1 s內)離開焊(han)盤(pan),避免(mian)了多余(yu)錫(xi)(xi)絲(si)(si)堵住送(song)絲(si)(si)嘴。對于面(mian)積較小(xiao)的(de)PCB焊(han)盤(pan)，送(song)絲(si)(si)機(ji)(ji)構(gou)的(de)精度(du)決定了焊(han)接的(de)成敗(bai)，根據(ju)實(shi)際生產經驗，文(wen)中設計(ji)的(de)送(song)絲(si)(si)機(ji)(ji)構(gou)精度(du)為 0.1 mm，可以焊(han)接的(de)PCB焊(han)盤(pan)最(zui)小(xiao)面(mian)積約(yue)為0.6 mm×0.6 mm。
對(dui)(dui)(dui)PCB焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)預熱(re)(re)的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)與作(zuo)用(yong)(yong)(yong)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)需要大(da)量的(de)(de)工(gong)藝(yi)(yi)試驗(yan)進(jin)(jin)行(xing)探(tan)索(suo)。為(wei)了(le)保證焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效(xiao)(xiao)果的(de)(de)同(tong)時(shi)(shi)節約激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)及(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)，文中將(jiang)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)及(ji)加(jia)熱(re)(re)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)兩因(yin)素(su)(su)進(jin)(jin)行(xing)混交試驗(yan)，得出(chu)最(zui)佳(jia)(jia)的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)及(ji)預熱(re)(re)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)分(fen)別為(wei)20 W和0.3 s。同(tong)時(shi)(shi)對(dui)(dui)(dui)熔(rong)錫(xi)過程(cheng)(cheng)中的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)及(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)兩因(yin)素(su)(su)進(jin)(jin)行(xing)混交試驗(yan)，得到(dao)最(zui)佳(jia)(jia)的(de)(de)工(gong)藝(yi)(yi)參數：激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)為(wei)50 W，激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)為(wei)0.4 s。圖(tu)5為(wei)PCB焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)實際焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效(xiao)(xiao)果圖(tu)，其中圖(tu)5a未(wei)對(dui)(dui)(dui)焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)進(jin)(jin)行(xing)預熱(re)(re)處理，直接(jie)(jie)進(jin)(jin)行(xing)送絲(si)(si)熔(rong)錫(xi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)的(de)(de)效(xiao)(xiao)果，可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)焊(han)(han)(han)(han)點(dian)與焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)粘合不牢固(gu)，有(you)的(de)(de)甚至(zhi)有(you)脫(tuo)落(luo)現(xian)象(xiang)(xiang)；圖(tu)5b為(wei)使用(yong)(yong)(yong)最(zui)佳(jia)(jia)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)能量及(ji)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)對(dui)(dui)(dui)焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)預熱(re)(re)后(hou)，再進(jin)(jin)行(xing)送錫(xi)絲(si)(si)熔(rong)化焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)，可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)熔(rong)化的(de)(de)釬料液滴(di)剛好覆蓋焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)，焊(han)(han)(han)(han)點(dian)圓滑飽滿，無明顯(xian)缺口(kou)，焊(han)(han)(han)(han)點(dian)無脫(tuo)落(luo)現(xian)象(xiang)(xiang)，這可(ke)能是焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)預熱(re)(re)工(gong)藝(yi)(yi)增加(jia)了(le)釬料的(de)(de)潤(run)濕性(xing)及(ji)流(liu)動(dong)性(xing)，從而提高了(le)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)強度。在送錫(xi)絲(si)(si)與退錫(xi)絲(si)(si)反復運動(dong)過程(cheng)(cheng)中，未(wei)發生(sheng)堵錫(xi)和斷錫(xi)現(xian)象(xiang)(xiang)，焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)過程(cheng)(cheng)穩定。同(tong)時(shi)(shi)，熔(rong)錫(xi)過程(cheng)(cheng)、送絲(si)(si)步驟(zou)及(ji)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)步驟(zou)同(tong)時(shi)(shi)進(jin)(jin)行(xing)，時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)為(wei)0.4 s，加(jia)上焊(han)(han)(han)(han)盤(pan)預熱(re)(re)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)0.3 s，單個焊(han)(han)(han)(han)點(dian)的(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)為(wei)0.7 s，極大(da)提高了(le)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)。
圖4 焊接過(guo)程示意圖
圖5 錫焊實際效果圖
(1)通過(guo)(guo)自動送絲(si)機構對電路板進行送絲(si)焊(han)接(jie)，優(you)化釬焊(han)過(guo)(guo)程(cheng)設(she)計，得到(dao)無(wu)(wu)燒蝕(shi)、無(wu)(wu)漏(lou)焊(han)、無(wu)(wu)虛焊(han)的焊(han)接(jie)效果(guo)，焊(han)接(jie)過(guo)(guo)程(cheng)中無(wu)(wu)堵絲(si)、無(wu)(wu)斷絲(si)現象發(fa)生，焊(han)接(jie)過(guo)(guo)程(cheng)穩定(ding)可控。
(2)焊(han)(han)接單個焊(han)(han)盤(pan)時間(jian)為(wei)0.7 s，送絲精度達到0.1 mm，可(ke)焊(han)(han)接的焊(han)(han)盤(pan)面積最小(xiao)約為(wei)0.6 mm×0.6 mm，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)小(xiao)面積的PCB端子的精密(mi)焊(han)(han)接。
(3)在實(shi)際的電路板(ban)焊接生產(chan)過程中，該(gai)系(xi)統得(de)到(dao)廣泛(fan)使(shi)用，提高了(le)成品率，降低了(le)生產(chan)成本，取得(de)了(le)很好的經濟效益。