应用于喷锡球焊接的旁轴蓝光复合焊接设备及方法与流程

1.本发明属于焊接技术领域，尤其是一种应用于喷锡球焊接的旁轴蓝光复合焊接设备及方法。


背景技术：

2.目前喷锡球焊接，主要使用单一的激光器和焊接头进行喷球焊接，结构上焊接头与喷嘴同轴，激光加热喷嘴处锡球，锡球融化后在氮气作用下喷出，利用锡球本身热量或者二次追光完成焊接。这种焊接方式对高散热焊盘或者散热有明显差异的两个焊盘焊接，存在焊盘少锡、烧伤、飞球等不良，焊接工艺很难调试，焊接良率不高。针对高散热焊盘，通常使用加热平台、加热块或者热风枪预热，其加热效率低、尺寸大的弊端，不利于设备集成，例如，申请号为2020113363600，名称为一种高频聚焦感应与激光复合焊接头装置的专利申请，采用的是通过电磁感应对所焊接区域进行预热的方式，该方式增加了设备的复杂度；针对两种散热有明显差异的待焊接物，比如fpc和pcb、针脚和pcb等，若单独使用同轴激光，则容易造成焊盘一边烧伤、另一边少锡，进而导致焊接不稳定，调试困难。另外，存在焊盘表面污染、氧化等问题，容易造成焊接飞球不良，需要提前预热焊盘或者清洗焊盘表面，提高焊盘粘锡能力。以上为锡球焊接中遇到的实际问题，需要新的焊接工艺进行改善。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的容易出现焊锡过量的技术问题，提出一种应用于喷锡球焊接的旁轴蓝光复合焊接设备，包括：一种应用于喷锡球焊接的旁轴蓝光复合焊接设备，包括：喷球激光机构，用于输出主轴激光束并喷出锡球，所述主轴激光束的光斑作用在所述锡球上；蓝光焊接头，用于输出蓝光光束，所述蓝光光束的光斑作用在焊盘上，所述主轴激光束与所述蓝光光束之间的夹角为α；所述蓝光光束作用在所述焊盘上后，所述焊盘的温度为β；α与β之间的比值为d，5.0≥d≥2.4；蓝光ccd，用于对所述焊盘的表面进行拍照。
4.可选的，主轴激光束为半导体激光。
5.可选的，在焊接前，先通过蓝光光束的光斑对焊盘进行预热，然后通过半导体激光将锡球熔化，从而将待焊接部件和焊盘搭接焊接在一起，在喷锡球后，所述蓝光光束的光斑参与追光过程，继续加热所述焊盘。
6.可选的，包括激光出射时长控制部，所述激光出射时长控制部用于控制蓝光光束和主轴激光束的激光出射时长，所述蓝光光束的激光出射时长为a，所述主轴激光束的激光出射时长为b。
7.可选的，a与b之间的时间间隔为s，a与s之间的比值大于1。
8.可选的，还设有料桶组件、蓝光焊接头调节支架、蓝光焊接头、伺服电机、分球腔体
组件和喷锡球焊接头，锡球经过分球腔体组件可进入所述喷锡球焊接头的空腔内，在锡球进入空腔的同时，将主轴激光束作用在锡球上；所述料桶组件用于存储锡球；所述锡球能够进入所述分球腔体组件，所述分球腔体组件为所述锡球的分料机构和掉球通道，包含碟片和所述喷锡球焊接头；所述伺服电机为所述喷锡球焊接头的旋转电机，所述旋转电机连接联轴器，用于带动所述碟片旋转；所述蓝光焊接头调节支架用于固定蓝光焊接头，并且用于微调蓝光光斑的位置；所述蓝光焊接头为旁轴预热激光的焊接头，蓝光光斑作用在焊盘上，所述蓝光焊接头配置同轴的蓝光ccd，所述蓝光ccd与所述蓝光焊接头连接；所述蓝光ccd与显示器连接，所述显示器用于实时监视焊接位置，方便蓝光光斑位置调节；所述喷球激光机构由半导体激光器或者光纤激光器进行出射，出射的激光光斑作用在所述喷锡球焊接头的锡球上，所述锡球融化后喷出；蓝光焊接头调节支架中包含料桶安装板、光纤放大器、对射式光纤传感器、感应片、连接轴、蓝光焊接头和蓝光ccd；所述料桶安装板将所述蓝光焊接头调节支架固定在所述喷锡球焊接头上；所述光纤放大器和所述对射式光纤传感器配合使用，用来检测所述感应片位置变动；所述感应片设计有0.4mm小孔，小孔与所述对射式光纤传感器光路对齐，所述感应片固定在所述连接轴的一端，所述连接轴另一端固定在蓝光焊接头上。
9.可选的，当蓝光焊接头位置轻微变化时，感应片小孔与对射式光纤传感器光路偏心，感应片部分或者全部挡住光路，此时放大器接受的光信号较弱，在低于设置的阈值时，输出报警信息，以用于检查蓝光焊接头位置。
10.可选的，蓝光焊接头调节支架中设有xy微调平台和蓝光连接板，所述xy微调平台的x向和y向可移动范围是
±
7mm；所述蓝光连接板与蓝光焊接头连接，用于蓝光焊接头的角度，调节角度范围是
±5°
。
11.可选的，在xy微调平台中，调节合适的角度和高度后，通过内六角扳手微调平移台x向和y向位置，将蓝光光斑与喷球激光光斑中心重合或者固定间距位置，蓝光光斑为椭圆，喷球激光机构的激光出射方向与所述喷锡球焊接头喷锡球的方向相同且同轴，同轴的光斑为圆形。
12.提出一种焊接方法，通过上述应用于喷锡球焊接的旁轴蓝光复合焊接设备执行所述焊接方法的步骤，包括：s1：通过工作台xyz模组带动喷锡球焊接头移动到焊盘上方位置；s2：通过焊接头气压传感器判断喷锡球焊接头是否上球ok，上球ok后给蓝光激光器和半导体激光器出光信号；s3：蓝光激光器收到机台给的出激光信号后，开始出蓝光光束，出光时间为a；s4：半导体激光器收到机台给出激光信号后，延时时间c后，开始出半导体激光，将锡球喷出，出光时间为b；s5：出光完成后，通过所述焊接头气压传感器判断锡球是否喷出，喷出后给机台出光完成信号，否则给出堵球报警信号；s6：机台收到出光完成信号后，通过所述xyz模组带动喷锡球焊接头到下一个焊点。
13.本发明的有益效果：旁轴蓝光和同轴激光复合焊接方式在喷锡球焊接的应用，这种方式对提高生产良率和焊接稳定性有显著效果。针对大焊盘、焊盘散热快或者异性焊盘，特别是镀金和铜材质的焊盘，旁轴蓝光复合焊接方式有较大优势，拓宽了锡球的应用范围。另外，整体结构设计紧凑，体积小，容易进行自动化集成。
附图说明
14.图1为本发明整体结构示意图；图2为蓝光焊接头调节支架结构示意图；图3为蓝光同轴ccd监视系统示意图；图4为xy微调平台一角度下的结构示意图；图5为光斑形状示意图；图6为焊接控制流程图；图7为旁轴蓝光和半导体激光时间示意图；图8、图9为pcb和fpc搭接焊接示意图；图10、图11为常见的pcb和针脚穿孔焊接示意图。
具体实施方式
15.参照说明书附图1至11，对具体实施方式进行说明，提出一种应用于喷锡球焊接的旁轴蓝光复合焊接设备，包括：喷球激光机构5，用于输出主轴激光束并且喷出锡球，主轴激光束的光斑作用在锡球上；蓝光焊接头3，用于输出蓝光光束，蓝光光束的光斑作用在焊盘上。主轴激光束能够为半导体激光。在焊接前，能够先通过蓝光光束的光斑对焊盘进行预热，然后通过半导体激光将锡球熔化，从而将pcb板和fpc焊盘搭接焊接在一起，在喷锡球后，蓝光光束的光斑参与追光过程，继续加热fpc焊盘。喷球激光机构5将输出激光和喷锡球两个功能集中在一起，通过一个机构实现两个功能，在喷锡球的同时可实现输出激光，整体结构设计紧凑，体积小，容易进行自动化集成；通过蓝光ccd对焊盘的表面进行拍照，判断焊盘的表面是否存在污染、氧化等问题，根据蓝光ccd拍照获取的信息，对主轴激光束和蓝光光束出光的时长进行调整，从而达到节约出光时长、提高焊接效果的目的。单独使用半导体激光进行喷锡球焊接时，fpc焊盘容易少锡，良率很难提升。不同的pcb和fpc参数有较大差异，使用相同参数焊接很难兼容，容易出现焊接不稳定的情况，在fpc侧增加旁轴的蓝光光束，主轴激光束与蓝光光束之间的夹角为α；蓝光光束作用在焊盘上后，焊盘的温度为β；α与β之间的比值为d，5.0≥d≥2.4，例如，蓝光光束与半导体激光之间的夹角包括30-50
°
，蓝光光束能够将焊盘预热至120-150℃；在比值为d时，能够提高焊盘润湿性，焊盘可焊接窗口增加，例如，可在pcb和fpc参数有较大差异时，依然能够实现良好的焊接效果，具有兼容性高的优势；并且喷球后蓝光参与追光过程，继续加热fpc焊盘，利用镀金材质对蓝光吸收率高的特点，使得fpc焊盘保持较高温度，降低fpc焊盘少锡不良。
16.参照说明书附图7，a为蓝光激光时间，b为半导体激光时间，c为半导体激光延时时间；当c》a时，蓝光只预热焊盘；当c《a时，蓝光和半导体激光时间有重叠部分，此时旁轴蓝光激光既预热焊盘，又参与喷球后的追光过程。
17.旁轴蓝光光束和半导体激光复合焊接方式，激光功率和激光时间a、b、c、s设置方
式多样，根据焊接需要可灵活使用。
18.参照说明书附图1，提出一种应用于喷锡球焊接的旁轴蓝光复合焊接设备，包括：料桶组件1、蓝光焊接头调节支架2、蓝光焊接头3、伺服电机4和分球腔体组件6；料桶组件1用于存储锡球，锡球直径在0.76mm以上；蓝光焊接头调节支架2用于固定蓝光焊接头，并且用于微调蓝光光斑位置；蓝光焊接头3为旁轴预热激光的焊接头，蓝光光斑作用在焊盘上，蓝光焊接头3配置了同轴ccd，采用d80光纤接口，兼容50-200w蓝光激光器；伺服电机4为喷锡球焊接头的旋转电机，旋转电机连接联轴器，带动分球腔体组件6中的碟片旋转；喷球激光机构5输出的激光光斑作用在喷嘴锡球上，将锡球融化后喷出，喷球激光由半导体激光器或者光纤激光器进行出射；分球腔体组件6为锡球的分料机构和掉球通道，包含碟片、垫片、上腔体、下腔体和喷嘴。
19.参照说明书附图2，在一实施例，中蓝光焊接头调节支架2固定在喷锡球焊接头上，蓝光焊接头调节支架2中包含料桶安装板2-1、光纤放大器2-2、对射式光纤传感器2-3、感应片2-4、连接轴2-5、xy微调平台2-6、蓝光连接板2-7、蓝光焊接头3和蓝光ccd2-8。
20.参照说明书附图2，在一实施例中，料桶安装板2-1将支架固定在喷锡球焊接上；光纤放大器2-2和对射式光纤传感器2-3配合使用，用来检测感应片2-4位置变动；感应片2-4设计有0.4mm小孔，小孔与对射式光纤传感器光路对齐，感应片2-4固定在连接轴2-5上，连接轴2-5另一端固定在蓝光焊接头3上。
21.在一实施例中当蓝光焊接头3位置轻微变化时，感应片2-4小孔与对射式光纤传感器2-3光路偏心，感应片部分或者全部挡住光路，此时放大器2-2接受的光信号较弱，低于设置的阈值时，输出报警信息，提示生产人员检查蓝光焊接头3位置。
22.图6为旁轴蓝光和半导体激光复合焊接控制流程图，具体步骤如下：s1：工作台xyz模组带动喷锡球焊接头移动到焊盘上方位置；即焊接头移动到位；s2：通过焊接头气压传感器判断喷锡球焊接头是否上球ok，上球ok后给蓝光激光器和半导体激光器出光信号。即判断上球是否ok，如规定时间内判断上球ng，输出无球报警信号；s3：蓝光激光器收到机台给的出激光信号后，开始出蓝光，蓝光时间为a；s4：半导体激光器收到机台给出激光信号后，延时时间c后，开始出半导体激光，即出喷球激光，将锡球喷出，半导体激光时间为b；s5：判断是否出光完成，若出光完成，则通过焊接头气压传感器判断锡球是否喷出，ok则喷出后给机台出光完成信号，ng则给出堵球报警信号；s6：机台收到出光完成信号后，xyz模组带动喷锡球焊接头到下一个焊点；即焊接头移动到位；在执行上述s1-s6步骤的同时，可通过蓝光ccd对焊盘的表面进行拍照，判断焊盘的表面是否存在污染、氧化等问题，根据蓝光ccd拍照获取的信息，对主轴激光束和蓝光光束出光的时长进行调整，从而达到节约出光时长、提高焊接效果的目的。
23.参照图7，图7为旁轴蓝光和半导体激光时间示意图，a为蓝光激光时间，b为半导体激光时间，c为半导体激光延时时间；当c》a时，蓝光只预热焊盘；当c《a时，蓝光和半导体激光时间有重叠部分，此时旁轴蓝光激光既有预热焊盘，又参与喷球后的追光过程。旁轴蓝光和半导体激光复合焊接方式，激光功率和激光时间abc设置方式多样，根据焊接需要可灵活
使用；fpc和pcb焊盘表面镀金，两个焊盘之间有一定间隙，要求fpc焊盘铺锡覆盖率100%；单独使用半导体激光进行喷球焊接时，fpc焊盘容易少锡，良率很难提升；另外，pcb和fpc不同供应商来料，焊接参数有较大差异，使用相同参数焊接很难兼容，批量生产后焊接不稳定；在fpc侧增加旁轴蓝光，蓝光与半导体激光有30-50
°
夹角，用蓝光预热焊盘120-150℃，提高焊盘润湿性，焊盘可焊接窗口增加，提高不同供应商来料的兼容性；并且喷球后蓝光参与追光过程，继续加热fpc焊盘，利用镀金材质对蓝光吸收率高的特点，使得fpc焊盘保持保持较高温度，降低焊盘少锡不良。
24.pcb焊盘镀金或者镀锡，针脚铜材质或者表面镀金，针脚散热快，要求孔透锡率》75%。因为针脚散热较快，通常使用激光送丝焊接或者激光锡膏焊接工艺，单独使用半导体激光进行喷球焊接时，焊接不稳定，容易出现少锡、飞球、烧伤和透锡不良等问题。这种情况，我们可以使用旁轴蓝光激光和半导体激光复合焊接方式，旁轴蓝光对针脚和焊盘预热，提高针脚粘锡能力，可有效降低焊接不良。另外，当材料为铜或金时，材料对蓝光激光的吸收率约为60%，对半导体激光的吸收率约为3-5%，升高到相同温度，蓝光激光器只需要投入更小的功率，增加旁轴蓝光激光后，相对减小了同轴激光能量，有效降低喷锡球焊接对周围元器件烧伤的风险。
25.以上两个案例为旁轴蓝光和半导体激光复合焊接在喷锡球焊接的应用，焊接良率和稳定性有很大提升。
26.如图1所示，提供一种同轴喷球激光和旁轴预热激光的复合焊接结构，主要包含料桶组件1、蓝光调节支架2、蓝光焊接头3、伺服电机4和分球腔体组件6。料桶组件1用于存储锡球，常应用于0.76mm以上锡球的批量生产，理论上料桶一次性可以装8万颗直径1.0mm锡球；蓝光调节支架2用于固定蓝光焊接头，并且微调蓝光光斑位置；蓝光焊接头3为旁轴预热激光的焊接头，蓝光光斑作用在焊盘上，该焊接头配置了同轴ccd，采用d80光纤接口，兼容目前常用的50-200w蓝光激光器；伺服电机4为喷锡球焊接头的旋转电机，电机连接联轴器，带动分球腔体组件中的碟片旋转；喷球激光机构5出射的激光光斑作用在喷嘴锡球上，将锡球融化后喷出，喷球激光通常使用半导体激光器或者光纤激光器；分球腔体组件6为锡球的分料机构和掉球通道，包含碟片、垫片、上/下腔体、喷嘴等；图2为蓝光焊接头调节支架，该支架固定在喷锡球焊接头上，主要包含料桶安装板2-1，光纤放大器2-2，对射式光纤传感器2-3，感应片2-4，连接轴2-5，xy微调平台2-6，蓝光连接板2-7，蓝光焊接头3，蓝光ccd2-8等。料桶安装板2-1将支架固定在喷锡球焊接上；光纤放大器2-2和对射式光纤传感器2-3配合使用，用来检测感应片2-4位置变动；感应片2-4设计有0.4mm小孔，小孔与对射式光纤传感器光路对齐。感应片2-4固定在连接轴2-5上，连接轴2-5另一端固定在蓝光焊接头3上。当蓝光焊接头3位置轻微变化时，感应片2-4小孔与对射式光纤传感器2-3光路偏心，感应片部分或者全部挡住光路，此时放大器2-2接受的光信号较弱，低于设置的阈值时，输出报警信息，提示生产人员检查蓝光焊接头3位置。例如，xy微调平台2-6可采用sigma品牌标准型号tasb-402，x向和y向可移动范围
±
7mm；蓝光连接板2-7与蓝光焊接头3连接，可调节蓝光焊接头角度，调节角度范围
±5°
；蓝光焊接头3连接蓝光激光器的d80光纤接头，将发散光聚焦成焊接用光斑，该焊接头集成了同轴ccd；蓝光ccd2-8与蓝光焊接头3连接，配置显示器后可实时监视焊接位置，方便蓝光光斑位置调节；图3为蓝光同轴ccd监视系统示意图，系统包含显示器7，白光射灯8，蓝光焊接头3
和蓝光ccd2-8。显示器7通常使用8寸或者17寸显示器，显示器可手动调节十字线位置，将十字线交叉点与光斑中心重合，方便员工生产过程中查看蓝光光斑位置是否发生变化；白光射灯8提供ccd光源，使监视画面更清晰；蓝光ccd2-8视频线与显示器7连接。
27.图4为xy微调平台2-6调节示意图，机构调节合适的角度和高度后，只需要用内六角扳手微调平移台x向和y向位置，将蓝光光斑与喷球激光光斑中心重合或者固定间距位置，如图5所示，为旁轴蓝光和同轴激光在相纸上打出的光斑同心位置示意图，蓝光光斑为椭圆，同轴光斑为圆形。在蓝光光斑位置调节后，锁紧xy微调平台侧面紧定螺丝，即可将微调平台固定。
28.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。