摘要：采用激光作為熱源對電路板端子進(jìn)行焊接，在激光聚焦頭與電路板之間添加自動送絲機(jī)構(gòu),對電路板焊盤處進(jìn)行自動送絲處理。闡述了設(shè)備總體結(jié)構(gòu)、自動送絲機(jī)構(gòu)、釬焊工藝流程及實際焊接效果。其中，釬焊工藝流程包括電路板預(yù)熱處理、自動送絲、錫絲形成液滴、錫滴冷卻和形成釬焊接頭的過程；重點(diǎn)比較研究了預(yù)熱和非預(yù)熱處理的釬焊效果。結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)熱處理焊錫液滴剛好覆蓋焊盤，焊點(diǎn)圓滑飽滿，無明顯缺口，無脫落現(xiàn)象，效果更好。
關(guān)鍵詞：電路板 激光釬焊 自動送絲機(jī)構(gòu)
電子產(chǎn)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(yán)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(xiàn)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(jīng)不能滿足現(xiàn)代電路板的焊接需求[6]。
激光焊是將激光束經(jīng)過光學(xué)組件聚焦后，對焊接區(qū)域進(jìn)行局部加熱，具有熱影響區(qū)域小、效率高、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在高溫金屬材料焊接上得到廣泛應(yīng)用，如各種不銹鋼焊接、鋁合金焊接及異種材料的焊接[7-10]。隨著激光焊接應(yīng)用的發(fā)展，電路板的釬焊難題亦期待采用激光釬焊解決。但是激光釬焊對焊接位置精度要求較高，且對焊點(diǎn)溫度非常敏感，目前研究的重點(diǎn)主要集中在如何提高釬焊加工位置精度及通過精確控制焊接區(qū)域的溫度來避免對焊接以外區(qū)域的灼傷，但是焊接質(zhì)量依然無法得到充分保證。在釬焊過程中，釬料、助焊劑、焊盤、焊接溫度、焊接時間等因素均會影響到焊接效果，而且各種影響因素相互影響制約。因此，激光釬焊仍需要大量的工藝研究，改善焊接效果。
文中通過在激光聚焦頭與電路板之間添加高精度自動送絲機(jī)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計釬焊加工工藝流程，對PCB端子進(jìn)行精密焊接，達(dá)到了良好的焊接效果。
電路板釬焊設(shè)備整體結(jié)構(gòu)主要由激光器組件、激光聚焦頭(將激光束通過光學(xué)鏡片聚焦到工件上)、運(yùn)動平臺及夾具安裝板(固定電路板)等部分組成，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中X/Y/Z軸運(yùn)動平臺的行程為300 mm×200 mm×100 mm，可以加工較大幅面的電路板或者一次加工多個小型電路板，提高生產(chǎn)效率。
圖1 設(shè)備總體組成圖
自動送絲系統(tǒng)主要由壓緊手柄、送絲輪、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、矯直機(jī)構(gòu)及壓緊滾輪組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。焊絲纏繞在焊絲滾輪上后，采用壓緊手柄對焊絲進(jìn)行初步壓緊，驅(qū)動機(jī)構(gòu)在電機(jī)的作用下驅(qū)動上下兩對壓緊輪，焊絲在壓緊滾輪的摩擦力作用下被拉出焊絲盤，然后進(jìn)入焊絲矯直機(jī)構(gòu)，保證焊絲在送絲軟管中不發(fā)生折彎，最后焊絲經(jīng)過導(dǎo)槽送入焊槍嘴，由焊槍嘴帶動焊絲伸入到指定的焊接區(qū)域。其中送絲的位置精度主要依靠壓緊滾輪保證，文中在壓緊滾輪上開出U形槽，防止焊絲通過的過程中發(fā)生變形，影響送絲效果。
圖2 自動送絲結(jié)構(gòu)圖
激光釬焊加工工藝流程主要包括定位、預(yù)熱、送錫絲并熔錫、滴錫及結(jié)束過程，流程示意圖如圖3所示。將激光聚焦頭在X/Y軸運(yùn)動平移臺的操控下到達(dá)指定位置(PCB焊盤的正上方)，激光聚焦焦點(diǎn)距離PCB面3 mm，且激光聚焦頭、送錫絲機(jī)構(gòu)及焊盤三者位于同一平面。采用一定功率對預(yù)定PCB焊盤進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱功率應(yīng)合理選取，較高很容易灼傷PCB焊盤，較小則無法起到預(yù)熱效果。然后送絲機(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)激光器功率并保持一定時間，將錫絲熔化。送絲機(jī)構(gòu)在Z軸運(yùn)動平移臺的操控下高速向下運(yùn)動并將錫焊液滴送至PCB焊盤上，然后送絲機(jī)構(gòu)在Z軸運(yùn)動平移臺的操控下快速抬起，送絲嘴離開PCB焊盤，在焊盤上形成焊點(diǎn)，完成PCB上單個焊盤的焊接。
圖3 釬焊流程設(shè)計示意圖
激光釬焊加工工藝流程中關(guān)鍵的兩個過程為預(yù)熱過程及送錫絲熔化過程。圖4a為激光對PCB焊盤進(jìn)行預(yù)加熱的過程示意圖，圖4b為送錫絲熔錫過程示意圖，需要快速送錫絲及對錫絲快速回收。文中設(shè)計的送絲速度最快達(dá)到300 mm/s，保證將釬料液滴快速送至PCB焊盤，避免激光長時間作用燒蝕PCB，同時送絲機(jī)構(gòu)能在最短時間內(nèi)抬起(0.1 s內(nèi))離開焊盤,避免了多余錫絲堵住送絲嘴。對于面積較小的PCB焊盤，送絲機(jī)構(gòu)的精度決定了焊接的成敗，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，文中設(shè)計的送絲機(jī)構(gòu)精度為 0.1 mm，可以焊接的PCB焊盤最小面積約為0.6 mm×0.6 mm。
對PCB焊盤預(yù)熱的激光功率與作用時間需要大量的工藝試驗進(jìn)行探索。為了保證焊接效果的同時節(jié)約激光功率及激光作用時間，文中將激光功率及加熱時間兩因素進(jìn)行混交試驗，得出最佳的激光功率及預(yù)熱時間分別為20 W和0.3 s。同時對熔錫過程中的激光功率及激光作用時間兩因素進(jìn)行混交試驗，得到最佳的工藝參數(shù)：激光功率為50 W，激光作用時間為0.4 s。圖5為PCB焊盤實際焊接效果圖，其中圖5a未對焊盤進(jìn)行預(yù)熱處理，直接進(jìn)行送絲熔錫焊接的效果，可以看到焊點(diǎn)與焊盤粘合不牢固，有的甚至有脫落現(xiàn)象；圖5b為使用最佳激光能量及作用時間對焊盤預(yù)熱后，再進(jìn)行送錫絲熔化焊接，可以看到熔化的釬料液滴剛好覆蓋焊盤，焊點(diǎn)圓滑飽滿，無明顯缺口，焊點(diǎn)無脫落現(xiàn)象，這可能是焊盤預(yù)熱工藝增加了釬料的潤濕性及流動性，從而提高了焊接強(qiáng)度。在送錫絲與退錫絲反復(fù)運(yùn)動過程中，未發(fā)生堵錫和斷錫現(xiàn)象，焊接過程穩(wěn)定。同時，熔錫過程、送絲步驟及激光作用步驟同時進(jìn)行，時間為0.4 s，加上焊盤預(yù)熱時間0.3 s，單個焊點(diǎn)的焊接時間為0.7 s，極大提高了焊接效率。
圖4 焊接過程示意圖
圖5 錫焊實際效果圖
(1)通過自動送絲機(jī)構(gòu)對電路板進(jìn)行送絲焊接，優(yōu)化釬焊過程設(shè)計，得到無燒蝕、無漏焊、無虛焊的焊接效果，焊接過程中無堵絲、無斷絲現(xiàn)象發(fā)生，焊接過程穩(wěn)定可控。
(2)焊接單個焊盤時間為0.7 s，送絲精度達(dá)到0.1 mm，可焊接的焊盤面積最小約為0.6 mm×0.6 mm，可以實現(xiàn)小面積的PCB端子的精密焊接。
(3)在實際的電路板焊接生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)得到廣泛使用，提高了成品率，降低了生產(chǎn)成本，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。