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，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，且對焊點溫度非常敏感，目前研究的重點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(jī)構(gòu)在Z軸運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，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，焊點圓滑飽滿，無明顯缺口，焊點無脫落現(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，從而提高了焊接強度。在送錫絲與退錫絲反復(fù)運動過程中，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。