激光錫膏微焊接技術(shù)解決方案

激光錫膏微焊接由于能量密度高加熱快、熱影響區(qū)域小、非接觸加熱、精確的熱量控制等優(yōu)勢已成為微裝配領(lǐng)域有效的焊接方式，其主要分為有釬料焊接和無釬料焊接，有釬料焊接中除了針對不同場合選用不同材料的釬料外，還需要根據(jù)實際情況選擇不同的釬料類型，其主要包括錫球、錫絲、錫膏等，在微電子封裝領(lǐng)域，激光微釬焊已成為熱門研究領(lǐng)域。

由于錫膏具有一定的粘度在回流焊中得到了大量應(yīng)用，但是錫膏在激光微焊接領(lǐng)域的研究卻很少。無釬料焊接，常用于微小板件搭接焊、對焊和投射焊等。雖然，激光微焊接已經(jīng)成為微裝配領(lǐng)域有效的連接方式，但是目前的應(yīng)用主要集中在兩塊區(qū)域的連接，包括引腳、接觸面等，激光焊在引線焊接方面的應(yīng)用較少，尤其是對于微小導(dǎo)電游絲的焊接，目前都是人工焊焊接，一致性差，操縱難度高。為了推進(jìn)導(dǎo)電游絲焊接的自動化發(fā)展，對其激光焊接的實現(xiàn)方式和焊接流程及工藝進(jìn)行探究具有重要意義。

為了實現(xiàn)某型號航空加速度計中導(dǎo)電游絲自動化焊接，設(shè)計了一套試驗平臺。試驗材料為30 μm銅絲、錫膏和鍍金焊盤，錫膏中含有助焊劑，能有效降低表面張力影響。通過試驗分析與過程優(yōu)化，總結(jié)出了一套有效的焊接流程和工藝，可實現(xiàn)0.2 mm左右焊點的焊接，試驗結(jié)果表明其焊點強(qiáng)度可靠、導(dǎo)電性良好。

1 導(dǎo)電游絲激光微焊接系統(tǒng)設(shè)計

導(dǎo)電游絲激光微焊接系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)主要由點錫膏模塊、紅外測溫模塊、激光加熱和視頻監(jiān)控模塊、信號和數(shù)據(jù)處理模塊四部分組成。

圖1 激光錫膏微焊接系統(tǒng)構(gòu)成圖

點錫膏模塊用于對焊點進(jìn)行定點定量的錫膏分液操作，其采用氣動點膠機(jī)作為錫膏分液設(shè)備，用直角坐標(biāo)機(jī)器人作為運動定位機(jī)構(gòu)，兩者構(gòu)成點錫膏模塊。紅外測溫模塊采用超高速紅外測溫儀，采用旁軸測溫的方式對焊接域進(jìn)行溫度測量。焊接和視頻監(jiān)控模塊用于焊點定位、加熱、焊接過程監(jiān)控和焊點的視覺測量。信號和數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控視頻的顯示、視覺定位、視覺測量、紅外溫度數(shù)據(jù)的保存和分析等。

焊接和視頻監(jiān)控模塊是系統(tǒng)的主要模塊，實物如圖2所示 ，紅外測溫儀鏡頭通過萬向節(jié)固定在三維滑臺上，通過滑臺可實現(xiàn)測溫點旁軸定位，相機(jī)與激光器鏡頭同軸安裝在固定架上部，其具有可沿Z軸移動的運動機(jī)構(gòu)上，能夠有效調(diào)節(jié)光斑的大小，相機(jī)和激光器的中間連接部分是相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)相機(jī)焦平面的調(diào)節(jié)，在將激光器軸心的正下方是一個可二維移動的載物臺，工作時先調(diào)節(jié)好激光器的光斑大小，然后調(diào)節(jié)測溫儀使其測溫點與激光光斑重合，然后再通過視覺監(jiān)控調(diào)節(jié)載物臺，使待焊點移動到激光的光斑中心。

由式(19)可知,ΔU5>0。因此,根據(jù)表2可知轉(zhuǎn)子位于0°～60°電角度區(qū)域,再根據(jù)定位力矩知轉(zhuǎn)子位于57°電角度,判斷完成。

2 發(fā)射率標(biāo)定和同軸度補(bǔ)償

紅外測溫儀在校準(zhǔn)時是根據(jù)黑體的對外輻射的紅外能來進(jìn)行標(biāo)定的，而實際中的物體受各種因素影響其輻射的紅外能低于同溫度下黑體輻射的紅外能，所以實際測量中需要對被測物體進(jìn)行發(fā)射率標(biāo)定。另外，激光器能量中心與同軸相機(jī)的視覺中心在安裝時存在誤差，導(dǎo)致相機(jī)的視野中心并不是激光器的能量中心，如果不補(bǔ)償將對系統(tǒng)的焊接定位產(chǎn)生影響。

2.1 錫膏的發(fā)射率標(biāo)定

發(fā)射率計算公式為

ε=T0/T1

式中：T0為紅外測溫儀值；T1為被測物體的實際溫度值；發(fā)射率標(biāo)定示意圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射率標(biāo)定示意圖

試驗將錫膏放在一個金屬容器中，然后用熱板對容器進(jìn)行加熱，待錫膏完全熔融后將精度為±0.5 ℃的K型熱電偶垂直插入熔錫中，待熱電偶溫度穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，同時用紅外測溫儀測量熔錫的表面溫度。圖4為熱電偶所測60組數(shù)據(jù)的散點圖，時間間隔1 s，平均溫度測量值為T1=226.0 ℃，圖5為紅外測溫儀測得熔錫溫度穩(wěn)定區(qū)域的溫度曲線圖，其平均值為T0=202.9 ℃，則ε=0.897 8。

圖4 K型熱電偶所測溫度數(shù)據(jù)

為了驗證發(fā)射率的準(zhǔn)確性，在該發(fā)射率下進(jìn)行了幾組紅外測溫試驗，并與熱電偶所測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出了其相對誤差，40組數(shù)據(jù)的相對誤差散點圖如圖6所示。試驗以熱電偶所測數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)溫度值，紅外測溫儀所測值為測量值，來計算該發(fā)射率下測溫儀測量值的相對誤差，從圖中可以看出其相對誤差為±1%。

2.2 相機(jī)和激光鏡頭的同軸度補(bǔ)償

為了補(bǔ)償激光器能量中心與相機(jī)視野中心的偏差，進(jìn)行了同軸度測量試驗。試驗通過激光調(diào)光相紙上的灼燒印記來記錄光斑的位置，然后通過圖像處理獲得灼燒印記中心，即可獲得激光器的能量中心，照片的中心位置即為視覺系統(tǒng)的中心點，試驗結(jié)果如圖7所示，十字交叉點為視野中心點。

視覺系統(tǒng)的圖像分辨率為1 920×1 080，經(jīng)標(biāo)定其像素尺寸為2.74 μm×2.74 μm。由表1數(shù)據(jù)可知，能量中心在視野中心右上部，偏移量為220.509 μm，275.643 μm。

表1 激光能量中心標(biāo)定結(jié)果 pixel

坐標(biāo)(X, Y)(1 044.65, 438.35)(1 045.54, 431.83)(1 048.21, 452.64)(1 041.57, 442.41)(1 044.05, 440.20) (1 041.90, 433.27)坐標(biāo)(X,Y)(1 043.50, 440.86)(1 035.22, 438.25)(1 043.87, 440.16)(1 033.30, 427.57)(1 042.12, 432.81)(1 036.12, 436.01)

為了探究激光光斑大小改變時，激光的能量中心是否發(fā)生位移，按照以上方法在激光光斑大小發(fā)生改變后測量了10組激光能量中心的坐標(biāo)值，發(fā)現(xiàn)中心點坐標(biāo)發(fā)生了改變，且呈現(xiàn)線性關(guān)系。圖8為十組數(shù)據(jù)的散點圖及擬合直線圖，由此可知激光器能量中軸線與相機(jī)視野中軸線在空間中呈異面關(guān)系，所以當(dāng)改變激光光斑時，需要重新測定同軸度偏移量。

該視覺系統(tǒng)的相機(jī)鏡頭放大倍率可變，以上試驗都是在2倍放大倍率下進(jìn)行，當(dāng)放大倍率改變時，像元尺寸發(fā)生改變，為了驗證激光器的能量中心是否會發(fā)生位移變化，在不同的相機(jī)倍率下進(jìn)行了如上同軸度測量試驗。試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)光斑大小不改變時，改變相機(jī)鏡頭的放大倍率，激光器能量中心坐標(biāo)點不發(fā)生改變。

3 錫膏加熱試驗

為了探究激光加熱錫膏的規(guī)律，對試驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)，并對問題進(jìn)行了分析和對焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 虛焊假焊

虛焊假焊表現(xiàn)為焊接完后焊點沒有固定或固定不牢，圖9a為一虛焊點，用鑷子輕碰后焊點如圖9b所示立刻脫落。試驗發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象大多是由于錫膏殘留過多而引起的，在圖9中出現(xiàn)的大量油狀物質(zhì)是錫膏焊接殘留的助焊劑，當(dāng)助焊劑殘留過多時，會阻礙焊錫與焊盤金屬的接觸，形成虛焊假焊，在微焊接中由于焊料較少這種現(xiàn)象尤為突出[8]。可選用助焊劑比例較少的錫膏，或通過前期預(yù)熱促進(jìn)助焊劑蒸發(fā)來改善這一問題。同時延長激光加熱高溫時間，使助焊劑中的高溫成分得到有效揮發(fā)。

圖9 焊點虛焊假焊

預(yù)熱時溫度不足會導(dǎo)致效果不明顯，預(yù)熱溫度過高會造成錫膏坍塌流動。如圖10所示，預(yù)熱前錫膏比較聚集，預(yù)熱時由于錫膏粘度降低流動性增強(qiáng)，在焊盤表面形成一層面積較大且薄薄的錫膏，此時加熱會導(dǎo)致邊緣錫膏能量不足無法熔化，以及由于助焊劑量減少熔錫流動性差，焊接過程中錫珠無法聚集，形成如圖11中難以規(guī)則聚集的焊點，其周邊有大量未熔化的錫粉，且焊點聚集度低。試驗表明，當(dāng)平臺預(yù)熱溫度設(shè)為73 ℃，預(yù)熱時間2～3 min時效果較好。

圖10 錫膏點聚集度示意圖

3.2 產(chǎn)生多錫珠

如圖12所示，焊接中有時會出現(xiàn)多錫珠無法聚集成一個焊點的現(xiàn)象。試驗發(fā)現(xiàn)，形成多錫珠的原因主要為：①溫爆區(qū)助焊劑的沸騰，引起錫珠濺射阻礙錫料聚集成一體，如圖13中助焊劑沸騰將錫粉顆粒濺落到邊緣地帶;②能量不足，光斑尺寸和功率大小會影響錫膏獲得的能量值進(jìn)而導(dǎo)致錫料無法聚集成一體;③助焊劑占比較高，加熱時助焊劑占比過高將會使錫料懸浮在表面不定向移動，有時候會使錫料熔合有時候也會使錫料分離形成錫珠。

針對以上問題，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，加熱開始階段功率緩慢上升可抑制助焊劑沸騰，此外當(dāng)激光光斑較大時，如圖14所示的激光能量密度分布服從高斯分布，此時中心區(qū)域能量密度較低，加熱時中心能量不足，焊料很難向中心區(qū)域聚集，從而形成多錫珠，所以在保證光斑有效覆蓋焊料的前提下盡量減小光斑尺寸并選擇合適的激光功率。

圖12 多錫珠現(xiàn)象

3.3 焊點接觸面積多變性

焊點與基底的接觸面積受各種因素的綜合影響具有多變性，其大致可分為如圖15所示的三種類型焊點：匍匐狀、半圓狀、球狀。圖15a為匍匐狀焊點，其接觸面積較大、強(qiáng)度大、焊點高度較低，整體上焊點尺寸較大，圖15b為半圓形焊點，其接觸面積適中比匍匐狀焊點小，但高度比匍匐狀焊點高，圖15c為球狀焊點實物，其接觸面積較小、強(qiáng)度較低、高度較高。三種焊點在接觸面積、高度、強(qiáng)度上各有不同，且接觸面積越大強(qiáng)度越高[10]，由于后期游絲焊接需要垂直焊接，綜合認(rèn)為半圓形類焊點是較佳焊點類型。

試驗發(fā)現(xiàn)影響焊點接觸面積的因素主要為：①加熱功率。在其他條件合適的情況下，激光功率越高接觸面積越小;②助焊劑含量。助焊劑含量過高會阻礙錫膏與焊盤的接觸導(dǎo)致虛焊假焊，同時也可能會導(dǎo)致焊點接觸面積的減小;③熱板預(yù)熱后錫膏點半徑r與光斑半徑R之比k(0m時焊點趨向于匍匐狀，當(dāng)k

3.4 助焊劑大量殘留

助焊劑能夠清除焊盤上的污漬和氧化物等，以及提高表面浸潤性降低表面張力，改善焊點質(zhì)量[11](圖16)。但是也會產(chǎn)生助焊劑殘留問題，由于助焊劑具有粘性，焊接完成后會使錫粉或錫珠殘留在上面，圖16a中反光部分為助焊劑殘留，其周圍粘附有殘余錫珠。另外，助焊劑具有腐蝕性，可能會對后續(xù)部件產(chǎn)生破壞[12]，同時助焊劑發(fā)生化學(xué)變化形成了部分結(jié)晶物質(zhì)，能夠?qū)⑽春附釉诨咨系腻a珠固定，形成假焊，所以試驗選擇后期對殘留助焊劑進(jìn)行清洗。試驗選用洗板水對焊接后的焊點進(jìn)行清洗，具體操作為用洗板水沖刷或者浸泡3～5 s，如圖16b所示，殘留的助焊劑黏附的錫膏和錫珠都被清洗干凈，此時假焊產(chǎn)生的焊點也會脫落，所以用洗板水清洗也是檢查焊點質(zhì)量的有效手段。

3.5 焊接結(jié)果

系統(tǒng)選用0.15 mm內(nèi)徑針頭，輸出氣壓設(shè)置為400 MPa，氣門開閥時間為1 s，將熔點為183 ℃的Sn63Pb37五號粉錫膏噴涂在硅基底表面鍍金的焊盤上，所得錫膏點半徑為86 pixel，然后在73 ℃熱板上預(yù)熱2 min，將激光光斑半徑設(shè)為160 pixel再用圖 17所示的功率曲線加熱，較終得到折算后直徑為209 μm的良好焊點,如圖18所示。

圖17試驗加熱功率曲線

3.6 焊點導(dǎo)電性試驗設(shè)計和測量

為了驗證焊點的可靠性，進(jìn)行了游絲焊點導(dǎo)電性測量。試驗如圖19所示，將游絲兩端分別焊接在兩塊獨立的銅片上(厚度2 mm)，焊點為A,B，選取靠近A,B的兩個測量點a,b進(jìn)行電阻測量，所測電阻Rab=0.582 Ω，其主要由RAa和RBb,RA和RB,RAB三部分組成，其中RAa和RBb趨近于0可忽略，RA和RB象征焊點阻值，RAB為游絲自身阻值，則可得公式(1):

RA+RB=Rab- RAB

(1)再由width=47,height=24,dpi=110得，長度為20 mm直徑為30 μm的銅絲的阻值RAB=0.495 1 Ω，則兩焊點處阻值RA+RB為0.086 9 Ω。

圖19 焊點電阻值測量示意圖

由于兩焊點引入的電阻值明顯小于游絲自身引入的阻值，則可認(rèn)為焊點的導(dǎo)電性良好。

4 結(jié)論

針對30 μm導(dǎo)電游絲人工焊接的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套導(dǎo)電游絲激光錫膏微焊接平臺。試驗發(fā)現(xiàn)助焊劑含量對焊接質(zhì)量影響較大，焊接前的預(yù)熱可有效改善焊點質(zhì)量，預(yù)熱溫度和時間也會影響焊接效果，同時錫膏點尺寸與光板尺寸的關(guān)系也影響焊接效果。較終試驗對焊點的導(dǎo)電性進(jìn)行測量，結(jié)果表明激光錫膏微焊接機(jī)器得到的焊點導(dǎo)電性良好。