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激光焊锡机器人在FPC焊接上的应用 时间:【2018-08-24】 共阅【766】次【返回

随着电子终端设备的多功能、高密度、小型化的发展趋势,致使部件与部件、部件与焊盘之间的空间越来越小。随之有越来越多的柔性线路板(FPC)应用到电子终端设备上,如高端智能手机、数字相机、笔记本电脑、汽车部件等。EURoHs指今的实施,对真正的无铅无卤化的追求,我们有必要对电子设备焊接方式的重要性进行再认识,这意味着综合的实装技术提高到何种水平和能否做出高品质的电子产品。本文集日本优尼公司(JAPAN UNIX)近四十多年的SolderingRobot System开发和制造技术积累,特别是近几年在自动激光焊接机器人系统应用经验进行阐述,希望能对从事电子设备、部件设计、工艺和生产的相关人员有所启发。


1激光焊接机器人系统的历程
在整个电路板实装过程中,在SMT完成大部分零件实装后,还有部分插件和不能过炉零件需完成焊接。通常这些零件采用人工焊接,但在使用以往焊接机器人对被焊工件进行焊接时(见图1),

 

必须留有一定空间让烙铁头能伸入至被焊部位进行焊接,另外,焊接过程烙铁头也存在损耗,而且目前的部件引脚间距越来越小(0.3mm间距),因此近期FPC的应用越来越多,业内人士一直希望突破这些瓶颈寻找新的焊接方式。一种非接触式、细小直径的非接触加热方式的激光焊接机器人系统应运而生。JAPAN UNIX在20年前已经开始探讨激光焊接机器人系统的课题,并经历了YAG,C02的时代,由于当时的激光器寿命短、体积大、控制精度低、成本高等问题,实用化较为困难。自2001年开始我们采用了半导体激光发生器,使得小型化、高性能的激光焊接机器人系统实用化变为了现实。这种新型系统首先在日本,欧美,韩国,台湾地区得到应用,近期在中国多个领域得到应用,帮助客户解决细微焊锡这一难题。

 

2.激光加热方式的特点
激光焊接机器人系统是以激光二极管(LD)为热源,通过激光实行局部非接触加热,具有非接触性,无需更换烙铁头,激光光束直径小等优点(图3)。
在无铅化组装制造中,有部分不适用波峰、回流焊的部件只能通过后装工序,利用局部加热方法来完成整个产品的组装,激光加热方式的独特性正逐步被业界推崇,其主要特征:
1).  微细的点直径(Spor):激光形成的点径最小可以到0.2mm送锡装置最小可以到0.15mm,可实现微间距贴装器件,CHIP部品的焊接。


2). 短时间的局部加热,对基板与周边部件的热影响很少,焊点品质良好。
3). 烙铁头消耗,不需更换加热器,连续作业时,具有很高的作业效率。
4). 进行无铅焊接时,不易发生焊点裂纹。
5). 非接触性局部加热,焊接表面溅留物少,干净。 
6). 对焊料的表面温度采用非接触测定方式,不能用实际接触焊头的温度测定方法。

 

3激光焊接机器人系统装置
1).装置内藏同轴CCD摄像头与监视装置(图4),具有视觉图像位置较正系统。由指示图像显示焊接状态,通过显示器同步显示(图5))。视觉图像位置较正系统则通过CCD视觉图像摄像头对工件上的标记点照射后进行自动位置较正。

 

2)通过对激光控制单元的液晶触摸屏可对输出功率、激光照射时间、焊接曲线(图6))等进行工艺设定。 
3)激光头上配有防烟雾的光学透镜及保护系统(图7),维修时只需更换透镜前端保护玻璃即可,更换方式十分简便。

4)系统中的体积紧凑的强力激光发生器可以选择与点径相合适的Fibre,激光功率最大为30W/50W(空气冷却)二种并连续可调,从而达到最佳功率焊接。Fibre直径为0.4mm、0.6mm、0.8mm(标准为0.6mm,最小为0.2mm)。
5)激光焊接机器人系统中可通过红外温度测定装置对激光光束在被焊位置的实际温度进行实时测定(图9),并能在系统将温度曲线通过显示器显示达到实时温度管理。

 

6)激光焊锡机器人系统装置的应用例:如图3中对汽车部件的接插件进行激光焊锡,我们通过X点(焊点X-RAY)测试仪观察(见图6)和进行焊点端面进行切面,可看到激光焊锡后良好的透锡效果(见图8)


4激光焊接机器人系统在FPC焊接领域的应用
如前所述,当今的电子装置已向多功能化、高集成化、小型化方向发展,柔性线路板(FPC)在此领域有着广泛应用。以前的生产方式考虑比较多的是品质和实装技术的提高,随着移动电话的小型化和多功能化以及3G. 4G移动电话的导入,小型化、薄型化的趋势在加速,集成电路QFP元件的引脚间距也从当初的l.Omm发展为0.8mm、0.65mm、0.5mm,现在0.4mm、0.3mm也很普遍(图9a,b),部件之间的空间也越来越小。激光焊接机器人系统被应用于数字相机(图9c)和手机的CCD摄像头部件与FPC的焊锡(图9d)、手机的微型受话器、手机的微型振动器(图9e)、便携电脑的LCD部件(图9f,g)以及微型马达,微型变压器(图9h)等的FPC焊接,在液晶LED-TV、航空航天军工制造以及高端汽车部件制造等领域也有着广泛应用。

 

 

5 小结

在电子产品进入高密度组装的今天,加上新型电子设备、新CHIP部品,新型陶瓷压电变压器、新电子材料和新工艺的导入,作为进步中的焊接机器人技术,将会加入带有自动激光功率调整、图像识别等装置,焊接方向,焊接范围也能自动设定或从中央数据库调用信息进行焊接,也可以由CAD数据自动生成焊接点的坐标数据,

在焊接条件间断对焊接头进行自动更换,自动检测焊点质量或通过的双臂控制而取消焊接治具而被称之为 “信息焊接机器人系统”也许很快成为现实。

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