一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法，本方法能計算出錫膏在焊接過程中每個時刻的溫度值。根據(jù)每一個階段焊盤的具體情況，選擇最好的參數(shù)，更好的保證焊接質(zhì)量，達(dá)到最優(yōu)控制的目的，本發(fā)明直接應(yīng)用于激光焊接精密儀器。
【專利說明】一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法，屬于焊接領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]激光軟釬焊在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光軟釬焊熱影響區(qū)小、加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光軟釬焊也得到了應(yīng)用，如鑰聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm,采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多而采用激光軟釬焊效果很好，得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]近年來激光軟釬焊又逐漸應(yīng)用到印制電路板的裝聯(lián)過程中。隨著電路的集成度越來越高，零件尺寸越來越小，引腳間距也變得更小，以往的工具已經(jīng)很難在細(xì)小的空間操作。激光由于不需要接觸到零件即可實(shí)現(xiàn)焊接，很好的解決了這個問題，受到電路板制造商的重視。
[0004]但是對激光功率控制不好的話，也會影響到焊接質(zhì)量，比如容易生成氣孔、不能使助焊劑活性達(dá)到最大、疏松和裂紋、焊后在母材端面之間的接口部位存在凹陷，軟釬焊過程不穩(wěn)定等等，為消除或減少激光軟釬焊的缺陷，需要對激光的功率輸出進(jìn)行嚴(yán)格的控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法，本方法分為四個階段，經(jīng)過精密的仿真和實(shí)際操作，得出了本方法具體參數(shù)的取值。本方法能計算出錫膏在焊接過程中每個時刻的溫度值。根據(jù)每一個階段焊盤的具體情況，選擇最好的參數(shù)，更好的保證焊接質(zhì)量，達(dá)到最優(yōu)控制的目的，本發(fā)明直接應(yīng)用于激光焊接精密儀器。
[0006]在軟釬焊焊接工藝中，最難把握的就是軟釬焊溫度曲線的設(shè)定，本申請發(fā)明人通過理論和實(shí)踐得出了軟釬焊工藝對焊錫溫度的控制方法。為了盡量避免因不良溫度曲線引起的軟釬焊缺陷，以圖1的溫度曲線為例，為充分理解曲線的各階段對焊膏成分的影響，將溫度曲線分成預(yù)熱段、活性段、回流段和冷卻段，四個階段有不同的目的，所以激光照射的功率和時間也不同，但是各個階段之間又是按照順序，緊密聯(lián)系的。在各個階段進(jìn)行計算時，最主要的是要先了解清楚上一個階段的狀態(tài)，以及此階段的能量散失途徑，才能通過能量守恒定理來進(jìn)行計算。然后建立溫度關(guān)于時間的函數(shù)，經(jīng)過微分等計算就能算出軟釬焊在每一個時刻的溫度。
[0007]在軟釬焊焊接工藝中，能量散失途徑包括激光發(fā)射能量、熱傳遞散失能量、空氣對流散失能量和材料溫度上升消耗能量，如圖2所示。方法的輸入有室溫，激光的輸出功率，焊盤的形狀和焊錫的質(zhì)量；輸出有焊錫的溫度。通過對這些熱量的產(chǎn)生和散失的追蹤，就能知道焊錫所處的狀態(tài)。
[0008]下面結(jié)合圖1、圖2闡述本方法中每個階段的作用和具體內(nèi)容。
[0009]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:提供一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法，包括:
[0010]I)預(yù)熱段
[0011]此階段的目的是使PCB板、焊錫和引腳溫度上升，使焊錫融化，溫度上升不能太快，否者損壞板子和零件，也會導(dǎo)致助焊劑中溶劑的喪失，溫度上升也不能太慢，否者錫膏會感溫過度，沒有足夠的時間使PCB達(dá)到活性溫度；
[0012]初始狀態(tài)為引腳、焊錫和PCB板都處于室溫狀態(tài)T0，激光焊接器開始工作，得到此時的能量產(chǎn)生和消耗方向，同時滿足下列關(guān)系:
[o〇13] Q?t= Q熱傳遞+Q s氣對流+Q焊錫融化
[0014]即/ W.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-TB).S+m.Cl.(T-TB)
[0015]其中，W為激光功率，klaser為激光損耗率，knn為焊膏熱傳導(dǎo)系數(shù)，kshape焊膏傳導(dǎo)熱幾何系數(shù)，T為焊接處的溫度，S為焊膏面積，hf對流熱系數(shù)，m為焊錫的質(zhì)量，Cl焊膏未熔化前比熱容，對上面公式求導(dǎo)后得到關(guān)于時間t的一階函數(shù):
[0016]ψ.klaser = Knn.Kshape.S.Τ + hf.Τ.S + m.Cl.T
[0017]然后得到焊錫溫度T關(guān)于時間t的函數(shù):

【權(quán)利要求】
1.一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法，其特征在于，包括: 1)預(yù)熱段 初始狀態(tài)為引腳、焊錫和PCB板都處于室溫狀態(tài)T0，激光焊接器開始工作，得到此時的能量產(chǎn)生和消耗方向，同時滿足下列關(guān)系: Q激光=Q熱傳遞+Q+Q焊錫融化
即 / W.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-TB).S+m.Cl.(T-TB) 其中，W為激光功率，klaser為激光損耗率，knn為焊膏熱傳導(dǎo)系數(shù)，kshape焊膏傳導(dǎo)熱幾何系數(shù)，T為焊接處的溫度，S為焊膏面積，hf對流熱系數(shù)，m為焊錫的質(zhì)量，Cl焊膏未熔化前比熱容，對上面公式求導(dǎo)后得到關(guān)于時間t的一階函數(shù):
?.W.klaser = Knn.Kshapc.S.Τ -l.hf.Τ.S -l.m.Cl^T
然后得到焊錫溫度T關(guān)于時間t的函數(shù):
令該式等于:T+ pl.T = ql 解方程得到:T(t) = (TB-ql/pl).expm+ql/pl 焊錫的溫度變化從室溫TO達(dá)到熔點(diǎn)Tmelt時，中溫錫膏170°C，帶入上述參數(shù)，計算出激光的功率和激光焊接時間； 2)活性段 此階段激光所產(chǎn)生的能量用于使焊錫融化，由固態(tài)變成液態(tài)，溫度不變，所以能量滿足下列關(guān)系: Q產(chǎn)生=Q焊錫融化 式中QmiSHfc是和焊錫的質(zhì)量成正比的一個常量，經(jīng)過對等式兩邊求導(dǎo)和積分，求出在此階段的焊錫溫度關(guān)于時間的函數(shù)，再根據(jù)焊錫的溫度爬升速率，得出在活性段所需的時間 tl = Kmeltl.ml/ff ； 3)回流段 此階段能量的流向和預(yù)熱階段一樣: Q激光=Q熱傳遞+Q空氣對流+Q焊錫融化
即 / W.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-Tmelt).S+m.C2.(T-Tmelt)
此時C2為熔化合金比熱容， 將等式兩邊經(jīng)過微分及解微分方程，得焊錫溫度和時間的函數(shù):
T (t) = (Tmelt-q2/p2).exp_p2" t+q2/p2 初始溫度為焊錫的熔點(diǎn)Tmelt，最終溫度為最高溫度Ttop，中溫錫膏210°C，得出激光焊接的時間； 4)冷卻段 冷卻段分為保溫段、凝固段和散熱段，由于在保溫段時的焊錫仍然是液體狀態(tài)，所以Q中的比熱容仍然是焊錫液態(tài)時的數(shù)值，且初始溫度為Ttop，中溫錫膏210°C，焊錫的具體溫度T滿足TmeltCKTtop，得到溫度T關(guān)于時間的函數(shù)，由于功率保持不變，就得到保溫段的最終溫度Tsold，中溫錫膏180°C ； 在保溫段的能量流向和預(yù)熱階段一樣，但此時是保持功率不變，同樣有: Q激光=Q熱傳遞+Q空氣對流+Q焊錫融化
艮P / w.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-Ttop).S+m.C2.(T-Ttop) 同樣將等式兩邊經(jīng)過微分及解微分方程，得:
T (t) = (Ttop-q3/p3).exp—p3.t+q3/p3 第二個階段是凝固段，即TmeltCKTsold時，焊錫由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，此時激光的功率為0，得到:
/ 0.klaser.dt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-Tsold).S+m.C2.(T-Tsold) 同樣將等式兩邊經(jīng)過微分及解微分方程，得:
T (t) = Tsold.exp—p4^t 第三個階段是散熱階段，焊盤的溫度由Tsold降到室溫，通過計算分析得焊盤的溫度和時間的關(guān)系為:
T (t) = Tmelt.exp—ρ5.\
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，在預(yù)熱段，所述klaser變化范圍為0.2—0.8 ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在預(yù)熱段，所述knn焊膏熱傳導(dǎo)系數(shù)為401w/m*K。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，在預(yù)熱段，所述kshape焊膏傳導(dǎo)熱幾何系數(shù)為15-40。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，在預(yù)熱段，所述hf對流熱系數(shù)為10w/m2*K。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，在預(yù)熱段，所述Cl焊膏未熔化前比熱容為 230J/kg*°C。
【文檔編號】H05K3/34GK104202918SQ201410431305
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】陳智華, 潘林強(qiáng), 何成, 朱功章, 何龍, 趙陽, 顧超, 梅昕山 申請人:華中科技大學(xué)