一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法
【專利摘要】本發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。根據每一個階段焊盤的具體情況，選擇最好的參數，更好的保證焊接質量，達到最優控制的目的，本發明直接應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
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種激光軟釬焊焊錫溫度的控制方法，屬于焊接領域。
【背景技術】
[0002]激光軟釬焊在電子工業中，特別是微電子工業中得到了廣泛的應用。由于激光軟釬焊熱影響區小、加熱集中迅速、熱應力低，因而正在集成電路和半導體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優越性，在真空器件研制中，激光軟釬焊也得到了應用，如鑰聚焦極與不銹鋼支持環、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,采用傳統焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩定性差，影響因素多而采用激光軟釬焊效果很好，得到廣泛的應用。
[0003]近年來激光軟釬焊又逐漸應用到印制電路板的裝聯過程中。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，以往的工具已經很難在細小的空間操作。激光由于不需要接觸到零件即可實現焊接，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，也會影響到焊接質量，比如容易生成氣孔、不能使助焊劑活性達到最大、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行嚴格的控制。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術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，經過精密的仿真和實際操作，得出了本方法具體參數的取值。本方法能計算出錫膏在焊接過程中每個時刻的溫度值。根據每一個階段焊盤的具體情況，選擇最好的參數，更好的保證焊接質量，達到最優控制的目的，本發明直接應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定，本申請發明人通過理論和實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，緊密聯系的。在各個階段進行計算時，最主要的是要先了解清楚上一個階段的狀態，以及此階段的能量散失途徑，才能通過能量守恒定理來進行計算。然后建立溫度關于時間的函數，經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量；輸出有焊錫的溫度。通過對這些熱量的產生和散失的追蹤，就能知道焊錫所處的狀態。
[0008]下面結合圖1、圖2闡述本方法中每個階段的作用和具體內容。
[0009]本發明解決上述技術問題的技術方案如下: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達到活性溫度；
[0012]初始狀態為引腳、焊錫和PCB板都處于室溫狀態T0，激光焊接器開始工作，得到此時的能量產生和消耗方向，同時滿足下列關系:
[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為焊膏熱傳導系數，kshape焊膏傳導熱幾何系數，T為焊接處的溫度，S為焊膏面積，hf對流熱系數，m為焊錫的質量，Cl焊膏未熔化前比熱容，對上面公式求導后得到關于時間t的一階函數:
[0016]ψ.klaser = Knn.Kshape.S.Τ + hf.Τ.S + m.Cl.T
[0017]然后得到焊錫溫度T關于時間t的函數:
【權利要求】
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)預熱段 初始狀態為引腳、焊錫和PCB板都處于室溫狀態T0，激光焊接器開始工作，得到此時的能量產生和消耗方向，同時滿足下列關系: 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為焊膏熱傳導系數，kshape焊膏傳導熱幾何系數，T為焊接處的溫度，S為焊膏面積，hf對流熱系數，m為焊錫的質量，Cl焊膏未熔化前比熱容，對上面公式求導后得到關于時間t的一階函數:
?.W.klaser = Knn.Kshapc.S.Τ -l.hf.Τ.S -l.m.Cl^T
然后得到焊錫溫度T關于時間t的函數:
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達到熔點Tmelt時，中溫錫膏170°C，帶入上述參數，計算出激光的功率和激光焊接時間； 2)活性段 此階段激光所產生的能量用于使焊錫融化，由固態變成液態，溫度不變，所以能量滿足下列關系: Q產生=Q焊錫融化 式中QmiSHfc是和焊錫的質量成正比的一個常量，經過對等式兩邊求導和積分，求出在此階段的焊錫溫度關于時間的函數，再根據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， 將等式兩邊經過微分及解微分方程，得焊錫溫度和時間的函數:
T (t) = (Tmelt-q2/p2).exp_p2" t+q2/p2 初始溫度為焊錫的熔點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，所以Q中的比熱容仍然是焊錫液態時的數值，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關于時間的函數，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，焊錫由液態變為固態，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系為:
T (t) = Tmelt.exp—ρ5.\
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，在預熱段，所述klaser變化范圍為0.2—0.8 ο
3.根據權利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在預熱段，所述knn焊膏熱傳導系數為401w/m*K。
4.根據權利要求3所述的控制方法，其特征在于，在預熱段，所述kshape焊膏傳導熱幾何系數為15-40。
5.根據權利要求4所述的控制方法，其特征在于，在預熱段，所述hf對流熱系數為10w/m2*K。
6.根據權利要求5所述的控制方法，其特征在于，在預熱段，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 優先權日:2014年8月28日
【發明者】陳智華, 潘林強, 何成, 朱功章, 何龍, 趙陽, 顧超, 梅昕山 申請人:華中科技大學