使用聚焦白光的选择性焊接

HEATS

　　聚集白光(focused white light)焊接为许多挑战性焊接应用提供一个可行的方法在今天的竞争性与变化的制造环境中，我们经常受到挑战，要以成本有效的方法来制造日益复杂的装配。传统的焊接工艺经常要扩展其能力，以接纳新的设计与技术规格，同时保持在品质、产量和成本的限制之内。

　　聚集白光(focused white light)焊接为许多挑战性焊接应用提供一个可行的方法。复杂性日益增加的焊接工艺要求，和光束技术处理能力的最新提高，使得光束焊接成为制造商的一个吸引人的的选择。在线的(line-integrated)、高速机器人控制的焊接操作可以在一平方米的工作单元内进行。典型的应用包括热敏感元件和装配设计，这些使传统的回流焊接是不实际的。

- }3 {/ W% Z3 M/ Q

　　在世界级的高产量运作中，光束(light beam)工艺已经具有这样的特征：到达每个焊点在一秒中之下的周期时间和少于每百万100(ppm)的缺陷率。光束利用可以进一步提高，因为它提供一个使用成本低的非回流焊接元件的机会。已经证明它是一个对连接器损失和导线焊接有成本效益的替代方法。

1 y% w" o/ K) E( N; Q* Z

　　光束设计

9 _% ^7 ^ [: N/ L

　　光束技术的最简单形式类似于通过放大镜玻璃将太阳光聚焦在聚集点上产生热量。通过控制光源、光学输出和一些中间的次要细节来改进这个方法，一个焊接工艺几乎就可以产生了。

　　首选的光源是氙灯(xenon lamp)，它在正常可见到接近红外的范围内发出一种宽带的光谱。相反，激光发出的光在很窄的光谱带宽。光谱越宽，在更宽范围的基板上提供更好的热传播能力。

9 j3 V$ ]! O; f% M2 K! C- O4 D: ]

　　由Panasonic Factory Automation (Franklin Park, IL)设计的一个聚集白光系统使用来自1500W氙灯的光能。这个能量通过放大镜由光纤线传送到一个可变的(大于等于1mm)聚光点。在光束聚焦点的反射光是强烈的，对眼睛的影响可以好象在很晴朗的天直接看太阳光一样。该工艺可以用电焊护目镜安全地观察，但最好是间接地通过视频监测系统来观察。

! x' x$ p" @* ^! b( l% Y; a$ n $ S0 R* M" q9 A2 @3 |: r

　　光束焊接

! k9 U8 G8 D+ l. P & \; A+ x" \7 T" u1 m# N

　　自动光束焊接是一种点对点的非接触焊接方法。该技术由几个步骤组成，类似于手工焊接的要素。光束移动到焊接点，锡线定位好准备进给，打开光束，进给锡线，锡线退回，关闭光束或移动到下一个位置。因为锡线在接触焊点之前与光束交汇，所以当它接触焊点时是熔化的状态。光束在回流锡膏时也是有效的。光束的小直径和高强度使得在少于一秒的时间内形成高质量的焊接点，给焊点的总热传导低，给焊点位置之外装配的热传导甚至更低。

　　应用通常决定光束焊接的需要。这个方法的一个优点是，它通常可以焊接由传统焊接方法不能实际上回流的装配。典型的光束应用的例子包括：

　　把热敏的显示与晶体元件焊接到电路板

; R& |1 Y5 F) M, q 3 D8 g) M; c! X

　　开关装配内端子的精密焊接

- K. y; b& c) ~$ j& c

　　少量引脚元件的装配

" U% r) p C& r# [6 V9 _

　　不能清洗的元件

8 i5 ]) A$ c! D6 w1 i 7 f! I* H8 x3 x% r& t2 n$ E

　　汽车传感器、柔性电路板、PCMCIA应用和几何形状复杂的装配。

　　光束甚至可以回流焊接位于玻璃罩后面的元件。由光束在焊接点上产生的独特问题设定特征要求使用更新的助焊剂，其配方具有低挥发性和低溅锡特性。

& O3 @. s) B& {2 |2 w6 {7 ^6 |

　　系统集成

2 Z; d( O% _9 L' U1 }' N

　　v光束焊接一般不作为一个独立的工具使用。它通常是在一个自动机械平台上的集成焊接系统的一部分，包括精密移动控制、锡线进给、光束参数控制、过程监测能力和通信协议。其典型的一平米占地面积可容易地适于大多数制造装配线。

9 ]* \1 }9 W+ G" `# R+ ~6 V

　　自动机械平台与集成焊接过程的软件已经在过去几年大大改进。 Motorola Manufacturing Systems (Boynton Beach, FL)和Motorola Cellular Subscriber Group (Harvard, IL)的工艺开发专家在该工艺的开发与改进中起重要作用，该集团现在有超过25个这种系统在运作。市场上可买到的设备范围从简单的只焊接单元到更复杂的零件贴装与多光束焊接系统。光束镜与焊锡进给器可安装在拱架(gantry)或X-Y工作台上对顶面和/或底面焊接。复杂成熟的和基于PC的自动系统可以买到，它插件和焊接元件，具有高度的可靠性。

* J: K4 B( p- x$ v3 K7 z2 g - q. M, v& b- R1 g. X$ ^0 n. ]

　　过程控制

　　产品设计要求必须彻底地评估与建立，以达到最佳的质量水平。这些要求包括焊盘/引脚尺寸和几何形状，引脚对孔的比率，尺寸公差、阻焊层和基板材料。

5 A: [1 r. b/ i# n* F! {# b : {+ V, E0 _, e; X; O/ U

　　材料质量与可焊性要求必须为该工艺建立并监测。该工艺对来料质量的变化敏感并且没什么宽容。不可预料的可焊接性问题或污染，如树脂胶的残留，将使该工艺更加困难。

+ Y% E5 l! H4 ?# W0 s2 \

　　光束变量包括光纤类型、透镜类型(焦点直径、焦距)、和灯泡功率输出。光纤与透镜的选择是基于所希望的工艺要求。由于氙灯的本质就是灯，功率输出和光的分布随着时间发生变化。这些变化使用电子反馈机构和校准的方法来控制。

4 L" }# X6 z: I( o7 M: I3 _

　　过程参数包括光强设定、预热/驻留/后热时间、锡线类型和锡线进给角度/速度。这些变量可以优化以达到改进品质和减少循环时间。选择和确认低溅锡助焊剂夹心的焊锡是必要的。

+ d H7 x$ r7 n% r; ~, M' z `

　　一个简单视频监测系统可安装在机械手臂工具上。该系统提供对焊接操作的接近观察和记录。当回放慢动作时，其结果是对过程动态的无价反馈。

+ a2 }7 A: y# _$ z& o* h$ @) P

　　优点与缺点

　　聚焦式白光束焊接当与传统的和其它的非接触焊接方法相比，有几个优点与缺点。光束工艺将用于几乎所有的任何通孔或表面贴装焊接应用。可是，作为一种选择，波峰焊接或红外(IR)回流焊接工艺通常对高产量/高混合度的运作更有成本效益。一旦有了，光束系统可用于其它周边运作，这些对这个专用设备的成本是无关痛痒的。

7 O% B) R; [ X5 Y& A+ l

　　光束工艺的总速度决定于每个装配的焊点数量。循环时间随着每个装配焊点数量的增加而增加。相反，波峰焊接或回流焊接与每个装配的焊点数量没什么关系。因此，对于一个给定数量的焊点，每个工艺的处理时间是相等的。虽然高产量/低混合制造通常使用光束技术，但一些系统的多功能性和编程能力可使得快速适应更高混合度的要求。

. l3 f2 H0 ^5 E) w8 E9 j 5 F( \8 d1 O) Y B! O. J

　　钇铝榴石紫外(YAG UV, yttrium aluminum garnet ultraviolet)激光器(波长：1064N-m)，也用于焊接应用，它优越于白光束(氙光波长：300~1200N-m)，因为它提供更高的能量集中和更细的光束直径。可是，钇铝榴石紫外激光器的光吸收率(热传导能力)很大程度上决定于它加热的材料特性，而白光束的吸收率在更宽范围的基板特性上较稳定。另外，激光成本高，要求严格的安全考虑。

　　不象其它焊接过程，光束工艺参数可以对单个的焊接点按要求设定。这样避免了为了接纳板上所有不同零件而不得不决定一个最适合的工艺设定，这点已经变得越来越困难了，因为板的设计更复杂了。用户具有更多的灵活性，因为任何改进都只要求修改相应的自动机器程序。

, _7 x$ [$ u5 N8 F y, t

　　因为光束焊接是点到点的，不希望的PWB温度副作用，如弯曲与翘曲，实际上不存在。可是，光束将很快地烫伤电路板，如果过程变量不受控制。使用视频相机对每个焊点监测和记录整个过程动态的能力是这个工艺的独特的优点。

　　结论

, d, G$ X% I. T+ ^- ^: e

　　自动光束焊接为许多困难的焊接应用提供一个创新的和革命性的解决方案。该技术现在是在许多世界级运作中的经过验证的资产。它为制造提供又一个工具，来增加焊接工艺能力和在一个变化的环境中的效率。不管怎么样，光束焊接是一个复杂的工艺，要求完整的能力、需要和成本效益的分析。 8 S4 C8 H' Z2 n E, P4 S

9 K( [: q5 G8 f6 ^1 ^; m