當(dāng)今的電子行業(yè)圍繞著互聯(lián)網(wǎng)的高速通訊和超級(jí)計(jì)算，對(duì)電子產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，大量的微精密電子產(chǎn)品不斷在市場(chǎng)上考驗(yàn)著各大企業(yè)的反應(yīng)速度和研發(fā)水平?？偟膩?lái)說(shuō)，這無(wú)疑就是一場(chǎng)電子行業(yè)的的一次產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

由于市場(chǎng)風(fēng)云變化不斷細(xì)分，不管是代工能力及其出眾的OEM大廠，還是專(zhuān)注于更符合時(shí)代發(fā)展的研發(fā)型設(shè)備開(kāi)發(fā)企業(yè)，都對(duì)新的制程，新的工藝提出了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)OEM廠需要更高質(zhì)量，更高效的全新工藝解決企業(yè)所面臨的問(wèn)題，研發(fā)型企業(yè)要對(duì)市場(chǎng)新需求做出快速反應(yīng)來(lái)保持自己企業(yè)的科技領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。科技行業(yè)的發(fā)展也給有實(shí)力，有準(zhǔn)備的企業(yè)帶來(lái)了更多的機(jī)會(huì)。

熟悉松爾德科技的朋友都知道，松爾德科技專(zhuān)注于全新的激光錫焊工藝研究，致力于電子產(chǎn)品激光非接觸性焊接產(chǎn)品的研發(fā)多年，松爾德實(shí)驗(yàn)室盛產(chǎn)錫焊黑科技，在科研上的投入不遺余力，發(fā)表的技術(shù)類(lèi)文章也有許多，并不定時(shí)公布了部分科研成果，新來(lái)的朋友可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)松爾德實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的部分文章。

閑話多不多，今天松爾德實(shí)驗(yàn)室的主題是：激光光學(xué)形態(tài)對(duì)電子產(chǎn)品激光錫焊的影響。

我們都知道，激光泵浦出來(lái)的光通過(guò)光纖耦合傳輸，并透射到一個(gè)平面，一般都是圓形形態(tài)，大部分光學(xué)組合透鏡將激光整形至需要的大小進(jìn)行某些場(chǎng)合的應(yīng)用，例如打標(biāo)、切割、焊接等領(lǐng)域。

而對(duì)于激光錫焊來(lái)說(shuō)，很多時(shí)候也是利用這種光學(xué)形態(tài)對(duì)電子產(chǎn)品溫控焊接。

單點(diǎn)焊對(duì)于不規(guī)則焊點(diǎn)來(lái)說(shuō)是比較好的選擇，因?yàn)椴灰?guī)則的焊點(diǎn)排布主要靠的是設(shè)備的機(jī)動(dòng)性。

對(duì)于規(guī)則排布的焊點(diǎn)，雖然單點(diǎn)焊也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是在產(chǎn)量和質(zhì)量要求比較高的情況下，如果能夠有陣列光出現(xiàn)無(wú)疑會(huì)增加一倍的效率。

比如，產(chǎn)品的焊點(diǎn)為成對(duì)出現(xiàn)時(shí)，將光學(xué)系統(tǒng)組合透鏡進(jìn)行一些列的改變，光纖出射出來(lái)發(fā)散的光經(jīng)過(guò)透鏡的一些列整形，將一束光分成兩束單獨(dú)的光束，通過(guò)機(jī)構(gòu)的精調(diào)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)透鏡的間距，以此來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)光斑的間距。

初始條件的確立

在光學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)始確立初始條件，并且設(shè)計(jì)光學(xué)鏡頭的初始結(jié)構(gòu)，透鏡組材料選擇為優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃 ， 材料增透處理，透光率為99％＋， 折射率＝1．51630 色散＝0．00806 阿貝數(shù)＝64．06。激光光源為940半導(dǎo)體激光器

模型的建立

透鏡3D模型建立的基礎(chǔ)就是針對(duì)透鏡中光學(xué)表面的設(shè)計(jì)， 一般有偏微分方程和試錯(cuò)法兩種。偏微分方程是根據(jù)Snell定律和能量守恒建立多項(xiàng)式求解反射折射的曲面面型， 通過(guò)編程計(jì)算出離散點(diǎn)的坐標(biāo)， 再導(dǎo)入軟件中成型；試錯(cuò)法是在軟件中直接建立相應(yīng)的曲面， 再通過(guò)模擬光線追跡出結(jié)果， 根據(jù)結(jié)果與實(shí)際要求的偏差修改曲面。本文采用第二種方法直接在Solid Works軟件中建立模型。

經(jīng)過(guò)zemax仿真模擬可以獲得其中一支光斑的2d平面光照度分布圖。

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)生的兩束裸露光斑分析儀下分析光學(xué)形態(tài)如下圖：

實(shí)際上獲得的光斑與理論光斑存在一定的微小差異，但這樣的差異本身是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所允許的范圍內(nèi)，所以我們定義為此種光學(xué)形態(tài)是符合實(shí)驗(yàn)要求的。

案例實(shí)驗(yàn)

選取雙引腳線束進(jìn)行雙光斑焊接，使得激光的兩束光束照射至兩個(gè)焊盤(pán)上，焊料覆蓋于兩個(gè)焊點(diǎn)，通過(guò)一系列參數(shù)設(shè)定后，觀察激光錫焊效果，如圖1，圖2，圖3，可以看見(jiàn)熔錫的狀態(tài)：

由于兩束光斑最終的落點(diǎn)并不在紅色十字中心點(diǎn)，因此十字中心點(diǎn)的pcb板無(wú)需擔(dān)心會(huì)被燒傷，再加上松爾德科技本身實(shí)驗(yàn)的機(jī)臺(tái)帶有溫度控制系統(tǒng)，對(duì)焊盤(pán)和PCB板的保護(hù)是比較周全，則我們此次的重心直接觀察兩個(gè)焊點(diǎn)的焊接效果即可。以上實(shí)驗(yàn)可以看出，雙光點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)于規(guī)則成對(duì)出現(xiàn)的焊點(diǎn)比用單光點(diǎn)焊接效率更高。

為了更加全面了解單個(gè)光點(diǎn)的光學(xué)形態(tài)分布情況，調(diào)取理論計(jì)算里面的FFT LINE／EDGE SPREAD 光學(xué)邊緣響應(yīng)關(guān)系譜圖，如下圖

以此類(lèi)推，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)還可以用以上方法設(shè)計(jì)出3－4光點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，如果遇到更多陣列焊點(diǎn)，可以引用光柵陣列光焊接方法，將一束光通過(guò)特殊的光柵光學(xué)元器件分成間距相等的若干個(gè)光斑，對(duì)于多個(gè)焊點(diǎn)同時(shí)焊接的方式等，原理如圖下所示：

可以利用特殊的光柵器件組合成多光點(diǎn)點(diǎn)陣列焊接，如上圖ABCDEF．．．．聚焦點(diǎn)。

矩形光斑設(shè)計(jì)及應(yīng)用

通過(guò)以上雙光斑設(shè)計(jì)的方法，還可以進(jìn)行矩形光斑設(shè)計(jì)。

透鏡出光表面建立微型陣列結(jié)構(gòu)， 由圖4可以看出， 單個(gè)透鏡組出光為圓形光斑， 為改變光斑形狀需要在表面增加矩形陣列結(jié)構(gòu)以獲取矩形光斑， 矩形陣列通過(guò)自由曲面旋轉(zhuǎn)擠壓而成；在此建立不同的微型結(jié)構(gòu)可以得到不同形狀的初始光斑。

圖4

實(shí)際上得到的初始光斑并不能滿足我們的實(shí)驗(yàn)要求，更不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，因此需要再組合其他透鏡進(jìn)行多次光學(xué)整形，盡可能的接近我們需要的理想光學(xué)形態(tài)。

在經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后基本上可以得到滿足要求的矩形光斑。如圖5：

圖5

此時(shí)矩形光斑形態(tài)對(duì)于矩形焊點(diǎn)加熱填充效果將會(huì)更加均勻。比如，方形鍍金焊盤(pán)，如果用圓形光斑加熱，焊盤(pán)周邊容易脫落，因?yàn)闊崃康牟痪鶆蛐?，可能?dǎo)致鍍金焊盤(pán)整個(gè)脫落。

矩形光斑通過(guò)調(diào)節(jié)矩形長(zhǎng)寬變化，可以對(duì)矩形周?chē)鶆蚣訜?，溫度控制更加得心?yīng)手。

實(shí)際得到的矩形光斑

實(shí)驗(yàn)案例：

如圖7，細(xì)長(zhǎng)的矩形焊盤(pán)與線束產(chǎn)品的焊接，如果使用圓形光斑，線材和焊盤(pán)都無(wú)法均勻加熱，導(dǎo)致局部溫度較高，要么燒毀產(chǎn)品，要么熔錫不徹底，無(wú)法覆蓋整個(gè)焊盤(pán)。圖6采用的光學(xué)形態(tài)為矩形光斑形態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)矩形長(zhǎng)寬比，得到滿足焊接此產(chǎn)品的光學(xué)形態(tài)，可以在焊接的過(guò)程截圖中看出，整個(gè)焊盤(pán)在加熱過(guò)程讓錫條首位同時(shí)受熱，因此不會(huì)產(chǎn)生錫條變形扭曲而導(dǎo)致的無(wú)方位翹曲，熔錫的整個(gè)過(guò)程一蹴而就，順利覆蓋了整個(gè)焊盤(pán)，焊點(diǎn)結(jié)晶過(guò)程非常飽滿圓潤(rùn)。

圖7

改用圓形光斑，如圖8，同樣參數(shù)焊接則錫熔錫緩慢，熔融的錫因?yàn)楹副P(pán)熱量不均勻，并不流向溫度較低的位置，再到后面錫絲直接翹曲，對(duì)產(chǎn)品分析有泛黃現(xiàn)象，焊接品質(zhì)NG。

圖8

矩形光斑還有一種光學(xué)形態(tài)就是，細(xì)長(zhǎng)比更高，幾乎程一字型條形光斑，一般細(xì)長(zhǎng)比越高，需要的鏡片系統(tǒng)就越復(fù)雜，在焊接微小焊盤(pán)時(shí)，如果微小焊盤(pán)排列成長(zhǎng)長(zhǎng)的一排時(shí)，不管圓形光斑還是矩形光斑效率都比較低。此時(shí)就需要用到一字型光斑。

一字型光斑設(shè)計(jì)是偏微分方程是根據(jù)Snell定律和能量守恒建立多項(xiàng)式求解反射折射的曲面面型， 通過(guò)編程計(jì)算出離散點(diǎn)的坐標(biāo)， 再導(dǎo)入軟件中成型計(jì)算。

前面講的激光發(fā)射的光通過(guò)光纖傳輸至某一個(gè)平面端面，一般程圓形狀態(tài)，此時(shí)的激光光束雖然在你平面上呈現(xiàn)的是圓形狀態(tài)，但是其本身的光束是處于發(fā)散狀態(tài)的，要得到一字型細(xì)長(zhǎng)光斑，首先需要對(duì)光斑的發(fā)射狀態(tài)進(jìn)行均勻的整形，利用多個(gè)鏡片組和非常規(guī)鏡片組合得到一條細(xì)長(zhǎng)的光斑形態(tài)如圖8：

對(duì)一字型細(xì)長(zhǎng)光斑，可以觀察zemax點(diǎn)列圖的分布情況判斷光的落點(diǎn)密度情況，增加光線的密度可大致看出一字型形態(tài)的光斑的光束分布情況還比較平均，如下圖

通過(guò)軟件采集條形光的邊緣特性曲線（line／edge spread）如下圖：

顯微鏡下間距為0.1mm的密集焊點(diǎn)產(chǎn)品

選用松爾德科技點(diǎn)錫激光錫焊一體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)產(chǎn)品做一次自動(dòng)上錫膏的操作。

點(diǎn)錫激光焊一體機(jī)

自動(dòng)點(diǎn)錫完成后再CCD成像下的顯示結(jié)果如下圖

因?yàn)闉閷?shí)驗(yàn)環(huán)境，我們并沒(méi)有讓機(jī)臺(tái)直接進(jìn)行自動(dòng)化循環(huán)，將機(jī)臺(tái)退至激光焊接頭下觀察點(diǎn)錫情況，在確認(rèn)點(diǎn)錫一致性較好的情況下，我們對(duì)激光焊接參數(shù)做了一些列設(shè)置。

考慮到時(shí)一字型細(xì)長(zhǎng)光斑，焊點(diǎn)間距為0.1mm，焊點(diǎn)過(guò)小，需要將相機(jī)倍率加大方便人眼觀察，在倍率改變的同時(shí)，也對(duì)一字細(xì)長(zhǎng)光溫度設(shè)定條件做了一系列限制，再確認(rèn)無(wú)誤后，開(kāi)始錫焊。

首先觀察激光升溫的溫度曲線

溫度曲線

在升溫階段，預(yù)熱階段和焊接段激光加熱焊盤(pán)的溫度被牢牢的控制在了所設(shè)定的范圍內(nèi)，沒(méi)有任何異常，因此我們排除溫度不穩(wěn)定而形成的各種影響，再把注意力集中到產(chǎn)品焊接的變化過(guò)程，如下圖：

一字型細(xì)長(zhǎng)光斑典型應(yīng)用場(chǎng)景

實(shí)際上能在短的時(shí)間完成一字型排列的密集型焊點(diǎn)焊接，得益于松爾德科技優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)能力和優(yōu)秀的激光控制能力。

松爾德科技光學(xué)性能參考圖

我們知道，激光器一般都屬于破壞型加工，例如三大應(yīng)用：打標(biāo)，切割，焊接，都是利用激光的高能量高密集度對(duì)產(chǎn)品本身產(chǎn)生沖擊；而利用激光器對(duì)電子產(chǎn)品做微精密焊接則絕對(duì)不能再利用這種破壞型加工方式來(lái)完成。激光在錫焊行業(yè)的應(yīng)用主要還是利用光熱原理來(lái)完成的，利用激光加熱時(shí)間短，無(wú)接觸加熱的特點(diǎn)，那么就需要強(qiáng)大的研發(fā)能力，而光學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，激光控制，電氣控制，上位機(jī)控制缺一不可，也正是因?yàn)樗蔂柕聢F(tuán)隊(duì)緊貼市場(chǎng)痛點(diǎn)，急客戶(hù)所急，已客戶(hù)的需求為己任，不斷開(kāi)拓進(jìn)取不斷投入研發(fā)設(shè)計(jì)，攻克一個(gè)一個(gè)工藝難點(diǎn)，才能在客戶(hù)群里積累不少優(yōu)良的口碑。松爾德科技這個(gè)年輕團(tuán)隊(duì)將緊貼產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷開(kāi)發(fā)新一代錫焊產(chǎn)品，為激光行業(yè)，為電子行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)貢獻(xiàn)一點(diǎn)微薄的力量。