J80C型連接器錫環(huán)激光焊接工藝研究

崔啟明 楊小健 張越輝 張 琪 張一凡沈 麗

J80C型連接器錫環(huán)激光焊接工藝研究

崔啟明 楊小健 張越輝 張 琪 張一凡沈 麗

（北京計算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100854）

本研究通過改變傳統(tǒng)送錫方式改善J80C型連接器手工焊接操作難度大、焊接效率低的問題。采用錫環(huán)頂部送錫的方式，將焊錫絲彎折成環(huán)形，從連接器引腳上方垂直套入，錫環(huán)落至引腳根部后，以激光作為熱源，通過非接觸焊接方式進(jìn)行焊接。研究結(jié)果表明，對J80C型連接器進(jìn)行激光錫環(huán)焊接后，焊點浸潤良好，合金層厚度在1～3μm之間，焊接效率提高244%。

J80C型連接器；激光焊接；錫環(huán)送錫；合金層厚度

1 引言

隨著電子產(chǎn)品生產(chǎn)向自動化、規(guī)范化、生產(chǎn)參數(shù)可監(jiān)控化發(fā)展，規(guī)避人工生產(chǎn)不可追溯性，越來越多的電子器件采用自動化設(shè)備焊接[1]。J80C型連接器具有信號傳輸速度快、對插方式簡單并帶有防誤差措施保證正確性，廣泛應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域[2]。由于J80C型連接器焊接面與接插面位于同一面，插針不允許沾錫，無法采用波峰焊等自動化焊接設(shè)備焊接。目前，主要采用電烙鐵手工焊接，其引腳間距為2mm，四排引腳錯位排列，焊接難度極大，常出現(xiàn)引腳沾錫導(dǎo)致連接器報廢的情況，一個100引腳的連接器，需要焊接40min，嚴(yán)重制約J80C型連接器在產(chǎn)品上的批量使用。使用激光焊接設(shè)備，采取錫環(huán)送錫的方法對J80C連接器進(jìn)行焊接，具有效率高、焊接一致性好的優(yōu)點。本文通過研究錫環(huán)尺寸、設(shè)計焊接工裝、驗證焊接工藝參數(shù)，為實現(xiàn)J80C型連接器自動化的焊接提供有效支撐。

2 激光焊接設(shè)備

激光焊接設(shè)備由繞錫環(huán)站、點助焊膏站、預(yù)熱和激光焊接站、接駁臺組成，如圖1所示。

圖1 激光焊接設(shè)備

a. 繞錫環(huán)站由機(jī)械繞環(huán)系統(tǒng)和CCD視覺鏡頭組成，機(jī)械繞環(huán)系統(tǒng)將焊錫絲彎折成錫環(huán)，通過視覺編程定位到連接器引腳，引腳定位后由機(jī)械繞環(huán)系統(tǒng)中的機(jī)械臂將錫環(huán)從引腳上方垂直推送至引腳根部。

b. 點助焊膏站由點助焊膏系統(tǒng)和CCD視覺鏡頭組成，該站的作用是將助焊膏點到錫環(huán)上。

c. 預(yù)熱和激光焊接站由預(yù)熱模塊、激光發(fā)射器、CCD視覺鏡頭組成。預(yù)熱模塊由兩個預(yù)熱臺組成，通過紅外線加熱板卡，可以有效解決J80C連接器接地引腳覆銅區(qū)域大，導(dǎo)致焊接時散熱快，連接器引腳焊接質(zhì)量差的問題。預(yù)熱臺可以將印制板組件預(yù)熱到易焊溫度，激光焊接模塊可以調(diào)節(jié)焊接溫度、焊接時間和光斑尺寸等參數(shù)，參數(shù)設(shè)定后由激光器發(fā)射激光對連接器引腳進(jìn)行焊接。

3 激光錫環(huán)焊接試驗

3.1 錫環(huán)尺寸和送錫方式研究

使用0.5mm直徑的焊錫絲（Sn63Pb37）焊接一個J80C連接器引腳，焊錫長度為8.5mm，將8.5mm的錫絲做成錫環(huán)，需要考慮成環(huán)直徑，錫環(huán)直徑過大，導(dǎo)致相鄰引腳搭接短路，錫環(huán)直徑過小，在套環(huán)過程中，錫環(huán)無法順利到達(dá)引腳根部。因此，需要根據(jù)焊盤大小、相鄰引腳間距、引腳直徑，設(shè)計合適的錫環(huán)直徑：J80C引腳的直徑為0.762mm，相鄰引腳中心間距為2mm，將錫環(huán)內(nèi)徑設(shè)置為0.85mm，可以將錫環(huán)順利套到引腳根部，并且不會導(dǎo)致相鄰引腳搭接，當(dāng)錫環(huán)內(nèi)徑為0.85mm時，錫環(huán)周長為4.23mm，需要將8.5mm的錫絲彎折成2圈，圖2是成形后的錫環(huán)。

圖2 錫環(huán)外觀圖

圖3是錫環(huán)套至引腳根部的外觀圖，連接器相鄰引腳間距2mm，圖3a采用逐點套環(huán)方式，相鄰錫環(huán)間距過小，焊接過程中，熔融的錫膏易搭接到一起導(dǎo)致引腳連錫短路，見圖3a右上角。為避免錫環(huán)搭接短路問題，采用間隔套環(huán)方式，如圖3b所示，采用先套奇數(shù)引腳錫環(huán)，奇數(shù)引腳焊接完成后，錫環(huán)融化成錐形焊錫附著在焊盤上，焊錫環(huán)由圓形融化成錐形的焊錫，直徑減小，然后再套偶數(shù)引腳的錫環(huán)，此時偶數(shù)引腳的錫環(huán)和奇數(shù)引腳的焊錫間距變大，在偶數(shù)引腳錫環(huán)焊接過程中不會導(dǎo)致相鄰引腳焊錫搭接短路。

圖3 引腳套錫環(huán)外觀圖

3.2 助焊膏點涂方式和重量的研究

在焊接過程中，助焊劑所起的作用為：

a. 獲得無銹蝕的金屬表面，并保持該被焊表面的潔凈狀態(tài)；

b. 對表面張力的平衡施加影響，減小接觸角，促進(jìn)焊料漫流。

本研究使用松香助焊膏，研究先點助焊膏再套環(huán)和先套環(huán)再點助焊膏兩種點涂方式對焊點質(zhì)量的影響，如圖4所示。先點助焊膏后套錫環(huán)，錫環(huán)并未完全落到引腳根部，固狀助焊膏將錫環(huán)撐起。套錫環(huán)后點助焊膏，助焊膏在錫環(huán)上方，為獲得無銹蝕的金屬表面，更傾向于先讓助焊膏與焊盤接觸，焊接時助焊膏更快速留向孔內(nèi)，有利于焊錫向孔內(nèi)漫流。針對助焊膏將錫環(huán)撐起問題，在后續(xù)試驗時發(fā)現(xiàn)，器件預(yù)熱時，助焊膏在預(yù)熱溫度下，由膏狀變成液態(tài)，并流向孔內(nèi)，在液態(tài)表面張力和錫環(huán)失去支撐的情況下，錫環(huán)被拉到引腳根部，因此不存在錫環(huán)未落到引腳根部導(dǎo)致焊點高度較高的焊接質(zhì)量問題。

助焊膏的重量對焊點質(zhì)量有很大的影響，當(dāng)助焊膏量較小時，焊錫浸潤較差，無法形成飽滿、光亮的焊點，當(dāng)助焊膏量較大時，多余的助焊膏易殘留在焊點和板面，若未清洗干凈，助焊劑中的離子會吸收空氣中的水蒸氣，當(dāng)板卡長時間處在潮濕環(huán)境中，易導(dǎo)致連接器阻抗變低，影響板卡功能。本試驗采用控制變量法，保持助焊膏吐出壓力不變，通過調(diào)節(jié)助焊膏吐出時間，分別驗證了1mg、2mg、4mg助焊膏對焊點質(zhì)量的影響，助焊膏點涂參數(shù)如表1。

表1 助焊膏點涂參數(shù)表

在焊接參數(shù)一致的情況下，焊接情況見圖5，1號件的焊點光亮度較差，2號件的焊點較為光亮飽滿，3號件焊點附近助焊劑殘留過多。每個焊點點涂2mg的助焊劑較為合適。

3.3 工裝研究

本研究采用激光焊接設(shè)備焊接J80C型連接器替代傳統(tǒng)手工焊接，由于J80C型連接器焊點和引腳在同一平面，激光從引腳上方垂直加熱焊錫，需要工裝將連接器殼體撐起，焊接程序編輯完成后，為保證程序適應(yīng)所有板卡的焊接，每次板卡的放置位置應(yīng)一致，工裝也起到限位功能，設(shè)計工裝見圖6。裝夾工裝從以下幾個方向進(jìn)行設(shè)計。

a. 支撐設(shè)計：J80C器件焊接時，表貼器件已焊接完成，為防止工裝壓倒表貼器件，將工裝做成鏤空的。針對本研究的試驗板，板卡尺寸較大，工裝中間掏空后在中間加一個橫梁起到支撐作用。J80C器件引腳是頂部焊接，在橫梁上做一個凹槽，連接器殼體放入凹槽中起到支撐作用。

b. 抬高設(shè)計：J80C貼板焊接時，由于焊孔內(nèi)的氣密性，焊接時孔內(nèi)的空氣無法排除，焊接后焊點內(nèi)出現(xiàn)大量空洞，當(dāng)焊點空洞過多、面積較大時，存在可靠性風(fēng)險[4]。因此，焊接時應(yīng)保證孔內(nèi)空氣順利排除，參考J80CF型連接器殼體設(shè)計了抬高凸臺，使殼體與印制板中間留有0.5mm的間隙。而J80C型連接器無凸臺，因此，J80C焊接工裝的凹槽向下多留0.5mm的深度，放置后，器件自然下落與板卡之間存在0.5mm的間隙可以使孔內(nèi)空氣排出。

c. 材料設(shè)計：選擇耐高溫（500℃）、防靜電的合成石作為工裝制作的材料。

3.4 光斑尺寸研究

激光光斑尺寸決定焊接區(qū)域的大小，光斑尺寸越大，焊接區(qū)域越大，反之焊接區(qū)域則變小[5]。同時光斑尺寸大小與焊接能量密度有直接關(guān)系，焊接能量一定時，光斑尺寸越大，焊接能量越分散，光斑尺寸越小，焊接能量越集中，當(dāng)焊接能量越集中時，能量越向材料深層次傳遞[6]。

本研究選取體積小、重量輕、壽命長，不需要冷卻系統(tǒng)的Nd：YGA半導(dǎo)體激光發(fā)射器作為熱源，通過調(diào)節(jié)激光焊接設(shè)備中的光斑參數(shù)，可以控制激光發(fā)射器的光斑大小。J80C型連接器引腳間距為2mm，錫環(huán)直徑為0.85mm，當(dāng)光斑直徑大于3.15mm時，相鄰引腳上的焊錫會重熔，造成相鄰引腳多次焊接?？紤]光斑尺寸過小燒傷板面，將激光器的光斑尺寸設(shè)置為3mm，焊接圖7區(qū)域，從VS-8光學(xué)檢測儀下觀察焊接區(qū)域，板面被燒傷。因此3mm光斑不適合焊接印制板組件會燒傷板卡。將光斑尺寸設(shè)置為4mm，焊接溫度為350℃，焊接圖示區(qū)域，板面完好未被燒傷。經(jīng)過多次驗證3mm以下的光斑會燒傷板卡。本試驗選取4mm，5mm，6mm大小的光斑，探究最適合焊接J80C型連接器尺寸的光斑。

圖7 激光燒傷板卡形貌圖

3.5 預(yù)熱方式研究

預(yù)熱印制板組件的作用有以下幾種：

a. 提高助焊劑的活性，使助焊劑中的溶劑揮發(fā)，避免焊接時氣化炸錫；

b. 增加焊盤的潤濕性能，防止覆銅多的區(qū)域透錫率低；

c. 去除焊盤有害雜質(zhì)；

d. 減少焊料內(nèi)聚力[3]。

本試驗選取的試驗板覆銅區(qū)域大，為避免焊接過程中覆銅區(qū)域散熱快，導(dǎo)致焊點浸潤性差、不透錫的問題，采用紅外預(yù)熱臺對J80C器件上下區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，見圖8，選取三種預(yù)熱參數(shù)進(jìn)行驗證：80℃/80s、100℃/80s、120℃/80s。

圖8 板卡預(yù)熱示意圖

3.6 焊接工藝流程

圖9 激光焊接流程圖

激光錫環(huán)焊接工藝步驟如圖9所示。

a. 印制板組件放在工裝上由接駁臺送到繞錫環(huán)站進(jìn)行套錫環(huán)作業(yè)。

b. 錫環(huán)套完后，印制板組件流至點助焊膏站進(jìn)行點助焊膏作業(yè)。

c. 焊膏點完后進(jìn)行預(yù)熱。

d. 印制板組件預(yù)熱完成后，在激光焊接站進(jìn)行奇數(shù)引腳激光焊接，焊接過程為激光從引腳上方垂直照射錫環(huán)，由于設(shè)置的光斑尺寸大于錫環(huán)尺寸，因此整個錫環(huán)同時融化和凝固，單個引腳焊接完成后，激光光源再移動到間隔引腳處完成焊接，如圖10所示。

圖10 激光焊接示意圖

e. 奇數(shù)引腳焊接完成后，按照工序a～d進(jìn)行偶數(shù)引腳焊接。

3.7 焊接參數(shù)驗證

選取6塊樣件進(jìn)行焊接，激光焊接參數(shù)如表2所示，激光焊接參數(shù)的設(shè)定是參考J80C連接器手工焊接的溫度和時間，使用溫控烙鐵焊接J80C連接器時，非接地引腳焊接溫度為(310±10)℃，接地點引腳溫度為(340±10)℃，手工焊接時間為3s，表2中焊接時間設(shè)置為3.5s，其中3s為錫環(huán)融化和凝固時間，0.5s為激光移動到下一個焊點的時間，總計為3.5s。

表2 焊接參數(shù)表

使用VS-8光學(xué)檢測儀觀察樣件焊點質(zhì)量，樣件1（圖11）焊接質(zhì)量差，焊點未完全浸潤。

圖11 樣件1焊點形貌

樣件2（圖12）焊點飽滿光亮，焊接一致性好，透錫率為100%。

圖12 樣件2焊點形貌

樣件3（圖13）焊點飽滿光亮，焊接一致性好，透錫率為100%。

圖13 樣件3焊點形貌

樣件4（圖14）焊接質(zhì)量差，焊點未完全浸潤，部分焊點不透錫。

圖14 樣件4焊點形貌

樣件5（圖15）非接地焊點飽滿光亮，焊接一致性好，接地點不透錫。

樣件6（圖16）非接地焊點飽滿光亮，焊接一致性好，接地點不透錫。

圖16 樣件6焊點形貌

a. 樣件1與樣件3相比只有光斑尺寸參數(shù)不同，因此推斷樣件焊點質(zhì)量差是由于光斑尺寸（4mm）較小導(dǎo)致的，從焊點質(zhì)量較好的樣件2和樣件3分析可知，5mm、6mm的光斑尺寸參數(shù)較優(yōu)。

b. 樣件4與樣件2相比預(yù)熱溫度較低（80℃），說明樣件4焊接不良是板卡預(yù)熱溫度不足導(dǎo)致的，100℃和120℃的預(yù)熱溫度較優(yōu)。

c. 樣件5和樣件6非接地點焊接良好，接地點不透錫，樣件5和樣件6與樣件2相比，焊接溫度較低，說明300℃、320℃的焊接溫度可以滿足非接地點的透錫要求，對于接地點，焊接溫度不足。

綜上所有，光斑尺寸為5mm和6mm，預(yù)熱溫度/預(yù)熱時間為100℃/80s、120℃/80s，接地點焊接溫度為350℃，非接地點焊接溫度320℃可以形成良好的焊點。J80C型連接器引腳間距為2mm，使用6mm光斑會導(dǎo)致臨排和隔排引腳焊點重熔，為減少引腳多次重熔導(dǎo)致焊點可靠性變差，選用5mm的光斑尺寸進(jìn)行焊接。J80C基材的耐熱溫度為150℃，在100℃和120℃都可以達(dá)到預(yù)熱溫度的情況下，優(yōu)先選用100℃的預(yù)熱溫度。最終焊接參數(shù)定為：光斑尺寸：5mm，預(yù)熱溫度/預(yù)熱時間為100℃/80s，接地點焊接溫度/時間：350℃/3.5s，非接地點焊接溫度/時間：320℃/3.5s。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 焊點形貌分析

使用選定的參數(shù)焊接樣件，如圖17所示。焊點光亮飽滿，焊接高度一致，無焊點爬錫過高的缺陷，所有焊點高度不超過2mm，從反面可觀察到明顯透錫，俯視觀察所有焊點，無橋連短路缺陷，所有焊點焊接質(zhì)量一致。

圖17 焊接形貌

使用X光設(shè)備檢測引腳透錫率，從圖18中可以看出焊點透錫良好，焊錫填滿焊孔，透錫率達(dá)到100%。

圖18 焊點X光照片

4.2 焊點合金層分析

焊點的合金層（IMC）厚度直接影響焊點的可靠性，一般IMC厚度在1～3μm之間有比較理想的機(jī)械強(qiáng)度。通過掃描電鏡觀察激光焊接焊點IMC厚度（見圖19），引腳與焊點合金層平均厚度1.651μm，焊盤與焊點合金層平均厚度2.308μm，焊點強(qiáng)度滿足要求。

圖19 焊點SEM照片

4.3 焊接效率分析

激光焊接100引腳的J80C連接器需要11.6min，各工序時間如表3所示，手工焊接需要40min，焊接效率提高了244%。

表3 焊接工序時間表

5 結(jié)束語

通過對錫環(huán)激光焊接工藝研究，錫環(huán)激光焊接工藝可以保證焊點可靠性，實現(xiàn)了J80C連接器自動化焊接，解決制約手工焊接效率低，焊接過程不可控、引腳易沾錫報廢的技術(shù)瓶頸，可以作為新的焊接工藝方法在電子行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

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Research on Laser Solder Ring Welding Technology of J80C Connector

Cui Qiming Yang Xiaojian Zhang Yuehui Zhang Qi Zhang Yifan Shen Li

(Computer Technology and Application Research Institute in Beijing, Beijing 100854)

This study improves the problem of difficult manual soldering operation and low soldering efficiency of J80C type connectors by changing the traditional tin feeding method. The study uses the tin ring top feeding method and laser as the heat source to perform welding method. The results show that after the laser tin ring welding process for J80C type connectors, the solder joints are well infiltrated, the alloy layer thickness is between 1μm and 3μm, and the welding efficiency is increased by 244%.

connector type J80C；laser welding；solder ring feed tin；alloy layer thickness

101-TP391.9 A；V461

A

崔啟明（1994），碩士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：電子裝聯(lián)技術(shù)。

2022-12-05