一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，本方法能计算出锡膏在焊接过程中每个时刻的温度值。根据每一个阶段焊盘的具体情况，选择最好的参数，更好的保证焊接质量，达到最优控制的目的，本发明直接应用于激光焊接精密仪器。
【专利说明】一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，属于焊接领域。
【背景技术】
[0002]激光软钎焊在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光软钎焊热影响区小、加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光软钎焊也得到了应用，如钥聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm,采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光软钎焊效果很好，得到广泛的应用。
[0003]近年来激光软钎焊又逐渐应用到印制电路板的装联过程中。随着电路的集成度越来越高，零件尺寸越来越小，引脚间距也变得更小，以往的工具已经很难在细小的空间操作。激光由于不需要接触到零件即可实现焊接，很好的解决了这个问题，受到电路板制造商的重视。
[0004]但是对激光功率控制不好的话，也会影响到焊接质量，比如容易生成气孔、不能使助焊剂活性达到最大、疏松和裂纹、焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷，软钎焊过程不稳定等等，为消除或减少激光软钎焊的缺陷，需要对激光的功率输出进行严格的控制。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，本方法分为四个阶段，经过精密的仿真和实际操作，得出了本方法具体参数的取值。本方法能计算出锡膏在焊接过程中每个时刻的温度值。根据每一个阶段焊盘的具体情况，选择最好的参数，更好的保证焊接质量，达到最优控制的目的，本发明直接应用于激光焊接精密仪器。
[0006]在软钎焊焊接工艺中，最难把握的就是软钎焊温度曲线的设定，本申请发明人通过理论和实践得出了软钎焊工艺对焊锡温度的控制方法。为了尽量避免因不良温度曲线引起的软钎焊缺陷，以图1的温度曲线为例，为充分理解曲线的各阶段对焊膏成分的影响，将温度曲线分成预热段、活性段、回流段和冷却段，四个阶段有不同的目的，所以激光照射的功率和时间也不同，但是各个阶段之间又是按照顺序，紧密联系的。在各个阶段进行计算时，最主要的是要先了解清楚上一个阶段的状态，以及此阶段的能量散失途径，才能通过能量守恒定理来进行计算。然后建立温度关于时间的函数，经过微分等计算就能算出软钎焊在每一个时刻的温度。
[0007]在软钎焊焊接工艺中，能量散失途径包括激光发射能量、热传递散失能量、空气对流散失能量和材料温度上升消耗能量，如图2所示。方法的输入有室温，激光的输出功率，焊盘的形状和焊锡的质量；输出有焊锡的温度。通过对这些热量的产生和散失的追踪，就能知道焊锡所处的状态。
[0008]下面结合图1、图2阐述本方法中每个阶段的作用和具体内容。
[0009]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:提供一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，包括:
[0010]I)预热段
[0011]此阶段的目的是使PCB板、焊锡和引脚温度上升，使焊锡融化，温度上升不能太快，否者损坏板子和零件，也会导致助焊剂中溶剂的丧失，温度上升也不能太慢，否者锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度；
[0012]初始状态为引脚、焊锡和PCB板都处于室温状态T0，激光焊接器开始工作，得到此时的能量产生和消耗方向，同时满足下列关系:
[o〇13] Q?t= Q热传递+Q s气对流+Q焊锡融化
[0014]即/ W.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-TB).S+m.Cl.(T-TB)
[0015]其中，W为激光功率，klaser为激光损耗率，knn为焊膏热传导系数，kshape焊膏传导热几何系数，T为焊接处的温度，S为焊膏面积，hf对流热系数，m为焊锡的质量，Cl焊膏未熔化前比热容，对上面公式求导后得到关于时间t的一阶函数:
[0016]ψ.klaser = Knn.Kshape.S.Τ + hf.Τ.S + m.Cl.T
[0017]然后得到焊锡温度T关于时间t的函数:
【权利要求】
1.一种激光软钎焊焊锡温度的控制方法，其特征在于，包括: 1)预热段 初始状态为引脚、焊锡和PCB板都处于室温状态T0，激光焊接器开始工作，得到此时的能量产生和消耗方向，同时满足下列关系: Q激光=Q热传递+Q+Q焊锡融化
即 / W.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-TB).S+m.Cl.(T-TB) 其中，W为激光功率，klaser为激光损耗率，knn为焊膏热传导系数，kshape焊膏传导热几何系数，T为焊接处的温度，S为焊膏面积，hf对流热系数，m为焊锡的质量，Cl焊膏未熔化前比热容，对上面公式求导后得到关于时间t的一阶函数:
?.W.klaser = Knn.Kshapc.S.Τ -l.hf.Τ.S -l.m.Cl^T
然后得到焊锡温度T关于时间t的函数:
令该式等于:T+ pl.T = ql 解方程得到:T(t) = (TB-ql/pl).expm+ql/pl 焊锡的温度变化从室温TO达到熔点Tmelt时，中温锡膏170°C，带入上述参数，计算出激光的功率和激光焊接时间； 2)活性段 此阶段激光所产生的能量用于使焊锡融化，由固态变成液态，温度不变，所以能量满足下列关系: Q产生=Q焊锡融化 式中QmiSHfc是和焊锡的质量成正比的一个常量，经过对等式两边求导和积分，求出在此阶段的焊锡温度关于时间的函数，再根据焊锡的温度爬升速率，得出在活性段所需的时间 tl = Kmeltl.ml/ff ； 3)回流段 此阶段能量的流向和预热阶段一样: Q激光=Q热传递+Q空气对流+Q焊锡融化
即 / W.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-Tmelt).S+m.C2.(T-Tmelt)
此时C2为熔化合金比热容， 将等式两边经过微分及解微分方程，得焊锡温度和时间的函数:
T (t) = (Tmelt-q2/p2).exp_p2" t+q2/p2 初始温度为焊锡的熔点Tmelt，最终温度为最高温度Ttop，中温锡膏210°C，得出激光焊接的时间； 4)冷却段 冷却段分为保温段、凝固段和散热段，由于在保温段时的焊锡仍然是液体状态，所以Q中的比热容仍然是焊锡液态时的数值，且初始温度为Ttop，中温锡膏210°C，焊锡的具体温度T满足TmeltCKTtop，得到温度T关于时间的函数，由于功率保持不变，就得到保温段的最终温度Tsold，中温锡膏180°C ； 在保温段的能量流向和预热阶段一样，但此时是保持功率不变，同样有: Q激光=Q热传递+Q空气对流+Q焊锡融化
艮P / w.klaserdt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-Ttop).S+m.C2.(T-Ttop) 同样将等式两边经过微分及解微分方程，得:
T (t) = (Ttop-q3/p3).exp—p3.t+q3/p3 第二个阶段是凝固段，即TmeltCKTsold时，焊锡由液态变为固态，此时激光的功率为0，得到:
/ 0.klaser.dt = / Knn.Kshape.T.Sdt+hf.(T-Tsold).S+m.C2.(T-Tsold) 同样将等式两边经过微分及解微分方程，得:
T (t) = Tsold.exp—p4^t 第三个阶段是散热阶段，焊盘的温度由Tsold降到室温，通过计算分析得焊盘的温度和时间的关系为:
T (t) = Tmelt.exp—ρ5.\
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述klaser变化范围为0.2—0.8 ο
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述knn焊膏热传导系数为401w/m*K。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述kshape焊膏传导热几何系数为15-40。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述hf对流热系数为10w/m2*K。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在预热段，所述Cl焊膏未熔化前比热容为 230J/kg*°C。
【文档编号】H05K3/34GK104202918SQ201410431305
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】陈智华, 潘林强, 何成, 朱功章, 何龙, 赵阳, 顾超, 梅昕山 申请人:华中科技大学