當今的電子行業(yè)圍繞著互聯(lián)網(wǎng)的高速通訊和超級計算，對電子產(chǎn)品的要求越來越高，大量的微精密電子產(chǎn)品不斷在市場上考驗著各大企業(yè)的反應(yīng)速度和研發(fā)水平?？偟膩碚f，這無疑就是一場電子行業(yè)的的一次產(chǎn)業(yè)升級。

由于市場風云變化不斷細分，不管是代工能力及其出眾的OEM大廠，還是專注于更符合時代發(fā)展的研發(fā)型設(shè)備開發(fā)企業(yè)，都對新的制程，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)所面臨的問題，研發(fā)型企業(yè)要對市場新需求做出快速反應(yīng)來保持自己企業(yè)的科技領(lǐng)先優(yōu)勢?？萍夹袠I(yè)的發(fā)展也給有實力，有準備的企業(yè)帶來了更多的機會。

熟悉松爾德科技的朋友都知道，松爾德科技專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，松爾德實驗室盛產(chǎn)錫焊黑科技，在科研上的投入不遺余力，發(fā)表的技術(shù)類文章也有許多，并不定時公布了部分科研成果，新來的朋友可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢松爾德實驗室發(fā)表的部分文章。

閑話多不多，今天松爾德實驗室的主題是：激光光學形態(tài)對電子產(chǎn)品激光錫焊的影響。

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

而對于激光錫焊來說，很多時候也是利用這種光學形態(tài)對電子產(chǎn)品溫控焊接。

單點焊對于不規(guī)則焊點來說是比較好的選擇，因為不規(guī)則的焊點排布主要靠的是設(shè)備的機動性。

對于規(guī)則排布的焊點，雖然單點焊也是一個不錯的選擇，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)無疑會增加一倍的效率。

比如，產(chǎn)品的焊點為成對出現(xiàn)時，將光學系統(tǒng)組合透鏡進行一些列的改變，光纖出射出來發(fā)散的光經(jīng)過透鏡的一些列整形，將一束光分成兩束單獨的光束，通過機構(gòu)的精調(diào)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)透鏡的間距，以此來調(diào)節(jié)兩個光斑的間距。

初始條件的確立

在光學設(shè)計開始確立初始條件，并且設(shè)計光學鏡頭的初始結(jié)構(gòu)，透鏡組材料選擇為優(yōu)質(zhì)光學玻璃 ， 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半導體激光器

模型的建立

透鏡3D模型建立的基礎(chǔ)就是針對透鏡中光學表面的設(shè)計， 一般有偏微分方程和試錯法兩種。偏微分方程是根據(jù)Snell定律和能量守恒建立多項式求解反射折射的曲面面型， 通過編程計算出離散點的坐標， 再導入軟件中成型；試錯法是在軟件中直接建立相應(yīng)的曲面， 再通過模擬光線追跡出結(jié)果， 根據(jù)結(jié)果與實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。

在實驗室對產(chǎn)生的兩束裸露光斑分析儀下分析光學形態(tài)如下圖：

實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驗設(shè)計所允許的范圍內(nèi)，所以我們定義為此種光學形態(tài)是符合實驗要求的。

案例實驗

選取雙引腳線束進行雙光斑焊接，使得激光的兩束光束照射至兩個焊盤上，焊料覆蓋于兩個焊點，通過一系列參數(shù)設(shè)定后，觀察激光錫焊效果，如圖1，圖2，圖3，可以看見熔錫的狀態(tài)：

由于兩束光斑最終的落點并不在紅色十字中心點，因此十字中心點的pcb板無需擔心會被燒傷，再加上松爾德科技本身實驗的機臺帶有溫度控制系統(tǒng)，對焊盤和PCB板的保護是比較周全，則我們此次的重心直接觀察兩個焊點的焊接效果即可。以上實驗可以看出，雙光點設(shè)計對于規(guī)則成對出現(xiàn)的焊點比用單光點焊接效率更高。

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

以此類推，通過光學設(shè)計還可以用以上方法設(shè)計出3－4光點的光學系統(tǒng)，如果遇到更多陣列焊點，可以引用光柵陣列光焊接方法，將一束光通過特殊的光柵光學元器件分成間距相等的若干個光斑，對于多個焊點同時焊接的方式等，原理如圖下所示：

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

矩形光斑設(shè)計及應(yīng)用

通過以上雙光斑設(shè)計的方法，還可以進行矩形光斑設(shè)計。

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

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

在經(jīng)過多次實驗后基本上可以得到滿足要求的矩形光斑。如圖5：

圖5

此時矩形光斑形態(tài)對于矩形焊點加熱填充效果將會更加均勻。比如，方形鍍金焊盤，如果用圓形光斑加熱，焊盤周邊容易脫落，因為熱量的不均勻性，可能導致鍍金焊盤整個脫落。

矩形光斑通過調(diào)節(jié)矩形長寬變化，可以對矩形周圍均勻加熱，溫度控制更加得心應(yīng)手。

實際得到的矩形光斑

實驗案例：

如圖7，細長的矩形焊盤與線束產(chǎn)品的焊接，如果使用圓形光斑，線材和焊盤都無法均勻加熱，導致局部溫度較高，要么燒毀產(chǎn)品，要么熔錫不徹底，無法覆蓋整個焊盤。圖6采用的光學形態(tài)為矩形光斑形態(tài)，通過調(diào)節(jié)矩形長寬比，得到滿足焊接此產(chǎn)品的光學形態(tài)，可以在焊接的過程截圖中看出，整個焊盤在加熱過程讓錫條首位同時受熱，因此不會產(chǎn)生錫條變形扭曲而導致的無方位翹曲，熔錫的整個過程一蹴而就，順利覆蓋了整個焊盤，焊點結(jié)晶過程非常飽滿圓潤。

圖7

改用圓形光斑，如圖8，同樣參數(shù)焊接則錫熔錫緩慢，熔融的錫因為焊盤熱量不均勻，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形態(tài)就是，細長比更高，幾乎程一字型條形光斑，一般細長比越高，需要的鏡片系統(tǒng)就越復(fù)雜，在焊接微小焊盤時，如果微小焊盤排列成長長的一排時，不管圓形光斑還是矩形光斑效率都比較低。此時就需要用到一字型光斑。

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

前面講的激光發(fā)射的光通過光纖傳輸至某一個平面端面，一般程圓形狀態(tài)，此時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，要得到一字型細長光斑，首先需要對光斑的發(fā)射狀態(tài)進行均勻的整形，利用多個鏡片組和非常規(guī)鏡片組合得到一條細長的光斑形態(tài)如圖8：

對一字型細長光斑，可以觀察zemax點列圖的分布情況判斷光的落點密度情況，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的密集焊點產(chǎn)品

選用松爾德科技點錫激光錫焊一體實驗平臺，對產(chǎn)品做一次自動上錫膏的操作。

點錫激光焊一體機

自動點錫完成后再CCD成像下的顯示結(jié)果如下圖

因為為實驗環(huán)境，我們并沒有讓機臺直接進行自動化循環(huán)，將機臺退至激光焊接頭下觀察點錫情況，在確認點錫一致性較好的情況下，我們對激光焊接參數(shù)做了一些列設(shè)置。

考慮到時一字型細長光斑，焊點間距為0.1mm，焊點過小，需要將相機倍率加大方便人眼觀察，在倍率改變的同時，也對一字細長光溫度設(shè)定條件做了一系列限制，再確認無誤后，開始錫焊。

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的溫度被牢牢的控制在了所設(shè)定的范圍內(nèi)，沒有任何異常，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)品焊接的變化過程，如下圖：

一字型細長光斑典型應(yīng)用場景

實際上能在短的時間完成一字型排列的密集型焊點焊接，得益于松爾德科技優(yōu)秀的光學設(shè)計能力和優(yōu)秀的激光控制能力。

松爾德科技光學性能參考圖

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，切割，焊接，都是利用激光的高能量高密集度對產(chǎn)品本身產(chǎn)生沖擊；而利用激光器對電子產(chǎn)品做微精密焊接則絕對不能再利用這種破壞型加工方式來完成。激光在錫焊行業(yè)的應(yīng)用主要還是利用光熱原理來完成的，利用激光加熱時間短，無接觸加熱的特點，那么就需要強大的研發(fā)能力，而光學設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，激光控制，電氣控制，上位機控制缺一不可，也正是因為松爾德團隊緊貼市場痛點，急客戶所急，已客戶的需求為己任，不斷開拓進取不斷投入研發(fā)設(shè)計，攻克一個一個工藝難點，才能在客戶群里積累不少優(yōu)良的口碑。松爾德科技這個年輕團隊將緊貼產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷開發(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)升級貢獻一點微薄的力量。