最新自动激光焊接机器人系统

作者：株式会社日本优尼公司 李泽民

欢迎访问e展厅 展厅 5 激光焊接机展厅 激光淬火, 激光熔覆, ... 当今，电子设备已演变成多功能、高密度、小型化，造成部件与部、部件与焊盘之间的空间越来越小。目前，全世界使用手机的人数已超过21亿，另外，混合动力为代表的汽车电子装置占的比例越来越大，在未来5年会占到车载部品的40%左右。随着人们对环境保护的意识增强，EU RoHs指今的实施，对真正的无铅化的追求，在这样的情况下，我们有必要对电子设备焊接方式的重要性进行再认识，这意味着综合的实装技术提高到怎样水平和能做出怎样高品质的电子产品。本文集JAPAN UNIX三十多年的SOLDERING ROBOT制造经验，对自动激光焊接机器人发展历程及当今的最新技术和应用状况进行阐述，希望能对从事电子设备，部件生产的相关人员得到启发。 1． 焊接机器人的发展历程 产业机器人的实用化是在1970年开始的，焊接用的机器人要更迟些，迟后的原因它需多学科的技术进行会集，如：机器人工程学、机械、电子电器、物理、化学、热力学、材料学等综合科学和技术。八十年代开始有关公司（JAPAN UNIX）就开发对应电子组装用的焊接机器人，当时设计理念是“用一种自动烙铁方式来代替手工烙铁焊接”因人存在很多的不确定性，当时机器人的往复精度为+/-0.5mm,速度也很低，而目前的机器人的往复精度为+/-0.01mm，速度也是原来的几十倍，（见图1） 2． 激光焊接机器人系统的诞生 在使用以往焊接机器人对被焊工件进行焊接时（见图2），必须留有一定空间让烙铁头能伸入至被焊部位进行焊接，另焊接过程烙铁头存在损耗，而且目前的部件引脚间距越来越小（0.3mm间距），业内人士始终想突破这瓶颈，寻找新的焊接方式，在这状况下一种非接触式，细小直径加热方式的激光焊接机器人系统应运而生， JAPAN UNIX在20年前已经开始探讨激光焊接机器人系统的题目，而且经历了YAG，CO2的时代，由于当时的方式激光器寿命短、体积大、控制精度低、成本高等诸多问题，使其实用化较为困难。自2001年开始我们采用了半导体（LD）激光发生器，使得小型化，高性能的激光焊接机器人系统（图3）实用化变为了现实，当今这种新型系统在日本，欧美，韩国，台湾地区，中国已应用于电子装置生产制造的多个领域，解决细微焊接这一难题。 1． 激光焊接机器人系统的应用领域 如以上阐述的那样，当今的电子装置已向多功能化，高集成化，小型化方向发展，以前的生产方式考虑比较多的制品的品质和实装技术的提高，但随着移动电话的小型化和多功能化以及3G手机的导入，小型化的趋势在加速，集成电路QFP元件的引脚间距也从当初的1.0mm发展为0.8mm, 0.65mm, 0.5mm，而且现在以0.4mm，0.3mm都很为普遍(图4)，并且部件之间的空间也越来越小。激光焊接机器人系统则被应用于手机的CCD素子（摄像头）部件（图5），LCD部件，手机的微型受话器，手携电脑的HDD部件，LCD部件以及微型马达，微型变压器等，还被应用液晶TV，高端数字相机，航空航天军工制造，高端汽车部件制造等领域。 4．激光加热方式的特点： 激光焊接机器人系统是以激光二极管（LD）为热源，通过激光实行局部非接触加热，它具有非接触性，无需更换烙铁头，激光光束直径小等优点（图6)。 在无铅化组装制造中，有部分不适用波峰，回流的部品，只能通过后装工序，利用局部加热方法来完成整个产品的组装，激光加热方式的独特性正逐步被业界推崇，其主要特征： (1).微细的点直径(Spor):激光形成的点径最小可以到0.1mm,送锡装置最小可以到0.2mm,可实现微间距贴装器件,Chip部品的焊接。 (2).因为是短时间的局部加热，对基板与周边部品的热影响很少，焊点品质良好。 (3).无烙铁头消耗，不需更换加热器，连续作业时，具有很高的作业效率。 (4).进行无铅焊接时，不易发生焊点裂纹。 (5)对焊料的表面温度用非接触测定方式，而不能用实际接触焊头的温度测定方法。 (一)激光焊接机器人系统装置说明如下： (1).装置内藏同轴CCD摄像头与监视装置（见图7），并可视觉图像位置较正系统。 由示教图像(指示图像)显示焊接状态，通过显示器同步显示（见图8）。视觉图像位置较正系统(见图9)则通过CCD视觉图像摄像头对工件上的标记点照射后进行自动位置较正。 （2）.通过对激光控制单元的液晶触摸屏（见图10）可对输出功率，激光照射时间，焊接温度曲线等进行工艺设定。 （3）.激光头上配有防烟雾的光学透镜及保护系统,维修时只要更换透镜前端保护玻璃即可, 更换方式十分简便（见图11）。 （4）系统中的体积紧凑的强力激光发生器，可以选择与点径相合适的Fibre，激光功率最大为30W/50W(空气冷却)二种并连续可调，从而达到最佳功率焊接。Fibre直径：0.4mm, 0.6mm, 0.8mm（标准为0.6mm）。 （5）激光焊接机器人系统装置的应用例：如（图12）中对0.3mm的BGA的焊球进行激光焊接，能做到保持上部球状不变形而下部已与焊盘良好连接，如用其他方式焊接是难以达到这样的效果，另我们通过用X光(焊点X-Ray) 测试仪观察到激光焊接焊后良好的透锡效果（见图13）。 5．激光加热方式的发展： 对应表面贴装微细间距焊接，特殊激光束的最小点径要达到0.05mm以下，激光发射形状目前使用圆形外，根据焊盘形状还开发出环形（JAPAN UNIX已开发成功，如图14，图15），目前正在开发长方形，三角形，椭圆形，甚至可向焊接位置发射自由Figure Head的激光束（如图16），以适应各种不同焊盘的焊接。 细小间距部品的无铅化焊接会增加烙铁头的更换次数，目前日本，韩国，台湾地区对中等间距程度部品，要求采用激光进行焊接的呼声在逐步升高，因此开发更高性能的激光焊接机器人系统已列入开发制造商议事日程。按照无铅组装的工艺要求，激光焊接机器人系统作为新的加热源会被更多的生产商所采用。 在电子产品进入高密度组装化的今天，加上新型电子Device,新Chip部品，新型陶瓷压电变压器，新电子材料，新工艺技术的导入，作为进步中的焊接机器人技术，今后会带自动调整激光功率大小，自动调整的图像识别装置，焊接方向，焊接范围能自动控制设定，或从中央数据库调用信息进行焊接，也可以由CAD数据自动生成焊接点的坐标数据，在焊接条件间断对焊接头进行自动更换，或通过机器人的双臂控制而取消焊接治具而被称之为“信息焊接机器人系统方向努力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/7/2010)