激光焊接機器人系統(tǒng)

　　當今，電子設(shè)備已演變成多功能、高密度、小型化，造成部件與部、部件與焊盤之間的空間越來越小。目前，全世界使用手機的人數(shù)已超過21億，另外，混合動力為代表的汽車電子裝置占的比例越來越大，在未來5年會占到車載部品的40%左右。隨著人們對環(huán)境保護的意識增強，EU RoHs指今的實施，對真正的無鉛化的追求，在這樣的情況下，我們有必要對電子設(shè)備焊接方式的重要性進行再認識，這意味著綜合的實裝技術(shù)提高到怎樣水平和能做出怎樣高品質(zhì)的電子產(chǎn)品。本文集JAPAN UNIX三十多年的SOLDERING ROBOT制造經(jīng)驗，對自動激光焊接機器人發(fā)展歷程及當今的最新技術(shù)和應(yīng)用狀況進行闡述，希望能對從事電子設(shè)備，部件生產(chǎn)的相關(guān)人員得到啟發(fā)。

1． 焊接機器人的發(fā)展歷程
　　產(chǎn)業(yè)機器人的實用化是在1970年開始的，焊接用的機器人要更遲些，遲后的原因它需多學科的技術(shù)進行會集，如：機器人工程學、機械、電子電器、物理、化學、熱力學、材料學等綜合科學和技術(shù)。八十年代開始有關(guān)公司（JAPAN UNIX）就開發(fā)對應(yīng)電子組裝用的焊接機器人，當時設(shè)計理念是“用一種自動烙鐵方式來代替手工烙鐵焊接”因人存在很多的不確定性，當時機器人的往復精度為+/-0.5mm,速度也很低，而目前的機器人的往復精度為+/-0.01mm，速度也是原來的幾十倍，（見圖1）
　　
2． 激光焊接機器人系統(tǒng)的誕生
　　在使用以往焊接機器人對被焊工件進行焊接時（見圖2），必須留有一定空間讓烙鐵頭能伸入至被焊部位進行焊接，另焊接過程烙鐵頭存在損耗，而且目前的部件引腳間距越來越�。�0.3mm間距），業(yè)內(nèi)人士始終想突破這瓶頸，尋找新的焊接方式，在這狀況下一種非接觸式，細小直徑加熱方式的激光焊接機器人系統(tǒng)應(yīng)運而生， JAPAN UNIX在20年前已經(jīng)開始探討激光焊接機器人系統(tǒng)的題目，而且經(jīng)歷了YAG，CO2的時代，由于當時的方式激光器壽命短、體積大、控制精度低、成本高等諸多問題，使其實用化較為困難。自2001年開始我們采用了半導體（LD）激光發(fā)生器，使得小型化，高性能的激光焊接機器人系統(tǒng)（圖3）實用化變?yōu)榱爽F(xiàn)實，當今這種新型系統(tǒng)在日本，歐美，韓國，臺灣地區(qū)，中國已應(yīng)用于電子裝置生產(chǎn)制造的多個領(lǐng)域，解決細微焊接這一難題。
　　　　
1． 激光焊接機器人系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域
　　如以上闡述的那樣，當今的電子裝置已向多功能化，高集成化，小型化方向發(fā)展，以前的生產(chǎn)方式考慮比較多的制品的品質(zhì)和實裝技術(shù)的提高，但隨著移動電話的小型化和多功能化以及3G手機的導入，小型化的趨勢在加速，集成電路QFP元件的引腳間距也從當初的1.0mm發(fā)展為0.8mm, 0.65mm, 0.5mm，而且現(xiàn)在以0.4mm，0.3mm都很為普遍(圖4)，并且部件之間的空間也越來越小。激光焊接機器人系統(tǒng)則被應(yīng)用于手機的CCD素子（攝像頭）部件（圖5），LCD部件，手機的微型受話器，手攜電腦的HDD部件，LCD部件以及微型馬達，微型變壓器等，還被應(yīng)用液晶TV，高端數(shù)字相機，航空航天軍工制造，高端汽車部件制造等領(lǐng)域。
　　　　　　　
4．激光加熱方式的特點：
　　激光焊接機器人系統(tǒng)是以激光二極管（LD）為熱源，通過激光實行局部非接觸加熱，它具有非接觸性，無需更換烙鐵頭，激光光束直徑小等優(yōu)點（圖6)。
　　　　　　　　　　　　　　

　　在無鉛化組裝制造中，有部分不適用波峰，回流的部品，只能通過后裝工序，利用局部加熱方法來完成整個產(chǎn)品的組裝，激光加熱方式的獨特性正逐步被業(yè)界推崇，其主要特征：
　　(1).微細的點直徑(Spor):激光形成的點徑最小可以到0.1mm,送錫裝置最小可以到0.2mm,可實現(xiàn)微間距貼裝器件,Chip部品的焊接。
　　(2).因為是短時間的局部加熱，對基板與周邊部品的熱影響很少，焊點品質(zhì)良好。
　　(3).無烙鐵頭消耗，不需更換加熱器，連續(xù)作業(yè)時，具有很高的作業(yè)效率。
　　(4).進行無鉛焊接時，不易發(fā)生焊點裂紋。
　　(5)對焊料的表面溫度用非接觸測定方式，而不能用實際接觸焊頭的溫度測定方法。

(一)激光焊接機器人系統(tǒng)裝置說明如下：
　　(1).裝置內(nèi)藏同軸CCD攝像頭與監(jiān)視裝置（見圖7），并可視覺圖像位置較正系統(tǒng)。

　　由示教圖像(指示圖像)顯示焊接狀態(tài)，通過顯示器同步顯示（見圖8）。視覺圖像位置較正系統(tǒng)(見圖9)則通過CCD視覺圖像攝像頭對工件上的標記點照射后進行自動位置較正。
 
　�。�2）.通過對激光控制單元的液晶觸摸屏（見圖10）可對輸出功率，激光照射時間，焊接溫度曲線等進行工藝設(shè)定。
　　（3）.激光頭上配有防煙霧的光學透鏡及保護系統(tǒng),維修時只要更換透鏡前端保護玻璃即可, 更換方式十分簡便（見圖11）。
　　（4）系統(tǒng)中的體積緊湊的強力激光發(fā)生器，可以選擇與點徑相合適的Fibre，激光功率最大為30W/50W(空氣冷卻)二種并連續(xù)可調(diào)，從而達到最佳功率焊接。Fibre直徑：0.4mm, 0.6mm, 0.8mm（標準為0.6mm）。
　　　　　　　　
　�。�5）激光焊接機器人系統(tǒng)裝置的應(yīng)用例：如（圖12）中對0.3mm的BGA的焊球進行激光焊接，能做到保持上部球狀不變形而下部已與焊盤良好連接，如用其他方式焊接是難以達到這樣的效果，另我們通過用X光(焊點X-Ray) 測試儀觀察到激光焊接焊后良好的透錫效果（見圖13）。
　　　　　　
5．激光加熱方式的發(fā)展：
　　對應(yīng)表面貼裝微細間距焊接，特殊激光束的最小點徑要達到0.05mm以下，激光發(fā)射形狀目前使用圓形外，根據(jù)焊盤形狀還開發(fā)出環(huán)形（JAPAN UNIX已開發(fā)成功，如圖14，圖15），目前正在開發(fā)長方形，三角形，橢圓形，甚至可向焊接位置發(fā)射自由Figure Head的激光束（如圖16），以適應(yīng)各種不同焊盤的焊接。
　　
　　細小間距部品的無鉛化焊接會增加烙鐵頭的更換次數(shù)，目前日本，韓國，臺灣地區(qū)對中等間距程度部品，要求采用激光進行焊接的呼聲在逐步升高，因此開發(fā)更高性能的激光焊接機器人系統(tǒng)已列入開發(fā)制造商議事日程。按照無鉛組裝的工藝要求，激光焊接機器人系統(tǒng)作為新的加熱源會被更多的生產(chǎn)商所采用。

　　在電子產(chǎn)品進入高密度組裝化的今天，加上新型電子Device,新Chip部品，新型陶瓷壓電變壓器，新電子材料，新工藝技術(shù)的導入，作為進步中的焊接機器人技術(shù)，今后會帶自動調(diào)整激光功率大小，自動調(diào)整的圖像識別裝置，焊接方向，焊接范圍能自動控制設(shè)定，或從中央數(shù)據(jù)庫調(diào)用信息進行焊接，也可以由CAD數(shù)據(jù)自動生成焊接點的坐標數(shù)據(jù)，在焊接條件間斷對焊接頭進行自動更換，或通過機器人的雙臂控制而取消焊接治具而被稱之為“信息焊接機器人系統(tǒng)方向努力。