摘 要：自非接触性微焊接方法（局部焊接方法）开发至今已有约十年的历史了，由于这种焊接方法优于其它焊接方法（即：焊烙铁、热风等）一直受到高度重视，而且被广泛应用于工业电子领域。该技术已被用于全球范围的许多工厂的生产线中，包括美国、日本、欧洲和墨西哥。
本文主要针对下面几方面的技术进行论述
点焊方法，这种方法在生产线中使用的最多；
连续焊接方法，主要应用于一般间距的表面贴装元件和通孔元件的焊接；
向上焊接方法，这种方法是用光束照射产品的底部，使用这种方法不需翻转印制电路板（在下文中简称ＰＣＢ板）就可对待焊接的元件进行焊接。本文还将列举一些实例和对最佳的电路板设计做进一步的说明及对焊接质量进行评估。
关键词： 柔和光束， 焊接， 元器件， 电路板。
绪言：
从日常应用到工业应用的各个领域，电子技术的进步是惊人的。从而，半导体和电子元件的间距、尺寸、重量和密度进一步地精制以及发展多层ＰＣＢ技术已是大势所趋。随着半导体和ＰＣＢ技术的发展进步，新开发出的元件和材料越来越多，然而，由于技术和经济方面存在的问题，使得这些新型元件和材料与传统的焊接方法，如象波峰焊接（许多元件就是用这种焊接工艺焊接到ＰＣＢ上）不兼容。这种不兼容性将呈上升趋势。
传统上，一直将微焊接方法用于焊接用群焊方法，如象再流工艺，不能焊接的元件，传统的微焊接工艺使用的主要热源是“焊烙铁”，焊铬铁主要用于手工焊接或在某些情况下与机器人结合起来使用。虽然，某些工厂也将ＹＡＧ激光和加热工具用于自动微焊接工艺中，但是使用焊烙铁仍是常见的事。
考虑到这些情况，长期以来我们一直渴望有一种可应用于自动微加热（局部加热）的热源和比ＹＡＧ激光的成本更合理及比焊烙铁的效果还好的微焊接。
为响应这一需求，我们开发研制了一个机器人系统，这个机器人系统应用了非接触性热源（光束）。并将其成功地用于实际生产中。（我们还共同努力制定出在该焊接工艺中将技术诀窍贯穿其中的方案）。
使用了光能的加热源能以较柔和的热量对待焊接的区域加热。因此，这种热源被称为“柔和光束”。
一、设备的描述、性能及优点
氙光灯的设计可使光束（作为一种焊接加热源）通过一束光纤（在下文中称其为光纤）随意选择的位置，并朝着这个位置的方向照射。该装置由电源、灯箱（罩）、光纤和透镜组成，如图１所示。其主要功能有：
光输出反馈功能；
自动聚光控制功能，可将氙灯的光发射点设置到椭圆形透镜的第一个聚光点；
不同的外部Ｉ／Ｏ信号功能，该功能能够精确地控制光输出等级（watt）和照射时间，并可使选择的任意位置得到稳定的加热。
可使用直径Φ20mm、3.2mm、4.5mm、5.0mm和6.5mm，方形光纤（2mm×8mm）及一个2分支光纤。光纤直径和输出之间的关系见表１所列。
光纤 (Φmm) 3.2 4.2 5.0 6.5
光纤输出最大功率(W) 20 30 40 60
表1：光纤直径与光纤输出之间的关系
图1 光束装置的配置
如表2所列，专为光纤的应用而开发研制的透镜优点是其能够有效地将光纤辐射的光聚焦（这种光不是相干的而是辐散的）。
这种方法的优点有：
不需接触元件就可进行加热和焊接；
非接触性焊接工艺不再有元件错位和变形的现象；
以高速的转化灵敏度实施光能控制；
由于使用了光纤，易于实现系统化及易于与生产线组合。
透镜类型 双密度 弱光束 强密度 远距离
透镜输出比从例（约) 2.5 1.7 1.7 0.7
焦距(mm) 17-39 17-24 20-27 36-50
光束直径(mm) 3.2光纤
4.2光纤
5.0光纤
6.5光纤 0.9－2.4
1.2－3.0
1.4－3.6
1.9－4.7 1.0－2.0
1.1－2.2
1.3－2.4
1.5－2.7 1.1－2.0
1.5－2.8
1.7－3.1
2.1－4.3 1.6－3.2
2.1－4.1
2.5－5.0
2.9－6.4
表2 透镜性能
二、与传统的各种焊接方法加以比较
传统上常用的微焊接方法归纳在表３中。每种焊接方法都有各自的优、缺点。在这些方法中，普遍使用的是焊烙铁。虽然某些焊烙铁焊接方法已通过与机器人相结合而实现了自动化，但是大多数焊烙铁仍依赖操作员的经验和技能。因此，仍存在着各种各样的问题。
方法 优点 缺点
焊烙铁(使用机器人) 操作简单 接触加热、产生静电、需要维护和调整
加热工具 可实施批量焊接、引线可达到同质性 焊点有缺陷、需要维护和调整
电阻加热 成本低、引线对齐效果好 电极损耗、应用受到极限
热风 操作简单、成本低 难于实现精确控制、聚热不良
YAG激光 非接触加热、聚热良好、可精确控制能量 成本高、质量与工件表面条件有关
不需要光纤的光束 非接触加热、聚热良好、能量易于控制、成本低 加热头即大不重（难于调节到“高速精确位置”）随着时间的推移，辐射能量有可能变化
表3 各种传统焊接方法的优点、缺点
ＹＡＧ激光（波长１０６４Ｎ－ｍ）方法优于光束方法（氙灯波长为３００１２００ Ｎ－ｍ），激光的方法具有：（１）较高能源浓差（合聚）；（２）弱光束直径，不过在某些方面处于劣势：（３）相对于选择的表面条件而言，明显的光吸收率差异，因为生成的光是单色光；（４）由于光辐射是看不到的，所以要特别加以小心；（５）在确定照射目标时，需要可见导光；（６）成本以乎偏高。因此，光束方法，以其诸多的优点受到人们的青睐，而且对其的需求快速上升。
３．非接触性加热的概念
３．１ 焊接加热控制
通过外部I/O信号，可对光束加热进行控制。焊接加热控制样品使用的是焊膏和线焊条，并将这两种材料作为主要的焊接材料，见图２和图３所示。
图2 使用光束的再流循环
图3 线焊条与光束相结合的焊接条件
图１说明了加热控制的效果：（１）减少了焊料球；（２）用于该样品的共晶焊料熔点（比重Sn:63%、Pb:37）为183°C的条件下，通过把第一次辐射（预热循环）的输出W1和第二次辐射（熔融循环）的输出W2设置到W2－（1.5－1.7）×W1就可保证湿润性。应分别根据助焊剂活化和焊膏熔融所需的时间确定时间T1和T2。如图3所示，可以使用线焊条进行焊接。我们研制和应用了机器人系统，该系统可对光束和线焊进料器进行同步控制，获得了优质的焊接。在图３中，在第１次照射时焊盘的温度就会上升到大约为焊料的熔点温度。而后，将线焊条送到光束照射区域，使其在第２次照射时熔融。在第３次和最后一次照射时，传送到焊盘的填角焊料形成完善的焊点。当待焊接的焊点对齐排列成一条直线时，（如象连接器），可同时移开照射的光束和线焊条。
３．２ 辅助加热源
当需要使用不同的热量焊接元件时，在用光束照射之前，使用辅助加热源（热风或热板）以较高的热量预热元件，能够获得较好的效果。这样可确保元件和ＰＣＢ的润湿性
３．３ 非接触加热的概念
当光束照射在工件上时，工件吸收的光能Ｐ表示为P=W×t×A（W:(Watt)光束输出，t:(time)，光束照射时间A：工件吸收光束率)。工件的温度上升值Ｔ与加热量H[(比热)×(重量)]成反比，而与吸收光能量Ｐ成正比。由此，就得出这样一个等式T＝K×W×t ×A/H，“Ｋ”为比例常数。在这个等式中，由于没有考虑到导热率和辐射能，所以存在着热量损耗的现象。因此，为了获得最佳的温度曲线，控制光束输出W和照射时间t是很有必要的。
４．在点焊中的应用
４．１ 光束应用的背景
目前，组装在ＰＣＢ上的元件主要是表面贴装元件（ＳＭＣ）。许多表面贴装元件都是采用再流焊接技术组装到ＰＣＢ上的。然而，某些元件，如象；（１）高抗拉强度的埋置型连接器（引线插入于印制电路板，然后焊接的连接器）和电源元件，（２）耐热性低而且不能采用清洗工艺的晶体振荡器，激光元件和树脂模压元件，这些元件都是在将其他元件再流焊接到ＰＣＢ上以后，使用手工焊接的方法焊接到ＰＣＢ上的。此外，（３）许多汽车专用传感器和柔性ＰＣＢ， 由于其耐热性差，所以不能够使用再流焊接工艺，只能使用手工焊接技术。今天，光束焊接方法在上述元件中的应用与日俱增。
４． ２ 优化印制电路设计
适用于光束照射的ＰＣＢ图形设计是光束焊接的关键因素。图４所示做了几点关键说明：（１）焊料涂层或焊料量应达到焊盘表面的要求，以确保润湿性，因为在再流焊接之前，铜焊盘会氧化；（２）为了避免由于在ＰＣＢ定位时出现误差而造成的光敏抗蚀剂的褪色，（虽然该值将随热量而变化），但是焊盘直径仍应比光束直径大φ0.2mm-0.4mm。
图4 适用于光束焊接技术的PCB
４．３焊接实例
在晶体振荡器和混合片式元件中的应用
在焊接片式电阻和片式电容等元件时，应与上述元件一起，先施加焊膏，再贴装片式元件。然后，象图所示那样，用光束同时照射两个点进行焊接。焊接结果为：(1)明显降低了曼哈顿(Manhattan立碑）现象的产生；（2）不需再用昂贵的激光整平设备来调整电阻值了。
在焊接柔性ＰＣＢ和激光元件中的应用
对于３针脚的激光二极管可用线焊条进行一个点一个点的焊接（见图３）或是对三个焊点喷涂了焊膏后，用光束同时进行照射实施焊接。光束照射焊接方法的优点有：（１）由于使用焊烙铁而产生静电和漏电导致元件损坏的现象再也不会出现了；（２）适用于不能用群焊再流工艺进行焊接、耐热性差的元件。同样，光束技术还可适用于ＳＯＰ类型的激光光接收元件。
光束在焊接晶体振荡器和ＰＣＢ中的应用
象第４．１节中的论述的那样，在电路板经再流群焊工艺处理后，可使用线焊条把晶体振荡器焊接到ＰＣＢ上（参见图３）。此外，线焊条还可广泛地用于其它元件的焊接中，因为：（１）不会产生焊料球；（２）与用焊膏进行焊接的方法比较，其焊接成本相对较低；（３）不需使用喷涂设备。
5.光束在使用连续馈送设备的ＳＭＤ连接器中的应用
5.1 背景
最近，除了用于PCMICA的SMD连接器的产量持续上升外（参见图5），为保证可靠性还专门为与高速计算机组合使用及在有冲击力应用条件下（例如，飞机）而设计开发了用于高速信号传送（参见图6）的高速连接器，使光束的应用又有了新的进展。
我们已实现了将光束焊接技术应用到这些连接器中，下面将叙述我们对应用结果的调查研究。由于线焊条的焊接方法（图3）清洁度较高，所以得到了推广应用。光束方法还被用于某些连接器制造厂家的生产线上。传统上这些连接器的焊接都是使用手工焊接的方法，而光束焊接技术使传统的手工焊接方法实现了自动化，而且确保了以往难以实现的均匀一致的质量。
图5 用于PCMCIA卡连接器的设计理念
图6 应用于高速信号的专用连接器
5.2 在PCMCIA卡中的应用
5.2.1 PCB的设计概念
对于使用图5a中的线焊条连续进料焊接电路板的设计理念见图5的说明。在图5中，(1)和(2)是光束照射方向，当光束照射到(1)和(2)时，开始在照射的焊盘上进行焊接，分别表示为（1－1）和（2－1）。W2是图形宽度。图5中实例的引线间距为P－1.27,(0.050")。电路板设计的关键几点如下：
（1）开始焊接的焊盘宽度(WT或WO)应大于W1，因为当光束以(I)方向从（1－1)照射时(参见图５)，向光束照射方向上边缘“Ｘ”馈送线焊条是很有必要的。为了便于焊接，根据(1-1)设计PCB要比根据（2－1）设计ＰＣＢ更为理想。
（2）应去除图形间的光敏抗蚀剂，这样就不会出现光敏抗蚀剂褪色的现象。
（3）为保证线焊条进料区域的供料，宽度“ａ”值是必不或少的。
（4）W1应比“U”宽，因为光束是同时照射到焊盘和引线的，也是同时加热的。
（5）为了保持放热和热量的一致性，连接于焊盘的图形W2的宽度，应与连接于焊盘的其它图形宽度相同。
（6) 涂有焊料的或整平了焊料的焊盘要比铜箔焊盘好。（参见第4.2节说明）
5.2.2 焊接条件实例
虽然焊接条件随热量和焊盘吸光率而变化，但是，按照表４中的条件是可以进行焊接的。在往光束照射面上边缘施用热风预热焊盘的同时进行焊接，可以减少焊接时间。
(1)施加焊料，线焊条直径(Φmm) RMA 0.4
(2)光束直径(Φmm) 3.0 - 4.2
(3)光纤输出 28 - 30
(4)每面的焊接速度(mm/sec) 2 - 3
(5)两面的焊接时间(sec) 29 - 43
(6)线焊条给料速率(mm/sec) 4 - 6
表4 焊接条件举例
(1)施加焊料，线焊条直径(Φmm) RMA 0.3
(2)光束直径(Φmm) 2.5
(3)光纤输出 38
(4)线焊条给料速率(mm/sec) 2.0
(6)线焊条给料速率(mm/sec) 1.2
表5 焊接条件举例
5.3 专用高速连接器的焊接
上述连接器的形状和焊接质量见图６所示。由于用于柔性电路的绝缘膜在光束照射后会褪色，所以在焊接这种连接器时，将２个热鼓风机，热风(1)和热风(2)与光束结合起来使用。热风(1)可用来冷却柔性电路，而热风(2)在光束照射之前，可用来预热母板上的焊盘，因为电路板的热量大于引线的热量。
此外，由于连接器引线的间距为0.63mm，所以，使用Φ0.63mm的RMA类型的线焊条焊接这种连接器。因此，有必要在焊接之喷涂助焊剂。每个引线施用0.23mg的焊料。喷嘴口的热风温度和流动速率分别为100℃-200℃和15liters/min。表５列出了焊接条件。
由于焊接区域边缘有绝缘膜，一般来说，即使是对有经验的操作员用焊烙铁进行手工焊接连接器都是不切合实际的。因此，光束焊接方法却成了焊接这种连接器的切实可行的技术。上述连接器是由美国开发和生产的。
6．光束在向上焊接方法中的应用
6.1 发展背景
当完成了PCB一面的元件再流焊接后，传统上，都是使用焊烙铁对PCB另一面的其它元件进行手工焊接或使用机器人进行自动焊接。
因此，对能够在不需翻转PCB的条件下焊接其它元件的设备的需求越来越迫切。如果实现了图７中叙述的向上焊接方法的话：
(1) 就不需要ＰＣＢ倒装设备了；
(2) 防止元件脱落的机械装置也不需要了；
(3) 为此，就会减少设备的成本；
(4) 就能够使用向上和向下两种方向焊接方法焊接PCMCIA卡的连接器等。
这将大大地降低间歇时间。下面对应用向上焊接设备进行的实验结果进行了叙述。
图7 透镜对准上方的焊条
图8 向上焊接的特征
6.2 应用向上焊接设备方法的实验
用焊烙铁方法和光束方法对FR-4 PCB上形成的φ2mm、φ3和φ4mm焊盘进行的焊接结果进行了比较，这种比较是通过测量PCB上的焊料量和在下列条件下的润湿角度完成的：（1）焊盘(没有组装孔)；(2)有通孔和没有通孔；(3)贴装有元件和设有贴装元件。图８中给出了相关数据。
在这一实验中，使用了φ0.6RMA类型的线焊条和一个20watt焊烙铁与一个装有光束焊接装置的机器人组合的自动焊接设备（见图8所示）。在初步实验中，使用相同的材料和设备确定最佳的焊缝填角，当润湿接触角度为45℃时，施加的焊料量就是最佳值。
下面是实验结果：
（1）当应用光束焊接方法时，最大焊料量(A)的比率利时(D)和最佳焊料量表示为8 - 12(D＝8-12)的一个系数。另一方面，当使用焊烙铁时，比率(E)的系数大约为1.8[(E)=1.8],不考虑焊盘直径的差别。
（2) 因此，非接触加热的光束方法优于系数为4.4 - 6.7的焊烙铁方法，即使使用向上焊接方法时，焊料滴落的可能性很小。事实上，焊料量是最佳焊料量的8 - 12倍，而且不会出现焊料滴落的现象。
(3) 使用非接触加热方法，表面张力使焊料不会滴落，这样使得向上焊接方法获得了成功的应用。然而，使用焊烙铁焊料就会顺着焊烙铁往下流淌滴落，为此，向上焊接方法就不能用于焊烙铁方法中。
我们研制出了一种设备，见图７所示，该设备已在全球的几家制造公司中使用。
7．焊接质量的评估
7.1 光束方法的焊接强度
表6所示是在施加了焊膏后，获得的焊接强度的例子。如图２所示，通过控制再流焊接工艺的热量就不会产生焊料球及获得很高的焊接强度，这是可以实现的。此外，在QFP的引线和PCB之间的焊接区域的拉伸应力和切应力等于再流焊接所获得的应力。当将等量的焊膏施加到0.8mm间距的QFP时，当使用光束方法和焊接工艺时，应力大约为15.7N(1.6kgf)。
项 目 内 容
测试标准 日本EIAJ标准＜芯片的焊接强度＞
。强度(剪应力)F≥5N，(0.51kgf以上)
。保持10±1sec
测试对象 片式电容1068
测试基体
焊盘类型，施加的焊膏量等 。焊盘，共晶合金(BH63C348G)
。施加量：4mg/焊盘，设备：喷涂机
测试仪 粘合力测试仪
结 果 。平均强度：F=1.601kg,f=15.7N
。试样数量：50件
。达到EIAJ标准要求
表6 用光束方法的焊接强度和可焊性结果(EIAJ:日本电子学会)
7.2 可靠性检验
应根据各用户的内部评估标准对在岢刻条件下加工的电子元件和ＰＣＢ进行可靠性验收。用户的可靠性检验包括(1）加热循环测试；（2）高温性能测试；（3）高温、高湿度和高压性能测试；（4）振动测试；(5)附加性能测试。采用光束焊接方法的用户还可将这些测试用来评估其产品，由于用光束焊接的产品具有很高的质量，所以对用光束焊接方法生产出的产品给予了高度的评价。某些应用光束焊接方法的用户准备着去通过ISO9000认证。为得到ISO9000认可，光束方法所需的主要标准是高跟踪能力。在生产过程中的适当一段时间，通过测量温度曲线或光输出就可获得跟踪能力性能。在这个过程中，可对可变因素（焊料、设备、工件等）进行必要的调整。
８．结论
根据我们从点焊工艺中积累的技术诀窍，我们确信使用连续线焊条进料设备和向上焊接的方法将光束技术应用到ＳＭＤ连接器焊接中，从技术上来说是能够实现的。我们将不懈努力，使焊接工艺和设备技术得到进一步地改善。
光束方法若在实际生产中能够获得成功的应用，其与工艺技术设备、设计和材料方面有着密切的关系（参见图９）。换言之，必须做到用户和制造厂家之间的相互了解。光束方法具有许多优越的性能，不过正确地使用这些性能是很关键的。要强调的是应有效利用其优点来弥补其缺点，就会使这种方法具有更多的优点。
来 源：不详
原作者：信息产业部电子第二研究所 李桂去
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