（机械工程专业论文）fpctsa激光软件钎料喷射焊接参数优化.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 舢舢j j j i f m r i i i i i i i i i l u i i i h i y 1815 14 0 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签一日期：譬年，月 i b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密曰，在立年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：炒彭年1 月夕日 日期：1 够年，乙月夕日 摘要 摘要 本研究通过因子试验对影响f p c 和t s a 激光软钎料焊接的主要因素进行了 分析和参数优化，从而达到提高焊点剥离强度、改善焊点形貌、进一步减小产品 玷污、降低劳动强度、提高工作效率的目的，同时也为抛弃目前的手工烙铁焊接 和实现未来的自动化焊接作准备。 对f p c 和t s a 的焊接来说，因为焊点剥离强度是焊接要求的主要指标，所 以，本研究通过对焊点剥离强度的试验分析和m i n i t a b 优化模拟器的综合运 用，首先优化出影响剥离强度的效果显著因素、主要因素及其参数值，在此基础 上，再结合焊接形貌的扫描电镜( s e m ) 分析和界面组织生成相化学组成e d x 分析 以及焊点形貌比较，最后优化出影响f p c 和t s a 焊点剥离强度和形貌的主要 因素及其参数值。 试验结果分析表明：影响f p c 和t s a 焊点剥离强度效果显著的因素是：激光 电流、氮气压力、激光前时间、共同作用的氮气压力和激光照射后时间、基本工 作高度、共同作用的氮气压力和激光照射前时间，其中激光电流影响最显著。影 响f p c 和t s a 焊点剥离强度的主因素是激光电流。影响f p c 和t s a 焊点形貌的 主因素是激光电流、氮气压力、焊咀工作基本高度。 根据试验分析和m i n i t a b 优化模拟，参数优化值为：激光电流3 2 a ，氮气 压力2 0 m b a r ，焊咀基本工作高度0 6 m m ，激光脉冲宽度2 7 m s ，激光前时间和激 光后时间各1 0 0 毫秒。 根据优化的参数焊接f p c 和t s a ，其焊点剥离强度均值达到9 2 4 1 0 9 克， 是目前人工焊接强度3 0 克的3 0 8 倍，其形貌和轮廓规则、均匀、一致，呈球 形，表面无裂纹，优于手工焊接的。 关键词f p c t s a激光软钎料喷射焊接参数优化 i 华南理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t f a c t o r st h a ta f f e c ts o l d e r i n gb e t w e e nf p c t s ab yl a s e r a r e a n a l y z e da n do p t i m i z e d i nt h ep a p e rt or e a c ht h et a r g e tr a i s i n g p e e ls t r e n g t h a n d i m p r o v i n g v i s u a ls h a p ea n df u r t h e rr e d u c i n g c o n t a m i n a t i o nt ot h ep r o d u c t i o na f t e rs o l d e r i n ga n dr e d u c i n g w o r k i n gs t r e n g t ha n dr a i s i n gw o r k i n ge l f i c i e n c ya n dg e t t i n gr e a d y f o ra u t o m a t i cs o l d e r i n ga f t e rd i s c a r d i n gp r e s e n tm a n u a lo p e r a t i o n i nt h ef u t u r e m a r k e da n dm a i nf a c t o r sa n dr e l a ti v ep a r a m e t e r s a f f e c ti n g p e e ls t r e n g t h a r ea n a l y z e da n do p t i m iz e df i r s tb a s e do nt h e f a c t o r se x p e r i e n c ea n dm i n i t a bs o f t w a r ei nt h es t u d yb e c a u s ep e e l s t r e n g t h i sam a j o re v a l u a t e dp a r a m e t e rt of p c t s as o l d e r i n g ， t h e nt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so fv i s u a ls h a p ea n ds e ma n de d x a r ed o n eb a s e do n t h er e s u l t a b o v e ，f i n a l l y t h e o p t i m u m p a r a m e t e r si m p a c t i n gp e e ls t r e n g t h v i s u a ls h a p e a r eg o t t h ee x p e r i e n c er e s u l ta n da n a l y s i s s h o wt h em a r k e df a c t o r s a f f e c ti n gp e e ls t r e n g t ha r e1 a s e rc u r r e n t ，n 2p r e s s u r e ，t h et i m e d e l a yb e f o r e1 a s e r - s h i n i n g ，c r o s s a a t i o nb e c a u s eo fn 2p r e s s u r e a n dt h et i m ed e l a ya f t e rl a s e r s h i n i n g ，s u b s t r a t eh e i g h t ，c r o s s a c t i o nb e c a u s eo fn 2p r e s s u r ea n dt h et i m ed e l a y b e f o r el a s e r s h i n i n g 1 a s e r c u r r e n ti s t h er i nt h e m t h em a i nf a c t o r a f f e c ti n gp e e ls t r e n g t h isl a s e rc u r r e n t t h em a i nf a c t o r s a f f e c t i n gs h a p e a n da p p e a r a n c eo f s o l d e r i n gb u m p a r el a s e r c u r r e n t ，n 2p r e s s u r e ，s u b s t r a t eh e i g h t o ft h eb o n d i n gh e a d t h e t i m ed e l a yb e f o r e a n da f t e r l a s e r s h i n i n g a r es e ta s1 0 0 m si n c o n s i d e r a t i o no fw o r k i n gc y c l et i m ea n do t h e rf a c t o r s t h ea v e r a g ev a l u eo fp e e ls t r e n g t ho fs o l d e r i n gb u m pb e t w e e n f p c t s ai s9 2 4 1 0 9g r a ma c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r ， i t ss h a p ea n da p p e a r a n c ea r eb e r t e rt h a no n eo fm a n u a lo p e r a ti o n t h eo p t i m i z e dr e s u l t ：l a s e rc u r r e n t3 2 5 a ，l a s e rp u l s ew i d t h 2 7 m s 。n 2p r e s s u r e2 0 m b a r ，s u b s t r a t eh e i g h t0 6 m m ，t h e t i m ed e l a y b e f o r ea n d 。a f t e rl a s e r - s h i n i n gis1 0 0 m sr e s p e c ti v e l y k e yw o r d s f p c t s al a s e rs o l d e r i n gj e t p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ，il 第一章绪论1 1 1 软钎料焊接方式1 1 2 激光软钎料喷射焊接设备s b 2 一s mj e t 简介2 1 2 1 工作原理2 1 2 2 性能特点3 1 3f p c t s a 及钎料球4 1 3 1 结构和成分5 1 3 2 焊接方式要求6 1 3 3焊点效果要求7 1 4 研究课题提出的依据和目的及意义8 1 4 1 本课题的研究目标8 1 4 2 本课题的研究内容8 1 4 3 本课题的研究意义8 1 4 4 本研究课题的来源8 第二章试验方法9 2 1 设备及材料的准备9 2 2 试验步骤9 2 3 试验设计9 第三章实验结果与分析1 1 3 1 实验结果1 1 3 2 实验分析1 2 3 2 1 影响剥离强度的因素分析1 2 3 2 2 影响焊点形貌的因素分析1 8 3 2 3e d x 分析2 0 3 3 相关检查及测试2 1 3 3 1 防静电测试2 l 3 3 2 洁净度测试2 2 3 4 本章小结2 3 结论2 5 i 华南理工大学工程硕士学位论文 附录3 1f p c 和t s a 焊点s e l l 形貌照片2 6 攻读硕士学位期间发表的论文3 4 致谢3 5 i i 第一章绪论 第一章绪论 现今科学技术发展迅速，日新月异，电脑制造业更是走在发展的前列，激光 技术、软钎料焊接技术在电子制造业正得到大量的应用，新工艺新技术不断涌 现。 目前焊接f p c t s a 主要通过手工电烙铁焊接方式，这种方式在焊接过程中 不仅需要助焊剂，存在产品玷污问题，而且焊点形状不规则，强度也不高，工作 效率低下，费时费力。软钎料焊接技术及设备的发展为解决上述问题提供了条 件。 1 1 软钎料焊接方式 软钎料焊接在电子制造业应用较广，方法也较多。按焊接方式划分，目前主 要有以下三种： 1 ) 液态喷射式 这种方式是将预先熔化的液态钎料通过一个专用喷射装置喷到焊位上，它的 喷射速度比较快，能够满足每秒钟12 0 滴的要求，喷出的液滴直径可做到 2 5 蛐1 2 5 p m ，范围比较大，且喷射位置准，质量也很高。不过，这种设备对钎 料的液态流动性要求高，如果钎料的液态流动性较差，则喷射不顺畅。含铅钎料 能够满足这一要求，无铅钎料比较困难。但是现在随着环境保护的要求，含铅钎 料的使用受到了很大的限制，正逐渐被无铅钎料所替代。 美国m i c r o f a b 技术公司制造的j e t l a b i 卜3 s j 设备就属于这种方式。 2 ) 固态放置式 这种方式是先将钎料球通过真空吸嘴放到焊位上，然后再通过热源( 一般为 激光) 将钎料球熔化，从而实现焊接。它对钎料液态流动性无高要求，但是在照 射过程中，由于激光焦点与需要的照射位置之间存在不稳定误差，故易造成焊点 位置不准和焊点不规则。另外，机器调试维护比较困难，且需要专业人员经常校 准。 日本t d k 公司制造的设备就属于这种方式。 3 ) 综合式 这种方式是先将钎料球通过一个给料装置放置于焊位上方，然后再用激光或 红外线等热源照射将钎料球熔化，熔化的钎料球在惰性气体( 一般为氮气) 压力 华南理工大学工程硕士学位论文 的作用下沿喷嘴喷出，射在焊位上。这种方式对钎料球液态流动性无高要求，且 激光焦点与需要照射位置之间存在的误差比较稳定，所以只要喷嘴对准焊位即可 获得良好的焊点。 德国p a ct e c h 公司制造的s b 2 - s mj e t 设备就属于这种方式。 本研究优化f p c t s a 焊接参数即利用德国p a ct e c h 公司制造的s b 2 一 s mj e t 激光软钎料喷射焊接设备。 1 2 激光软钎料喷射焊接设备s b 2 - s mj e t 简介 1 2 1 工作原理 图卜l 为激光软钎料喷射焊接设备s b 2 一s mj e t 工作原理示意图，分料机构 把钎料球送进焊咀内腔中部，由于钎料球的直径大于焊咀内腔中部尺寸，所以被 架在中间，同时它也堵住了这一位置，使氮气不能通过，随着时间的推移，氮气 压力逐渐升高，当高到设定值时，压力传感器动作，激光器发射激光照射钎料 球，吸收了激光能量的钎料球即刻熔化成为液态，随即被压力氮气喷出，射到被 焊件上从而完成焊接。 从固态钎料球堵住通孔到激光发射这段接通氮气的时间称为激光前时间。从 激光发射到液态钎料球凝固这段接通氮气的时间称为激光后时间。 激光能量的控制可通过改变激光电流大小和激光脉冲宽度来实现，激光电流 以安培计，激光脉冲宽度以毫秒计。 焊咀底部到被焊件垂直距离的显示器坐标值，称为焊咀基本工作高度，它反 映的是焊咀底部到被焊件的垂直距离。 通过设定和改变该设备的6 个控制参数即可实现不同的焊接效果。这6 个 控制参数是：激光电流，激光脉冲宽度，激光前时间，激光后时间，氮气压 力，焊咀基本工作高度。 2 第一章绪论 光学 图1 - 1 工作原理示意图 f i g u r e1 1w o r k i n gp r i n c i p l e 1 2 2 性能特点 激光软钎料喷射焊接设备s b 2 一s mj e t 有以下性能特点： 1 ) 对钎料球逐个放置逐个熔化； 2 ) 可实现无助焊剂下的焊接； 3 ) 直接喷出液态球，不需要专用的工装夹具等辅助； 4 ) 一次成型，不需要额外的焊接； 5 ) 适用的钎料球直径范围较大，从8 0 微米到7 6 0 微米。 6 ) 对钎料合金有很高的适应性 可含铅：如s n p b 合金 可无铅：如s n a g 合金，s n a g c u 合金，s n a u 合金 7 ) 生产能力：5 个球秒 3 华南理工大学工程硕士学位论文 所配激光器系统的主要参数： 该设备配的是固态脉冲y a g 激光器，型号：m b l 5 0 0 2 ，主要参数如下： 波长：1 0 6 4 纳米 激光能量：4 焦( 最大) ( 在1 0 毫秒内) 脉冲频率：达1o h z ( 4 焦时) 稳定性： 5 电源： 2 3 0v ，16a ( 5 0h z ) ( 1 1o v ，3 2a ) ( 6 0n z ) 1 3f p c t s a 及钎料球 f p c 是f l e xp r i n t e dc a b le 的缩写，意思是软印刷线路，t s a 是t s u s p e n s i o na s s e m b l y 的缩写，意思是t 悬浮组件，它们是h s a 的组成部分， h s a 是h i g hs t a c ka s s e m b l y 的缩写，意思是多头组件。见图卜2h s a 中 的f p c t s a 。 图1 2h s a 中的f p c t s a f i g ur e1 - 2 f p c t s ai nh s a 4 第一章绪论 f p c 和t s a 都有一端焊盘，它们之间的焊接就是通过这两个焊盘上下搭接 而后焊接的，本研究优化f p c 和t s a 焊接参数即利用s b 2 一s mj e t 设备把熔化的 钎料球喷射到焊盘上从而把它们连接起来，以实现两者内部线路的导通。所用的 钎料球编号是6 3 s n 3 7 p b ，由激光照射熔化。 1 3 1 结构和成分 1 ) t s a 焊盘 t s a 焊盘结构如图1 - 3 关键孔尺寸：0 1 m m ，0 3 4 m m 金层厚度：1 ( + 1 4 一0 镍层厚度：1 5 ( 1 2 ) 铜层厚度：1 2 微米 覆盖层厚度：1 0 3 2 0 微 绝缘层厚度：1 0 微米 图1 - 3t s a 焊盘结构 f i g u r e1 3 b o n dp a ds t r u c t u r ei nt s a 5 华南理工大学工程硕士学位论文 2 ) f p c 焊盘 f p c 焊盘结构如图1 - 4 焊盘钎料凸点直径：4 0 0 微米 焊盘钎料凸点高度：1 0 0 , - - - - 2 0 0 微米 3 ) 钎料球 编号：6 3 s n 3 7 p b 直径：3 0 0 微米 其物理性能见表1 - 1 表1 - 16 3 s n 3 7 p b 物理性能 熔点拉伸强度伸长率杨氏模量 编号合金成分比重 ( o c )( m p a )( )( g p a ) 2 5 8 6 3 s n 3 7 p bs n - 3 7 p b1 8 35 65 68 4 1 3 2 焊接方式要求 1 ) f p c 和t s a 采用上下定位方式，t s a 在上，f p c 在下，如图1 - 5 所 示。 2 ) 采用综合式焊接 3 ) 整个喷焊过程有氮气保护以免氧化 6 第一章绪论 图1 - 5f p c 和t s a 焊接方式 f i g u r e1 5s o l d e r i n gw a yt of p c t s a 1 3 3 焊点效果要求 1 ) 剥离强度 焊点剥离强度均值应大于3 0 克 2 ) 形貌 焊点形貌应满足： t s a 关键孔应充满钎料； t s a 关键孔处应被钎料全部覆盖，无任何烧伤痕迹： 焊点呈球形，均匀一致，表面无裂纹。 参见图1 - 6 焊点形貌照片 7 华南理工大学工程硕士学位论文 x 2 5 01 0 0 肛a 图1 - 6 焊点形貌照片 f i g u r e1 6s h a p e a p p e a r a n c ep h o t o 1 4 研究课题提出的依据和目的及意义 1 4 1 本课题的研究目标 1 ) 分析影响f p c t s a 焊点剥离强度和形貌的主要因素，优化焊接f p c t s a 的工艺参数，包括：激光电流，激光脉冲宽度，激光前时间，激光后时间， 氮气压力，焊咀基本工作高度等。 2 ) 弄清影响焊点剥离强度和形貌质量的原因和规律。 1 4 2 本课题的研究内容 1 ) 各因素对f p c & t s a 焊点剥离强度和形貌质量影响的试验； 2 ) 焊接界面物相及组织性能分析，包括扫描电子显微镜分析( s e m ) ，生成相 化学组成分析( e d x ) 等。 1 4 3 本课题的研究意义 1 ) 可以实现f p c & t s a 的自动化焊接，减少对产品污染，保证焊接质量和产 品的可靠性，提高生产效率，减轻劳动强度，具有技术先进性和首创性。 2 ) 本课题涉及激光、软钎料、软钎焊、f p c 等高新技术的前沿课题，且软钎 料与软钎焊都有较多的未知有待探讨，具有很高的学术价值和应用价值。 1 4 4 本研究课题的来源 某公司hs a 开发制造项目。 8 第二章试验方法 第二章试验方法 在参考大量国内外软钎料焊接技术及应用等文献的基础上，结合目前工厂实 际操作的具体情况，实验分析激光电流、激光脉冲宽度、激光前时间、激光后时 间、氮气压力、焊嘴基本工作高度等因素对f p c t s a 焊点剥离强度和形貌的 影响，并优化其参数值。 2 1 设备及材料的准备 材料 设备 环境 夹具 干净的f p c t s a 钎料球s n 6 3 p b 3 7 s b 2 - s mj e t 设备 c l a s s1 0 0 无尘室 干净的f p c t s a 固定夹具 2 2 试验步骤 1 ) 遵照s b 2s mj e t 操作手册，首先测定、调整焊咀基本工作高度及其 它位置，然后装入钎料球s n 6 3 p b 3 7 ，接上氮气； 2 ) 将f p c t s a 上下搭接固定在夹具上，然后一同放进s b 2 一s dl e t 机器 内 3 ) 设定焊接参数，如激光电流，氮气压力等； 4 ) 开机焊接。 注意：在整侗遇程中，操用者确保戴上燕粉麈的腮手套，防止污染 2 3 试验设计 因为各因素对焊接效果不仅存在单独作用而且还存在共同作用，所以，根据 相似项目的经验和s b 2 - s mj e t 设备需要控制的参数，取2 个水平6 个因素做 f p c 和t s a 焊接的因子实验，通过因子实验再优化因素参数值。表2 - 1 为因素 水平表，它列出了各因素高低两水平的数值，表2 2 为因子实验表。 表2 1 因素水平表 t a b l e2 1f a c t o r - 1 e v e lf o r m 激光电流激光脉冲宽基本工作高氮气压力激光前时间激光后时间 因素 ( a ) 度( i l l s )度( 衄) ( m b a r ) ( m s ) ( m s ) 低水平 3 01 50 51 5 5 0 5 0 高水平 3 52 70 83 03 0 03 0 0 9 华南理工大学工程硕士学位论文 表2 - 2 因子实验表 t a b l e2 2f a c t o re x p e r i e n c ef o r m 实验随机 中心点 区基本工作 氮气压力 激光前时间激光后时间激光电流激光脉冲宽 剥离 序号序号组高度( m i l l )( m b a r )( m s )( m s )( a ) 度( m s ) 强度 ( g ) 12llo 81 5 5 0 5 03 02 7 23 301o 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 1 38l1o 83 0 3 0 0 5 03 0 2 7 41 91l0 53 05 05 03 51 5 52 2110 81 53 0 05 03 52 7 62 3110 53 03 0 05 03 52 7 72 9ll0 51 53 0 03 0 03 52 7 89110 51 55 03 0 03 02 7 93 l11o 53 03 0 03 0 03 51 5 1 02 6110 81 55 03 0 03 52 7 1 11 6l1o 83 03 0 03 0 03 01 5 1 23 7 01 0 6 52 2 51 7 51 7 53 2 5 2 1 1 3 2 7 11 0 5 3 0 5 0 3 0 0 3 5 2 7 1 41 4 l1 0 8 1 5 3 0 0 3 0 0 3 0 2 7 1 54ll0 83 05 05 03 01 5 1 63 6o1o 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 l 1 751l0 51 53 0 05 03 02 7 1 82 4llo 83 03 0 05 03 51 5 1 931l0 53 05 05 03 02 7 2 01 31lo 51 53 0 03 0 03 01 5 2 11 5ll o 5 3 03 0 03 0 03 0 2 7 2 27l1o 53 03 0 05 03 01 5 2 33 8 01o 6 5 2 2 5 1 7 5 1 7 53 2 5 2 1 2 43 0l1o 81 53 0 03 0 03 51 5 2 5 1 71lo 51 55 05 03 52 7 2 63 50l0 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 l 2 7ll1lo 53 05 03 0 03 01 5 2 811lo 51 55 05 03 01 5 2 96l10 81 53 0 05 03 01 5 3 01 0110 81 55 03 0 03 01 5 3 l3 2110 8 3 0 3 0 03 0 03 5 2 7 3 2 2 0l 1 o 83 05 0 5 0 3 52 7 3 3 2 81 l 0 83 05 0 3 0 03 51 5 3 4 2 11lo 51 53 0 0 5 0 3 51 5 3 5 3 40lo 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 l 3 6 2 5ll0 51 55 03 0 03 51 5 3 7 1 8l10 81 55 05 03 51 5 3 81 21lo 83 05 03 0 03 02 7 共3 8 种组合实验。 1 0 第三章实验结果与分析 第三章实验结果与分析 3 1 实验结果 实验结果包括剥离强度数据、焊点形貌照片、界面组织形貌照片、生成相化 学组成分析。焊点剥离强度数据和焊点形貌照片分别见表3 - 1 和附图3 1 。 表3 - 1 焊点剥离强度数据 t a b l e3 一lp e e ls t r e n g t hd a t a 实验 随机 中 基本工氮气压 激光前激光后 激光激光脉剥离强剥离强度 心 区 作高度力时间时间电流冲宽度剥离强度实验值( g )度均值标准偏差 序号 序号组 点( m m ) m b a r )( m s )( m s )( a )( m s ) ( g )( g ) 12ll0 81 55 05 03 0 2 71 4 l11 61 5 39 81 2 7 02 4 7 23 30l0 6 52 2 51 7 51 7 53 2 5 2 11 11l1 2 5 8 3 27 8 33 9 8 38110 83 03 0 05 03 02 71 6 9 1 6 31 1 37 41 2 9 84 4 9 41 9l10 53 05 05 03 51 54 74 27 46 05 5 81 4 3 5 2 2ll0 81 53 0 05 03 52 77 57 87 57 97 6 82 1 62 31l0 53 0 3 0 05 03 52 77 08 88 51 0 38 6 51 3 5 72 9110 51 53 0 03 0 0 3 52 77 37 76 29 67 7 01 4 2 89ll0 51 55 03 0 03 02 72 0 01 5 11 7 92 0 9 1 8 4 82 5 8 93 1l10 53 03 0 03 0 03 51 51 0 26 l3 96 56 6 8 2 6 1 1 02 6l1o 81 55 03 0 03 52 76 76 67 17 36 9 33 3 1 11 6l lo 8 3 03 0 03 0 03 01 51 4 35 49 1l1 71 0 1 33 8 0 1 23 70lo 6 5 2 2 51 7 51 7 5 3 2 5 2 11 0 39 37 06 58 2 81 8 2 1 32 7110 53 05 03 0 03 52 72 33 12 5 3 l2 7 54 1 1 41 4l1o 81 53 0 03 0 03 02 71 6 81 6 9 1 5 4 1 3 91 5 7 5 1 4 1 1 541lo 83 05 05 03 01 51 2 35 l11 707 2 85 8 4 1 63 60l0 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 11 3 56 51 2 85 79 6 34 0 9 1 75110 51 53 0 05 03 02 71 7 04 71 6 9 1 6 61 3 8 o6 0 7 1 82 4ll0 83 03 0 05 0 3 51 5 1 0 96 0 4 63 46 2 33 2 9 1 93l1o 53 05 05 03 02 71 3 56 8 1 4 71 4 51 2 3 83 7 5 2 01 31l0 51 53 0 03 0 03 01 52 3 9 2 0 301 4 61 4 7 01 0 5 2 2 11 51l0 53 03 0 03 0 03 02 71 5 3 1 3 5 1 2 51 3 91 3 8 011 6 2 271lo 53 03 0 05 03 01 51 7 52 4 03 59 81 3 7 08 9 4 2 33 8010 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 1 9 27 26 54 3 6 8 0 2 0 2 2 43 0ll0 81 53 0 03 0 03 51 56 56 05 75 65 9 5 4 0 2 51 7ll0 51 55 05 03 52 711 24 63 18 76 9 03 7 2 2 6 3 50 l0 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 11 5 68 48 06 59 6 34 0 7 2 7 11 l10 53 05 03 0 03 01 55 601 6 87 07 3 56 9 9 2 8 1ll0 51 55 05 03 01 5 o 02 1 21 9 2 1 0 1 0l1 6 9 2 96llo 81 53 0 05 03 01 57 12 3 11 6 11 3 71 5 0 o 6 6 1 3 01 0110 81 55 03 0 03 01 51 8 2 1 6 1 1 8 001 3 0 88 7 7 华南理工大学工程硕士学位论文 3 13 211o 83 03 0 0 3 0 03 52 73 42 3 2 1 6 73 6 32 1 3 3 22 01lo 83 05 0 5 03 5 2 7 7 13 53 74 64 7 31 6 5 3 3 2 8llo 83 05 03 0 03 51 54 02 37 893 7 52 9 8 3 42 1l1o 51 53 0 05 03 51 56 16 86 97 2 6 7 5 4 7 3 53 40l0 6 52 2 51 7 51 7 53 2 52 111 79 77 76 9 9 0 021 5 3 62 5l10 51 55 03 0 0 3 5 1 5 8 61 0 87 29 28 9 51 4 9 3 7 1 8 l l0 81 55 05 03 51 56 13 95 26 05 3 o1 0 2 3 81 21l0 83 0 5 03 0 03 02 72 l7 71 0 75 46 4 83 6 4 共3 8 种组合实验，每一组合做4 次。 3 2 实验分析 因为剥离强度是焊接的主要指标，所以首先进行焊点剥离强度分析，在此基 础上再根据形貌进一步优化，最后得出优化结果。 3 2 1 影响剥离强度的因素分析 在下面的优化分析中，用剥离强度均值和剥离强度标准偏差两种表示方法分 别表示剥离强度。取显著性水平0 = o 0 5 ，接受0 假设的概率p o 0 5 。用a 代 表因素激光电流，b 代表因素激光脉冲宽度，c 代表因素基本工作高度，d 代表 因素氮气压力，e 代表因素激光前时间，f 代表因素激光后时间。 3 2 1 1 影响剥离强度效果显著因素分析 1 )影响剥离强度均值效果显著因素分析 根据实验得到的剥离强度结果，运用m i n i t a b 分析工具可得图3 - 1 影响剥 离强度均值效果显著因素a n o v a 柏拉图，响应是剥离强度均值。图中虚线是显 著性水平线，超过显著性水平线的因素是效果显著因素。 从图3 1 中可以看出，影响剥离强度均值的效果显著因素有： a ：激光电流 d ：氮气压力 e ：激光前时间 d f ：氮气压力和激光照射后的时间两因素共同作用。 c ：基本工作高度 d e ：氮气压力和激光照射前的时间两因素的共同作用 1 2 第三章实验结果与分析 图3 - 1 剥离强度均值a n o v a 柏拉图 f i g u r e3 1p a r e t oc h a r to fa v e r a g eo fp e e ls t r e n g t h 它们影响的强弱顺序如箭头示： aded fcd e 2 ) 影响剥离强度标准偏差效果显著因素分析 同样，根据实验得到的剥离强度结果，运用m i n i t a b 分析工具可得图3 2 影响剥离强度标准偏差效果显著因素a n o v a 柏拉图，响应是剥离强度标准偏 差。图中虚线是显著性水平线，超过显著性水平线的因素是效果显著因素。 从图3 - 2 中可看出，影响剥离强度标准偏差的效果显著因素有： a ：激光电流 b ：激光脉冲宽度 a b ：激光电流和激光脉冲两因素的共同作用 a b d ：激光电流，激光脉冲和氮气压力三因素共同作用 a d ：激光电流和氮气压力两因素的共同作用 c d ：基本工作高度和氮气压力两因素的共同作用 1 3 华南理工大学工程硕士学位论文 图3 - 2剥离强度标准偏差a n o v a 柏拉图 f i g u r e3 - 2p a r e t oc h a r to fs t do fp e e ls t r e n g t h 它们影响的强弱顺序如箭头示： aba b a dc da b d 小结： 在诸多因素中，影响剥离强度效果显著的因素有： 按剥离强度均值：a ded fcd e 它们影响强弱顺序如箭头示。 按剥离强度标准偏差：a ba ba d c d a b d 它们影响强弱顺序如箭头示。 3 2 1 2 影响剥离强度主要因素分析 1 ) 影响剥离强度均值主要因素分析 根据实验结果，用m i n i t a b 的主效果图表达方式，可得图3 3 影响剥离强 度均值因素主效果图，图中的两个端点代表剥离强度均值在各因素高低水平的平 均值，中间点代表剥离强度均值在各因素中间水平的平均值。 1 4 第三章实验结果与分析 ，_ 、 v 趔 露 毯 矮 键 丽 石 激光电激光脉冲工作基本高氮气压力激光前时激光后时 流( a )宽度( 曩s ) 度( m m ) ( m b a r ) 间( m s )间( i s ) i了f 孑- 弋7 零奇零蕊奄念粤毋守零心冬每奄冬每 图3 - 3按剥离强度均值主效果图 f i g u r e3 - 3m a i ne f f e c tp l o to fp e e ls t r e n g t ha v e r a g e 从图中可以明显看出，激光电流变化引起的剥离强度均值变化是最大的，所 以，在影响剥离强度均值因素中，激光电流是影响剥离强度最主要的因素。 2 ) 影响剥离强度标准偏差主要因素分析 v j | | l j g 姑 瓣 魁 暖 韫 磊 激光电流激光脉冲工作基本氮气压力激光前激光后 宽度高度时间时间 ( a )( - s )( _ m ) ( m b a r )( _ s )( - s ) l气气i 1 i r 一 、 p 零守毋匙奄奄粤粤毋痧毋奄冬母窍冬毋 图3 - 4按剥离强度标准偏差主效果图 3 4m a i ne f f e c tp l o to fp e e ls t r e n g t hs t d 1 5 墨 为 为 为 幅 华南理工大学工程硕士学位论文 同样，根据实验结果，用m i n i t a b 的主效果图表达方式，可得图3 - 4 影响 剥离强度标准偏差因素主效果图，图中的两个端点代表剥离强度标准偏差在各因 素高低水平的平均值，中间点代表剥离强度标准偏差在各因素中间水平的平均 值。 从图中可以看出，在影响剥离强度标准偏差因素中，激光电流是影响剥离强 度的主要因素。 小结： 在影响剥离强度因素中，主要因素为： 按剥离强度均值：因素a ，即激光电流。 按剥离强度标准偏差：因素a ，即激光电流。 3 2 1 3 各因素对剥离强度影响的优化模拟 利用m i n i t a b 工具的效应优化模拟器，模拟各因素对剥离强度的影响，图 3 5 为各因素对剥离强度影响的模拟结果。 水平 激光电流激光脉冲宽度工作基本高度氮气压力激光前时间激光后时间 3 5 o2 7 00 8 d3 0 03 0 0 03 0 断0 】c 2 7 0 l , 6 0 】f 2 0 0 】 【i o o 0 1【1 0 0 0 】 3 0 01 5 d0 5 01 5 d卯05 0 0 p e e l e v e r 。 二h 。 。 ，o m i n i m u m y ：- 2 4 1 0 1 r p e e l 1 t l 、 。 、i m i n i m u m y ：i i 2 1 1 、 ：= i l 。 夕 注：各物理量单位同前y = 9 2 4 1 0 9 克为剥离强度均值，y = 3 3 2 8 8 克为剥离强度标准偏差 图3 - 5 各因素对剥离强度影响的模拟结果 f i g u r e 3 5s i m u l a t i o nf o re a c hf a c t o rt oa f f e c tp e e ls t r e n g t h 1 6 第三章实验结果与分析 通过前面效果显著因素和主要因素的分析，我们知道激光电流对f p c 和t s a 的焊接剥离强度影响最强。根据焊点形貌知道，激光电流偏大易造成周围组织轻 微烧伤，偏小易造成焊接不充分；氮气压力偏大易造成焊点偏斜，氮气压力偏 小，易造成焊点被氧化。所以，在进行优化模拟时要兼顾这个方面。 从图3 - 5 中可看出，当剥离强度均值达到9 2 4 1 0 9 克、标准偏差达到 2 4 4 8 3 0 克时，激光电流为3 2 5 a ，为高低两水平的平均值，激光脉冲宽度为 2 7 毫秒，为高水平值，其它因素参数见表3 - 2 的6 个参数优化值，这些参数既 考虑了剥离强度的要求也兼顾了焊点形貌的要求。 表3 26 个参数优化值 t a b l e3 2s i xo p t i m i z e dp a r a m e t e rv a l u e s 激光电流激光脉冲工作基本氮气压力激光前 激光后 ( a ) 宽度高度 ( m b a r ) 时间时间 ( m s )( m m ) ( m s )( m s ) 3 2 5 2 7 0 62 0 10 010 0 3 2 1 4 剥离强度标准偏差比较 图3 - 6 和图3 - 7 分别是经参数优化后s b 2 - s mj e t 机器喷射焊接得 到的剥离强度分布图和经手工焊接得到的剥离强度分布图。 图3 - 6 参数优化后机器喷射焊接剥离强度分布图 f i g u r e3 - 6p e e ls t r e n g t hd i s t r i b u t i o na f t e ro p t i m i z a t i o n 1 7 华南理工大学工程硕士学位论文 6 鹁1 7 1 5 3 四 为 6 1 t r ( g ) 图3 - 7 手工焊接剥离强度分布图 f i g u r e3 7p e e ls t r e n g t hd is t r i b u t i o nb ym a n u a l 由图3 6 分布图可知，经s b 2 - s mj e t 机器喷射焊接，剥离强度标准偏差 为3 3 2 8 8 克，而由图3 7 分布图可知，经手工焊接，剥离强