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激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究中文摘要 激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 中文摘要 自2 0 世纪6 0 年代以来激光加工的类型不断发展完善，现已形成激光加工的十几种 应用工艺。由于激光加工技术与传统加工工艺相比有着许多无可比拟的优越性，所以 激光加工技术已得到了越来越广泛的应用。其独特的优点为：可局部加热，元件不易 产生热损伤；非接触式加热；重复操作稳定性佳；j n - r 灵活性好；易实现多工位装置 自动化等。在微电子行业这一领域中已被成功应用。 在国外，激光焊接的应用已极为普遍，几乎涉及到各个工业领域。在国内，激光 焊接工艺正从实验室逐步应用于工业生产，并完成了许多具有较高水平的激光焊接工 艺研究课题，使我国激光焊接的应用向前迈进了重要的一步。激光焊接作为一种特殊 焊接工艺，正逐渐被人们所认识和使用。， 正由于激光焊接的优越特性，本课题旨在l c m 软板焊接工艺中导入激光加工方 式，并研究激光加工的稳定性、对于电性导通的影响以及适当的软板设计参数，使用 新的激光焊接方式，来取代原本的接触式加热焊接，以提升f p c 软板焊接的效率与品 质。 本课题开发过程中，针对以下方面进行了研究： 1 、分析国内外激光焊接的研究与应用进展，以及激光的原理与激光加工的特 点。 2 、针对f p c 软板激光焊接制程进行了工作原理阐述 3 、运用统计学对激光焊接能力进行了分布状态以及数据变异分析，建立了激光 焊接设备加工能力的统计衡量方法 4 、 构建导通特性分析的3 因子3 水准的实验模型，并构建运用方差分析工具进行 导通特性组间差异分析的方法。 5 、构建3 因子3 水准的实验方法模型，进行焊接拉力值最优预测分析 6 、构建2 因子4 水准的实验方法模型j 运用m i n i t a b 软件采用交互作用法模型以 中文摘要激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 及响应曲面法模型进行数据的线性拟合分析，并最终使用响应曲面法模型找 出f p c 软板参数最优设计的回归方程式 通过实验设计结果的分析，找出影响焊接品质的关键设计因子f p c 锡厚与通孔孔 径的最佳参数为：f p c 锡厚为0 3 5 r a m ，通孔内径大小为l m m 。在此条件下，激光焊接 软板的拉力值均超过3 n 。在应用激光作为f p c 软板焊接的方式时，可将这些参数作为 最佳的制程设定。 关键词：激光，激光加工技术，实验设计方法，f p c 软板焊接 i i 作者：申永刚 指导教师：郭旭红 蔓鲨塑坚塑堕望堑璺型型螋星圭箜堕茎 茎奎塑要 。o 。o _ _ _ 。- _ _ _ 。- _ _ _ _ i - _ _ _ - _ - _ 。- _ - - - _ i - _ _ _ _ - 。_ _ - _ _ 。，_ o _ o - _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ - - - _ - 一 ， s t u d yo n l a s e r t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o no ff p c s o l d e r i n g a b s t r a c t s i n c et h e19 6 0 st h et y p eo fl a s e rp r o c e s s i n gh a sb e e nc o n s t a n t l y d e v e l o p e da n d i m p r o v e d ，a n dn o wo v e rt e nt y p e so ft h el a s e rp r o c e s s i n go fa p p l i c a t i o n sh a db e e n d e v e l o p e d t h el a s e r p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g yh a sm a n yi n c o m p a r a b l es u p e r i o r i t ys ol a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n m o r ew i d e l yu s e d i t su n i q u ea d v a n t a g e si s ：l o c a lh e a t i n ga n de l e m e n tn o tp r o d u c eh e a t i n j u r y ；n o n - c o n t a c t h e a t i n g ；e x c e l l e n ts t a b i l i t yo fr e p e a to p e r a t i o n a l ；p r o c e s s i n gf l e x i b i l i t y b e t t e r ；m u l t i p o s i t i o ne a s i l yt ob ea c h i e v e d ，s u c ha st h ei n s t a l l a t i o no fa u t o m a t e d i th 嬲 b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i c a t e di nt h em i c r o e l e c t r o n i c si n d u s t r ya r e a i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，l a s e rw e l d i n ga p p l i c a t i o n sa r ev e r yc o m m o n ，i n v o l v i n ga l m o s t e v e r yi n d u s t r i a lf i e l d i nt h ec o u n t r y ，l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yf r o mt h el a b o r a t o r ya r e g r a d u a l l ya p p l i e dt oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，m a n yh i g h e rl e v e lo fl a s e rw e l d i n gt e c h n 0 1 0 9 y r e s e a r c ht o p i c sh a v eb e e nc o m p l e t e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fl a s e r w e l d i n gf o r w a r da n i m p o r t a n ts t e p l a s e rw e l d i n gi sas p e c i a lw e l d i n gt e c h n o l o g y ，i s g r a d u a l l yb e i n g r e c o g n i z e da n du s e d b e c a u s eo ft h es u p e r i o r i t yo fl a s e rw e l d i n g ，t h i ss u b j e c ti s p u r p o s et oi m p o r tl a s e r p r o c e s s i n gt ot h ef p cw e l d i n gp r o c e s so fl c m ，a n ds t u d yo nt h el a s e rp r o c e s s s t a b i l i t y i t s e f f e c t n e s so nt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i o no ff l e x i b l ep r i n t e db o r a da n dt h ea p p r o p r i a t e d e s i g n p a r a m e t e r so ff l e x i b l ep r i n t e db o a r d u s e i n go fn e wl a s e rw e l d i n g p r o c e s s st or e p l a c et h e o r i g i n a lc o n t a c th e a t i n gw e l d i n g ，a n di t sp u r p o s ei st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f f p cw e l d i n g i nt l l ep r o c e s so f d e v e l o p i n gt h i si s s u e ，i nv i e wo ft h ef o l l o w i n gw e r es t u d i e d ： 1 l a s e rw e l d i n gd e v e l o p i n go fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h & a p p l i c a t i o n t h e p r i n c i p l eo fl a s e ra n dt h ef u t u r eo fl a s e rp r o c e s s i n g 2 w o r k i n gp r i n c i p l ed e s c r i p t i o no ff p cl a s e rw e l d i n gp r o c e s s i n g 3 i t su s eo fs t a t i s t i c st od od i s t r i b u t i o na n dv a r i a b i l i t ya n a l y s i sa b o u tc a p a b i l i t yo f l a s e rw e l d i n g ，a n de s t a b l i s h e ds t a t i s t i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rt h ep r o c e s s i n g c a p a b i l i t yo fl a s e rw e l d i n ge q u i p m e n t i i i 英文摘要激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 4 c o n s t r u c t e dt l l e3 - 3s t a n d a r dm o d e lo fc o n d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s ，a n d b u i l d e dm e t h o do fu s i n gv a r i a n c ea n a l y s i st o o l st od od i f f e r e n c eg r o u pa n a l y s i sf o r c o n d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 5 c o n s t r u c t e dt h es t a n d a r dm o d e lo ft h e3 - 3e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，a n dp r o c e s s e s d b e s tv a l u ep r e d i c t i o na n a l y s i so fw e l d i n gr a l l y 6 b u i l d e d2 - 4s t a n d a r dm o d e lo ft h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d ，u s i n gm i n i t a bs o f t w a r e b yt h ei n t e r a c t i o nm o d e la n dr e s p o n s es u r f a c em o d e lt od od a t aa n a l y s i so ft h el i n e a r r e g r e s s i o n ，a n df i n a l l yu s e dr e s p o n s es u r f a c em o d e li d e n t i f yt h er e g r e s s i o ne q u a t i o no f f p co p t i m a ld e s i g np a r a m e t e r s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld e s i g nt oi d e n t i f yk e yi m p a c to nt h eq u a l i t yo f w e l d i n gd e s i g nf a c t o ra n dt h eb e s tp a r a m e t e r so ff p cs nt h i n c k n e s sa n dt h r o u g hh o l e d i a m e t e r ：f p cs nt h i c k n e s si s0 3 5m l t l ，t h r o u g hh o l ed i a m e t e ri slm m u n d e rt h e s e c o n d i t i o n s ，l a s e rw e l d i n gr a l l yv a l u eo ff p ci s m o r gt h a n3 n a sa p p l y i n go fl a s e r w e l d i n gm e t h o d t od of p c w e l d ，t h e s ep a r a m e t e r sc a nb eb e s tp r o c e s ss e t t i n g k e yw o r d s ：l a s e r , l a s e rm a n u a f a c t u r et e c h n o l o g y , d o e ，f p cs o l d e r i n g i v w r i t t e n b y s u p e r v i s e db y s h e ny o n g g a n g g u ox u h o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：聋查型日 学位论文使用授权声明 期：汩8 一j 。2 工 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 日 日 期：洳8 寸一乙乙 激光加工技术淼f p c 软板焊接应用上的研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光加工技术概述 自2 0 世纪6 0 年代第一台激光器闯世以来，激光加工的类型不断发展完善，现已形 成激光打标、激光切割、激光焊接、激光打孔、激光表面热处理、激光熔覆、激光快 速成型、激光强化、激光微制造等十几种应用工艺。激光加工从电子芯片到轿车、飞 机和船舶的生产制造都是不可或缺的重要工具。它与传统的加工方法相比，是无接触、 无作用力、热影响小、清洁和可进一些面内加工的一种加工方法。利用电脑编程与激 光加工设备紧密结合，缀容易实现数字化控制，当之无愧被誉为“万熊的鸯n ：n 7 - 具”。 现在一般的激光加工都采用了多项先进技术，多功能集成度高、实用性强、自动化程 度嵩、操俸简单、结果直观。可用于各种零件的激光表甏处理、各种材料的激光切割、 激光焊接、多种字体的汉字及西文字符的刻、切。加工过程中可实现动态同步跟踪显 示。具有程序错误璺动诊断、限位保护等功能。 激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出2 0 多种激光加工技术。 激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、影状、尺寸和加工环境的 自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构 成高效鱼动化加工设备，己成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成 本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、 激光焊接技术、激光打标技术、激光快速戒形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技 术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、 激光热处理和表面处理技术。 2 0 世纪以来，微电子工业得到迅猛发展，传统加工工艺已难以满足现代微电子工 艺的要求。由于激光加工技术与传统加工工艺榴沈有着许多无可比拟的优越性，所以 激光加工技术在微电子工艺中已得到了越来越广泛的应用，并取得了良好的技术经济 效果。激光加工技术在微电子王艺应用有很多的优越性； ( 1 ) 由于激光是无接触加工，并且其能量及移动速度均可调，因此可以实现多 种精密加王； 第一章绪论 激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 ( 2 ) 可以对多种金属、非金属加工，特别是加工为电子工业中的高硬度、高脆 性以及高熔点的材料 ( 3 ) 激光加工过程中，激光束能量密度高；加工速度快，并且是局部加工，因 此，其热影响区域小，工件热变形小，后续加工量小： ( 4 ) 由于激光束易于导向、聚焦，实现个方向变幻，极易与数控系统配合，因 此它是一种极为灵活的加工方法； ( 5 ) 生产效率高，加工质量稳定可靠、经济效益好。 1 2 激光 j n - r 技术在焊接领域的应用 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。2 0 世纪7 0 年代主要用于焊 接，材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通 过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数， 使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精 密焊接中。高功率c 0 2 及高功率y a g 激光器的出现以及光纤传输技术的完善，开辟 了激光焊接的新领域。其在机械、汽车、钢铁、微电子行业等领域的应用越来越广与 其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是： 1 、速度快、深度大、变形小。 2 、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁 场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻 璃或对光束透明的材料进行焊接。 3 、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4 、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5 ：1 ，最高可 达1 0 ：1 。 5 、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应 用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 。 6 、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其 是近几年来，在y a g 激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获 得了更为广泛的推广和应用。 7 、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工， 2 激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究第一章绪论 为更精密的焊接提供了条件。 1 3 激光焊接技术的发展现状 1 3 1 国外的发展现状 在国外，激光焊接的应用己极为普遍，几乎涉及到各个工业领域，仅以汽车工业 为例，据国外专家预测，汽车零件中有5 0 以上可以用激光加工，除激光切割、打孔 外，激光焊接占4 0 ，8 0 年代以来，国外激光焊接设备的年增长率为2 5 以上。 美国福特汽车公司，用4 7 k wc 0 2 激光焊接车轮轮盘钢圈，钢圈厚l m m ，焊接 速度为2 5 c m m i n 。该公司还采用6 k w 激光系统建成汽车底盘自动化生产线，整条生 产线用电子计算机控制，只需一名操作工人。 美国阿符科公司研制的h p l 型工业用c 0 2 激光焊接机工率为1 5 k w , 用于焊接汽 车转动组件的两个齿轮，焊接时间为1 s ，同心度控制在0 0 5 m m 之内，每小时可焊1 0 0 0 多个。 日本东芝公司月产彩色显像管5 5 万只，其中6 4 用有光导纤维的y a g 激光焊 接，激光输出功率为4 0 w 一个脉冲激光分为2 - - - 4 个光点，最多可分为1 0 个光点，光 导纤维长1 0 0 m ，直径为0 4 m m ，工作效率比传统焊接方法提高4 倍。 西德大众汽车公司，用c 0 2 激光焊接轿车底板，在梯森a u d i 底板拼焊线上，焊 线全自动化，配有焊缝监控系统，焊缝长1 9 5 0 m m ，板厚0 9 m m ，热影响区l m m ，焊缝光 亮平整，焊缝强度好于母材，焊接单间时间为2 0 s 。 在微电子元件的焊接应用方面，国外也已进行了大量的研究，并已广泛用于实际 生产中。激光已可用于集成电路导线、晶体管的接点、薄膜和厚膜器件引线等焊接， 焊接效果良好，函电寿命可达2 0 年以上。用红宝石激光已成功地焊接了直径为 0 0 1 7 r a m 的金属导线，如铂、银、钯和铍铜等通常难以焊接的导线。 2 0 世纪8 0 年代末，美国f l o r o d 公司专门生产用于为电子工业的激光焊接机，该 机具有下列优点： ( 1 ) 容易实现自动化操作； ( 2 ) 可在真空或惰性气体保护环境中进行焊接； ( 3 ) 焊接热影响可减到最小。 该机使用长脉冲n d ：y a g 激光器，重复频率为10 h z ，由h e - n e ( 氦氖) 激光束引导 1 第一章绪论 激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 n d ：y a g 激光束，光斑直径为1 2 - 2 5 0 u m ，适用予所有可焊接金属，包括不相似的难焊 金属。 1 3 2 国内的发展现状 譬蓠藿内激光焊接工艺，正扶实验室逐步应用予工救生产，在“七五期闯，又 完成了许多联齿轮激光焊接、热轧硅钢片焊接、双金属锯条焊接及电容壳体激光焊接 等一批具有较高水平麴激光焊接工艺研究课题，使我国激光焊接的应用向前迈进了重 要的_ 步。 华中理工大学和上海光机所，应用国产大功率c 0 2 激光加工设备，成功地进行 了齿轮的深熔焊接，激光输出功率为2 - 5 k w 焊接深度为4 r a m ，焊接宽深比为2 ：l ， 焊接速度5 0 m m s ，焊躁硬度离子木材，此项研究的应震前景分广阔。 上海光机所完成了“七五”激光加工工艺课题热轧硅钢片的焊接。硅钢片是 电视生产中的核心材料，生产中需要冲压成各种形状的磁芯，为了满足自动化冲床的 要求，提高生产效率，需要把热轧板材焊成卷材，上海光机所使用1 0 0 0 wc 0 2 激光 焊接机，焊接厚0 5 r a m 、宽l m 的硅钢片，焊缝的机械性能与母材相同，在冲压过程 中无裂纹、吴脆断，即便剪阴在焊缝上，也可保证磁芯的质量。 中科院长春光机所完成了金属手锯条的激光焊接工艺课题。西前国内生产的手锯 条都是采用t 1 0 a 高碳钢，切削性能较差，使用过程中容易这段，双金属锯条齿部采 用高速钢，背部采用弹簧钢，体现了好钢用在刀刃上的特点，使用寿命比目前的手锯 条提高5 倍以上。国外的双金属焊接是采用电子束焊，工艺复杂、能耗大、成本高， 采用激光焊接无疑是一种更理想的焊接方法。双金属锯条的焊接采用c 0 2 激光器， 输出功率7 0 0 w ，焊接速度2 耐m i n ，焊后经高温回火，焊缝的剪切强度为6 0 0 m p a ，完全 可以达到电子束焊接的质量。 哈尔滨工业大学研制了一种用于航空航天的新型复合型铝合金材料，到目前为 止，还没有一种焊接方法能够对这种材料进行焊接，英勇4 0 0 wy a g 激光器进行焊 接实验，受到了较好的效果，目前此项实验仍在进行中。 另外，我国还进行了一些难熔金属的焊接，如钨、钼、钽等，这些金属的熔点都 在2 6 0 0 摄氏度以上，用传统的焊接方法成品率低且质量不能保证，用激光焊接不禁 工艺简单，而且成品率均在9 8 以上。对熔点温度相差很大的两种不同金属进行激光 4 激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 第一章绪论 焊接，例如铜和铁、铜和金、铁和钼、镍和铂等，都可收到很好的效果。激光焊接作 为一种特殊焊接工艺，正逐渐被人们所认识和使用。 1 4 激光技术的原理 1 4 1 自发辐射与受激辐射 激光加工全称：受激辐射的光放大( l i g h t a m p l i f i c a t i o nb y s t i m u l a t e d e m i s s i o n ) 自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级 跃迁，同时辐射出一光子。l m = e 2 e 1 。设发光物质单位体积中处于能级e 1 ，e 2 的原 子数分别为n 1 ，n 2 ，则单位时间内从e 2 向e 1 自发辐射的原子数为a 2 1 为自发辐 射概率( 自发跃迁率) ：表示一个原子在单位时间内从e 2 自发辐射到e 1 的概率。处 于高能级e 2 上的原子，受到能量为h n = e 2 e 1 的外来光子的激励，由高能级e 2 受迫 跃迁到低能级e 1 ，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。称为受激辐射。w 2 1 为 表示一个原子在单位时间内从e 2 受激辐射跃迁到e 1 的概率 1 4 2 粒子数反转 受激吸收与e 1 的原子数n 1 成正比，受激辐射与e 2 的原子数n 2 成正比。当 n 2 ( n 1 时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不可能实现光放大的要实现光放 大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布，使n 2 n 1 。我们 称体系的这种状态为粒子数反转( 或“负温度 体系) 。所以，产生激光的首要条件是 实现粒子数反转。 能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。要造成粒子数反转分布，首先要求介 质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。供给低能态的原子以能量， 促使它们跃迁到高能态去的过程称为抽运过程 1 4 3 光学谐振腔 在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大 于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。 光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一 个是全反射镜，另一个是部分反射镜。在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方 式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。这时产生受 第一章绪论激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复 通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率 的光得到放大，这个过程称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴 向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射这种 受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。 1 5 激光器的种类 按照激光产生的原理不同，激光器分为以下几种： c 0 2 气体激光器 固体激光器 半导体激光器 光纤激光器 1 6 激光焊接工艺方法 激光钎焊。 激光钎焊是以激光作为加热源，辐射加热焊盘，通过焊料向基板传热，当温度达 到钎焊温度时，焊料熔化，基板焊盘润湿，形成焊点。 有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎 焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于 印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软钎焊与其它方式相比 有以下优点： 1 、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附 近施行软钎焊。 2 、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双 面元件装备后加工。 3 、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易 于控制，激光钎焊成品率0 。 4 、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行 时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。 6 第一章绪论 。 激必热工技术强f p c 软板烬接应用土的研究 s n 。a g - c u 系无铅钎料的熔点为2 1 7 ( 固相线) ，l l s n p b 钎料的熔点( 1 8 3 ) 高3 4 。c ，且润 湿性不如s n - p b 钎料，这些闯题也进一步加剧印刷电路板焊接制程的品质闫题。使用 传统的热压焊接方式，容易出现空焊与溢锡等不良。激光钎焊的局部加热方式可有效 的改善这些闻题。激光焊接系统采用无接触焊接方式，能够把热量聚焦到非常小的点 并精确定位到指定部位进行焊接。不仅如此，激光焊接系统还能够产生非常短的光脉 冲进行无焊料焊接锡或铅等材料，焊接速度快于氧化反应的速度，在自动焊接机无法 靠近的场合半导体激光器焊接系统更加显示出它的灵活。本课题就是利用激光钎焊工 艺，对于软印刷电路板进行焊接的研究，以试篷验证激光加工焊接的稳定性，以及其 焊接后成份对于电性导通的影响，并找出最佳的软板设计参数。以期望导入新型的激 光焊接制程配合最优软板设计参数来更有效的提升软板焊接的生产良率。其导入的同 时必将对l c m 产业软板焊接领域产生积极的意义。 1 8 本论文的主要工作 本课题以激光焊接制程能力与f p c 软扳设计参数为研究对象，对激光焊接后焊点 直径尺寸制程能力进行了统计学分析，并且针对激光焊接后的样品成份、导通特性以 及f p c 最优设计参数作了一系列的研究，主要徽了以下几方面的工作： ( 1 ) 针对f p c 软板激光焊接制程进行了工作原理阐述 ( 2 ) 运用统计学对激光焊接能力进行了分布状态以及数据变异分橱，建立了激 光焊接设备加工能力的统计衡量方法 ( 3 ) 构建导通特性分析的3 因子3 水准的实验模型，并构建运用方差分析工具进 行导通特性组间差异分析的方法。 ( 4 ) 构建3 因子3 水准的实验方法模型，进行焊接拉力值最优预测分析 ( 5 ) 构建2 因子4 水准的实验方法模型，运用m i n i t a b 软件采用交互作用法模型以 及响应魏面法模型进行数据的线性拟合分析，并最终使用响应通面法模型 找出f p c 软板参数最优设计的回归方程式 激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 第二章实验原理、实验方法及实验装置 第二章实验原理、实验方法及实验装置 2 1 实验原理 2 1 1 加工材料构成 l c d 显示的原理是在l e d 背光源点亮的同时，由外部驱动讯号与驱动i c 通过 f p c 软板对l c d 上面的控制元件进行控制，从而产生画面的切换。而外部驱动讯号 与驱动i c 是通过l c d 侧的f p c 与l e d 侧f p c 对l e d 背光源进行控制。如图2 1 。 如果将驱动讯号传输到l e d 背光源，需要l c d 侧f p c 与l e d 侧f p c 处于导通状态。 而两片p p c 软板的导通则是通过焊接的方式来实现的。 l e d 背光源l e d , ) n , 4 f p c 佃票萼 图2 - 1l e d 背光源驱动原理示意图 针对加工工艺的需求，两种f p c 软板有不同的组成结构： l e d 侧f p c 软板组成部分为覆盖层，a d 层，铜层，p i 基层，焊锡覆盖在上下 两面的铜层之上。l e d 侧软板通孔内径d 2 ；l e d 侧软板通孔外径d 3 。如图2 2 所 示 图2 - 2l e d 侧f p c 软板结构示意图 l c d 侧f p c 软板上的焊锡同样覆盖在铜层之上，但仅覆盖于铜层的一侧。l c d 吣加埘唰呲，叩。； v o a c b 第二章实验原理、实验方法及实验装置激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 3 侧软板焊锡直径d 1 ；l c d 侧软板锡厚t 1 。如图2 - 3 所示。 2 1 2 材料焊接原理 彳一d ，一、r 。 ， i - _ ，一一 一焊锡 龋 为了使l c d 侧f p c 软板与l e d 侧f p c 软板之间导通，整个焊接过程分为以下几步 骤：1 、进行l e d 侧f p c 软板与c e l l 侧f p c 软板进行组合定位。如图2 矗所示 埕锡l e df p cf 、 甚盏螽巨杰菡 ， c e l | f p c 。j 图2 _ 4 软板组合定位示意图 2 、激光出力至加工区域，对软板上焊锡迸行加热处理，如图2 5 ， c e l lf p c 一 图2 - 5 激光出力至加t i e 域示意图 3 、l c d 侧f p c 软板上焊锡在激光加热下融化并上溢至l e d 侧f p c 软板上，如图2 6 c e l lf p c 。 图2 - 6l c d 侧f p c 软板焊锡上溢示意图 4 、l c d 侧下层焊锡融化上溢至上层焊锡区域并覆盖焊接区域，如图2 7 1 0 焊锡ledf p ct 喀渤缪 芦躅翻翻e 四过一一二圈，二一芦灌墨蔼口s 窳豫辛 盔匾匠毯弱砬三三e 三三蠢蠢盈西五强i _ 岛西园盔雹露面誓瞳由母雹啊翻髓霹墨船商霸墨b 誓嬲固日雹_ 露旺鼍删 ， c e l if p c 一 图2 7l c d 侧f p c 软板焊锡上溢覆盖焊接区域示意图 5 、上层与下层焊锡熔融后固化，形成球状焊接点，如图2 8 翻啊一 二犀霸霸霸一 第二章实验原理、实验方法及实验装置激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 表2 1 光纤激光设备规格表 项目规格 1 、范围0 5 0 j 1 激光器输出能量2 、稳定性：2 ( 2 0 w ) 6 ( 2 0 w ) 3 、控制精度( 设定值和输出值的差异) ：5 ( 2 5 0 j ) 1 、范围0 5 0 w 2 激光器输出功率 2 、稳定性：2 ( 2 0 w ) 6 p 2 0 w ) 3 、控制精度( 设定值和输出值的差异) ：5 ( 2 5 0 w ) 1 范围0 1 5 k w 3 峰值功率 2 控制分辨率：2 5 w s t e p ( 5 k w 2 0 0 ) 1 范围0 1 5 0 m s 4工作时间( 脉冲宽度) 2 控制精度：1u s 5 光纤芯径 o 3 m m 光斑直径= 光纤芯径x 聚焦镜焦距+ 准直镜焦距当聚焦镜焦距为 6 光斑直径 8 0 m m 准直镜焦距为1 2 0 m m l h ，光斑直径为0 2 m m 实时激光功率反馈( 根据当前时刻激光峰值功率与设定值的差异调节 7 电气控制方式氙灯电流使激光器输出的峰值功率与设定值保持一致响应滞后时间 f = i 。( 奶，识)( 2 1 4 ) 时认为因子彳是显著的，即诸均值不全相等；当 f 凡1 。( 观，识) ( 2 1 5 ) 时，认为因子a 不显著。其中凡1 a ( 妩，识) 是自由度为妩，识的f 分布的1 口 分位数。 ( 4 ) 方差分析表。以上计算过程可列成一张方差分析表，如表2 7 表2 - 7 方差分析表 来源平方和自由度均方和f 比 因子彳s s a 吼j _ 1 m s a = s s 娩f = m s a m s e 误差es s ea f , - _ n - rm s e = s s 妖 总合丁 s s t d f r n - 1 ( 5 ) m i n i t a b 软件的运算。如果采用m i n i t a b 软件运算，从a n o v a - o n ew a y a n o v a 的窗口进入如图2 1 l ，可计算出各项偏差平方和，并给出a n o v a 表。在 a n o v a 表中若 p - v a l u e 口 ( 2 1 6 ) 则拒绝胁 扎冀悻( 务i i 、编替( 西，；娣 舒：1 计算( 9 匝嘉戎五。图形 i 辆提晕( 昏：工县( d 。窗口( 泌7 帮助( 曲| _ + _ 二 图2 11m i n i t a b 软件单因子方差分析示意图 1 8 激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 第二章实验原理、实验方法及实验装置 2 4 3f p c 焊接后剥离力优化d o e 实验设计 依据已有材料条件，以及激光加工设定条件，分别设计d o e 实验计划，并依据 实验计划进行激光加工焊接实验。针对已有的激光焊接设定值水准如表2 - 4 ，设计3 因子3 水准的实验，共进行9 组实验取得不同的拉力值依照3 因子3 水准实验设计表 如表2 5 ，针对已有的f p c 设计水准表如表2 8 ，设计2 因子4 水准的实验表如表2 - 9 ， 共1 6 组组合条件，在不同的组合条件下，进行上述的3 因子3 水准实验。取实验后 的材料，使用拉力测试仪对焊接剥离力进行测试，并取得每一片的剥离力峰值。使用 m i n i t a b 软件应用主效应图找出主要影响因子，并预测出最佳因子组合与最佳拉力值， 所得最优值再进行2 因子4 水准的实验分析 。 表2 - 8f p c 设计规格2 因子4 水准表 因子水准1水准2水准3 水准4 f p c 锡厚t l ( m m ) 0 2 m m0 2 5 m m0 3 m m0 3 5 m m 通孔孔径d 2 ( m m ) 0 6 m m0 7 m m 0 8 5 m ml m m 依照2 因子，4 水准实验设计全因子实验表如表2 - 9 ： 表2 - 9f p c 设计规格2 因子4 水准实验设计表 ”i ? 参数 - ，：? - 、： ：一p # ，y ：? - ： r r ，。， ，1，7j。 ：； 。：7，7 ， 。 组合慕， 下层f p g 锡厚t ( r r 佣)：”，：孑l 径d 0 ”：，：- f ：- t | ， 一： - ；： r ， ，：， i 1 群o 20 6 2 群 o 2o 7 3 撑o 2 0 8 5 4 撑0 21 5 撑 0 2 50 6 6 撑0 2 50 7 7 撑o 2 5o 8 5 8 撑 0 2 51 9 撑0 30 6 10 撑 0 30 7 11 撑o 30 8 5 12 撑 o 31 13 撑0 3 5o 6 1 4 撑o 3 5 0 7 15 撑0 3 50 8 5 16 撑o 3 5 1 针对2 因子4 水准设计，使用m i n i t a b 软件对锡厚与孔径、拉力值输出进行双因 子方差分析并使用交互作用图进行线性拟合分析确认输入因子与输出值间的线性关 系。最后使用响应曲面法进行线性拟合分析并计算回归方程式，取得最佳设计方程式。 1 9 第二章实验原理、实验方法及实验装置激光加工技术在f p c 软板焊接应用上的研究 2 5 本章小结 本章主要介绍了激光焊接制程的工作原理，对实验所需的工具设备与材料进行了 说明。通过实验目的的说明，指出通过实验需要衡量激光焊接的加工制程能力，并判 断其焊接后成分的导通特性是否符合制程需求，并且找出使焊接后f p c 软板剥离拉 力值最优的参数设计。其中更为详细地说明了各实验的方法设计、d o e 实验的具体 模型，与对实验数据分析原理。 第三章实验结果及讨论分析 3 1 激光7 j nt 能量直径范围稳定性分析 通过对测量感光纸上的光斑直径大小得到以下1 0 组数据( 如表3 1 ) 。针对量测 数据进行芷态性分析，放图3 1 与图3 2 可看出测量数据成正态分布，并且光斑直径 的变异值在3 s i g m a0 0 6 m m 以内。所以可认为激光的能量出力范围稳定可靠。 袭3 - 1 激光加工能量直径数据 组数 l234567891 0 激光在感光纸上 0 。5 9 0 。5 8 0 。5 6 0 。5 6o 。6 0 。60 。5 90 6 圭0 圭0 。5 8 的光斑直径 图3 1 激光加工光斑直径数据分布概率图 廖攀渊 灞 一鬓一戮囊霹 臻一磐髹残箨辫莪聪、翁器熬鬻黔黻翳瓣嚣麟 一 一澄霹黪溪瓣瞧凌黪婺一 表3 - 2 不同孔径样品激光焊接后焊点直径尺寸l 1 6 组 通孔直径 i23 456789 1 0l l1 2 1 3i 41 51 6 1 翱曩0 4 7 90 6 t l 0 5 9 1o 6 50 6 9 20 7 6 9 0 6 3 80 。6 2 30 6 30 5 7 50 6 5 50 6 0 8