(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105057824 A (43)申请公布日 2015.11.18
(21)申请号 201510533206.5(22)申请日 2015.08.27
(71)申请人武汉比天科技有限责任公司
地址430079 湖北省武汉市东湖开发区老武
黄公路206号慧谷时空1幢1510号(72)发明人徐琦 王龙祥 叶凯 纪可(74)专利代理机构武汉帅丞知识产权代理有限
公司 42220
代理人朱必武 沈小川(51)Int.Cl.
B23K 1/005(2006.01)B23K 3/06(2006.01)B23K 101/36(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图1页
(54)发明名称
一种非接触式激光照射锡球的焊接装置及方法(57)摘要
本发明涉及激光焊接领域，具体涉及一种非接触式激光照射锡球的焊接装置及方法。本发明提供了一种非接触式激光照射锡球的焊接装置，通过转轴上设置的小孔获取锡球存储腔内的锡球，在调节空气压缩机的气压，使锡球产生轻微扰动，确保了小孔内有且只有一个锡球。本发明的非接触式激光照射锡球的焊接方法通过缩小焊盘与激光器聚焦头的距离，使融化后的锡球在重力和压力的双重作用下尽快的落入焊盘。本发明的装置和方法有利于提升焊接质量，确保焊接过程中不会出现多个锡球被融化而造成焊点焊锡过多的情况。 C N 1 0 5 0 5 7 8 2 4 A CN 105057824 A
权 利 要 求 书
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1.一种非接触式激光照射锡球的焊接装置,包括锡球存储腔（1）、锡球输送装置、对射传感器（5）、气压感应装置（9）、定位系统以及激光器（12），所述的激光器（12）内设激光器聚焦头（8）；定位系统设置在激光器聚焦头（8）一侧；其特征在于：所述的锡球存储腔（1）外接第一气泵（2），激光器聚焦头（8）空腔连接第二气泵（10），激光器聚焦头（8）的空腔处设有气压感应装置（9）；所述的锡球输送装置包括微型电机、转轴（3）和下落通道（4），微型电机和转轴（3）相连，微型电机用于驱动转轴（3）旋转，转轴（3）为圆盘形，圆盘外沿设有小孔，圆盘旋转可使小孔对准下落通道（4），下落通道（4）与激光器聚焦头（8）空腔相连。
2.根据权利要求1所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：它还包括对射传感器（5），所述的对射传感器（5）设置在下落通道（4）上。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：所述圆盘上的小孔只能容纳一个锡球。
4.根据权利要求1或2所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：所述锡球存储腔（1）与圆盘形转轴（3）外沿的接触面积大。
5.根据权利要求1或2所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：所述的锡球存储腔（1）直径为10mm，高度为80mm的圆柱形存储空间。
6.根据权利要求1或2所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：定位系统包括CCD相机（6）以及相机镜头（7）。
7.一种非接触式激光照射锡球的焊接方法，其特征在于：包括以下6个步骤，步骤1：通过定位系统定位视野内的所有焊点，规划焊接轨迹；
步骤2：将非接触式激光照射锡球的焊接装置移动到第一个焊点上方，使激光器聚焦头在焊点正上1mm至3mm处；
步骤3：通过第一气泵使气流轻微扰动储球仓内的锡球，使锡球落入到转轴的小孔内；步骤4：控制微型电机转动带动转轴转动，通过对射传感器确认有锡球落入到激光焊接头的焦点处；
步骤5：锡球落入激光器聚焦头的空腔后，当检测气压达到预设值后，开启激光器使锡球熔化，液态的锡球在重力和气压的作用下落到焊盘上；
步骤6：将整个装置移动到下一个焊点上方，重复步骤步骤3、步骤4和步骤5，依次完成所有焊点的焊接。
8.根据权利要求1或2所述的非接触式激光照射锡球的焊接方法，其特征在于：所述步骤2中激光器聚焦头（8）在焊点正上2mm。
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说 明 书
一种非接触式激光照射锡球的焊接装置及方法
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技术领域
[0001]
本发明涉及激光焊接领域，具体涉及一种非接触式激光照射锡球的焊接装置及方
法。背景技术
随着3C电子行业的快速发展，3C电子产品朝着高集成化、高精密化方向升级，其产品内构件越来越小巧，精密度、电子集成度越来越高。内结构件的外观、形变、拉拔力对焊接技术的要求也越来越高，这也对封装工艺提出了更高的要求，需要有更精密更快速的焊接方式来满足多引脚的焊接。
[0003] 现有的工业生产的焊锡工艺中，主要包括烙铁焊接技术和激光焊接技术。烙铁焊接技术主要存在以下问题：焊点加热的时间过长，会导致元器件过度受热后变质或失效；而如果采用高温烙铁焊接，则焊丝中的焊剂由于加热时间不够，会导致焊盘虚焊；此外烙铁焊接过程中由于与焊盘接触，会存在施力过度损害焊盘的风险。[0004] 而对于一般的激光焊接，则存在焊料补给困难的问题。如果采用点锡膏的方式，由于锡膏中存在有少量的助焊剂，很难避免爆锡和飞溅。而采用自动送锡丝的方式，则存在送丝机构复杂，送丝精度不准，且容易卡丝和堵丝，很难满足工业生产的要求。[0005] 中国实用新型专利一种焊接材料单输出的焊接装置（申请号：CN201020506358.9）公开了一种包括储存单元，传输单元，焊接单元，底座的焊接装置。该装置将储料，传输和焊接等功能集于一身且能实现连续自动化焊接，节省取料和焊接时间，提高效益和焊接精度。但该装置不能确保每次只有一个锡球到激光器聚焦头，同时还未涉及如何使熔化的锡球在落到焊盘时仍为液态得技术方案。
[0002]
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提供了一种非接触式激光照射锡球的焊接装置，通
过转轴上设置的小孔获取锡球存储腔内的锡球，在调节空气压缩机的气压，使锡球产生轻微扰动，确保了小孔内有且只有一个锡球。本发明的非接触式激光照射锡球的焊接方法通过缩小焊盘与激光器聚焦头的距离，使融化后的锡球在重力和压力的双重作用下尽快的落入焊盘。本发明的装置和方法有利于提升焊接质量，确保焊接过程中不会出现多个锡球被融化而造成焊点焊锡过多的情况。
[0007] 本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术的缺陷，提供一种新的基于激光的锡球焊接装置及方法，克服焊接质量低和效率低的问题。[0008] 本发明的技术方案是：一种非接触式激光照射锡球的焊接装置,包括锡球存储腔（1）、锡球输送装置、对射传感器（5）、气压感应装置（9）、定位系统以及激光器（12），所述的
[0006]
激光器（12）内设激光器聚焦头（8）；定位系统设置在激光器聚焦头（8）一侧；其特征在于：所述的锡球存储腔（1）外接第一气泵（2），激光器聚焦头（8）空腔连接第二气泵（10），激光器聚焦头（8）的空腔处设有气压感应装置（9）；所述的锡球输送装置包括微型电机、转轴
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说 明 书
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（3）和下落通道（4），微型电机和转轴（3）相连，微型电机用于驱动转轴（3）旋转，转轴（3）为圆盘形，圆盘外沿设有小孔，圆盘旋转可使小孔对准下落通道（4），下落通道（4）与激光器聚焦头（8）空腔相连。
[0009] 根据如上所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：它还包括对射传感器（5），所述的对射传感器（5）设置在下落通道（4）上。
[0010] 根据如上所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：所述圆盘上的小孔只能容纳一个锡球。
[0011] 根据如上所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：所述锡球存储腔（1）与圆盘形转轴（3）外沿的接触面积大。
[0012] 根据如上所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：所述的锡球存储腔（1）直径为10mm，高度为80mm的圆柱形存储空间。
[0013] 根据如上所述的非接触式激光照射锡球的焊接装置,其特征在于：定位系统包括CCD相机（6）以及相机镜头（7）。
[0014] 本发明还公开了一种非接触式激光照射锡球的焊接方法，其特征在于：包括以下6个步骤，步骤1：通过定位系统定位视野内的所有焊点，规划焊接轨迹；
步骤2：将非接触式激光照射锡球的焊接装置移动到第一个焊点上方，使激光器聚焦头在焊点正上1mm至3mm处；
步骤3：通过第一气泵使气流轻微扰动储球仓内的锡球，使锡球落入到转轴的小孔内；步骤4：控制微型电机转动带动转轴转动，通过对射传感器确认有锡球落入到激光焊接头的焦点处；
步骤5：锡球落入激光器聚焦头的空腔后，当检测气压达到预设值后，开启激光器使锡球熔化，液态的锡球在重力和气压的作用下落到焊盘上；
步骤6：将整个装置移动到下一个焊点上方，重复步骤步骤3、步骤4和步骤5，依次完成所有焊点的焊接。
[0015] 根据如上所述的非接触式激光照射锡球的焊接方法，其特征在于：所述步骤2中激光器聚焦头（8）在焊点正上2mm。附图说明
[0016]
图1为本发明非接触式激光照射锡球的焊接装置的结构示意图。
具体实施方式
[0017] 附图标记说明：锡球存储腔1、第一气泵2、转轴3、下落通道4、对射传感器5、CCD相机6、相机镜头7、激光器聚焦头8、气压感应装置9、第二气泵10、光纤11、激光器12。[0018] 以下结合附图对本发明作进一步说明。[0019] 如图1所示，本发明的非接触式激光照射锡球的焊接装置包括锡球存储腔1、锡球输送装置、对射传感器5、气压感应装置9、定位系统以及连接激光器聚焦头8的激光器12，锡球存储腔1外接第一气泵2，适当调节气泵的气压可以对锡球产生轻微扰动，保证锡球能顺利落入到转轴3的小孔内。本发明的锡球存储腔1可以为是一个直径约10mm，高度为80mm的圆柱形存储空间。
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如图1所示，本发明的锡球输送装置包括微型电机、转轴3和下落通道4，微型电机和转轴3相连，微型电机用于驱动转轴3旋转，转轴3最好为圆盘形，圆盘外沿每间隔120度有一个小孔，小孔的孔径保证只能容纳一个锡球。转轴3小孔间隔度数可根据实际情况调整，如转轴间隔45度、120度或180度，相应的微型电机每次驱动转轴旋转度数也应为45度、120度或180度，即确保微型电机每旋转一次，有而且只有一个小球落入下落通道4。本发明的锡球存储腔1与圆盘形转轴3外沿有比较大的接触面积，这样确保转轴3的小孔旋转转入锡球存储腔1的过程，有锡球落入小孔。[0021] 如图1所示，本发明的下落通道4上装有对射传感器5，当锡球在落下的过程中瞬间挡住对射传感器5之间的光线时，对射传感器5会反馈信号确定锡球已落下。例如：当微型电机带动转轴3转动120度后（本实施例以圆盘外沿每间隔120度有一个小孔为例），对射传感器5会判断是否有锡球落下来。如果对射传感器5没有感应到，则程序会控制微型电机再次转动120度，如果连续5次都没有感应到锡球落下来，程序会提醒操作员往锡球存储腔内添加锡球。[0022] 如图1所示，下落通道4与激光器聚焦头8的空腔连接，锡球落入到激光器聚焦头8的焦点处，堵住空腔的气体出口。激光器聚焦头8空腔连接第二气泵10，并且激光器聚焦头8的空腔处设有气压感应装置9。当激光器聚焦头8的气体出口被堵时，空腔内气压升高，当气压感应装置9检测到气压上升到预设值，程序控制激光器12出光。[0023] 如图1所示，本发明的定位系统包括CCD相机6以及其上设置的相机镜头7，定位系统设置在激光器聚焦头8一侧，定位系统通过图像识别的方式精确定位焊点的机械坐标。本发明的定位系统，所采用的镜头视野大小是20mm*20mm，软件算法采用特征点匹配算法，可以获取视野内所有目标的位置。
[0024] 本发明还公开了一种非接触式激光照射锡球的焊接方法，包括以下6个步骤，步骤1：通过视觉定位系统定位视野内的所有焊点，规划焊接轨迹。
[0025] 以一个焊盘的轮廓建立模板为例。将CCD相机6移动到工件上方，采集图像，通过模板匹配，搜索到视野内所有焊盘的像素坐标并转化为机械坐标。[0026] 其中，该算法的具体实现步骤如下：
(1) 在参考图像(a)中间隔为c个像素的距离上的两列像素中，各取m个像素，计算这m个像素的比值，将m个比值存入数组中，将其作为比较的模板。
[0027] (2)从搜索图像(b)中在同样相隔c个像素的距离上的两列，各取出m+n个像素，计算其比值，将m+n个比值存入数组。假定垂直错开距离不超过n个像素，多取的n个像素则可以解决图像垂直方向上的交错问题。
[0028] (3)利用参考图像(a)中的比值模板在搜索图像(b)中寻找相应的匹配。首先进行垂直方向上的比较，即记录下搜索图像(b)中每个比值数组内的最佳匹配。再将每个数组的组内最佳匹配进行比较，即进行水平方向的比较，得到的最小值就认为是全局最佳匹配。
[0029] 此时全局最佳匹配即为图像间在水平方向上的偏移距离，该全局最佳匹配对应的组内最佳匹配即为图像间垂直方向上的偏移距离。
本算法的思路是在第1幅图像的重叠区域中分别在2列取出部分像素，用它们的
比值作为模板；在第2幅图像中由左至右依次从间距相同2列取出部分像素，并逐一计算其
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对应像素值比值；然后将这些比值依次与模板进行比较，其最小差值所对应的列就是最佳匹配。
[0031] 步骤2：将整个装置移动到第一个焊点上方，使激光器聚焦头8在焊点正上方约1mm至3mm处，最好为2mm。由于锡球在下落过程中会逐渐凝固，所以出激光器聚焦头8尽量贴近焊盘，以保证熔化的锡球在落到焊盘时仍为液态，这样可以提升焊接质量，确保焊接点器件的可靠连接。[0032] 步骤3：通过第一气泵2使用气流轻微扰动储球仓内的锡球，使锡球落入到转轴3的小孔内。
[0033] 步骤4：控制微型电机转动带动转轴转动，通过对射传感器5确认有锡球落入到激光焊接头的焦点处。[0034] 步骤5：待锡球落入激光器聚焦头8的空腔，第二气泵10向激光器聚焦头8充气，当气压达到预设值后，开启激光器12以适当的能量照射激光使锡球熔化，液态的锡球在重力和气压的作用下落到焊盘，然后凝固在焊盘上，第一个焊点的焊接完成。[0035] 步骤6：将整个装置移动到下一个焊点上方，重复步骤步骤3、步骤4和步骤5，依次完成所有焊点的焊接。
[0036] 本发明确保了焊接过程中，每次只有一个锡球在激光器聚焦头8，不会发生两个或多个锡球在激光器聚焦头8的情况，提高了焊接的可靠性和焊接质量。同时本发明的锡球融化后，在气压和重力作用下，可以快速的到焊盘上，不会出现下落过程锡球重新凝固或半凝固状态，进一步提高焊接的质量。
[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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