激光焊接機器人系統

　　當今，電子設備已演變成多功能、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提高到怎樣水平和能做出怎樣高品質的電子產品。本文集JAPAN UNIX三十多年的SOLDERING ROBOT制造經驗，對自動激光焊接機器人發展歷程及當今的最新技術和應用狀況進行闡述，希望能對從事電子設備，部件生產的相關人員得到啟發。

1． 焊接機器人的發展歷程
　　產業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。八十年代開始有關公司（JAPAN UNIX）就開發對應電子組裝用的焊接機器人，當時設計理念是“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），業內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應運而生， JAPAN UNIX在20年前已經開始探討激光焊接機器人系統的題目，而且經歷了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）激光發生器，使得小型化，高性能的激光焊接機器人系統（圖3）實用化變為了現實，當今這種新型系統在日本，歐美，韓國，臺灣地區，中國已應用于電子裝置生產制造的多個領域，解決細微焊接這一難題。
　　　　
1． 激光焊接機器人系統的應用領域
　　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，小型化方向發展，以前的生產方式考慮比較多的制品的品質和實裝技術的提高，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發展為0.8mm, 0.65mm, 0.5mm，而且現在以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則被應用于手機的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，還被應用液晶TV，高端數字相機，航空航天軍工制造，高端汽車部件制造等領域。
　　　　　　　
4．激光加熱方式的特點：
　　激光焊接機器人系統是以激光二極管（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品的組裝，激光加熱方式的獨特性正逐步被業界推崇，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，焊點品質良好。
　　(3).無烙鐵頭消耗，不需更換加熱器，連續作業時，具有很高的作業效率。
　　(4).進行無鉛焊接時，不易發生焊點裂紋。
　　(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裝置說明如下：
　　(1).裝置內藏同軸CCD攝像頭與監視裝置（見圖7），并可視覺圖像位置較正系統。

　　由示教圖像(指示圖像)顯示焊接狀態，通過顯示器同步顯示（見圖8）。視覺圖像位置較正系統(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定。
　�。�3）.激光頭上配有防煙霧的光學透鏡及保護系統,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）系統中的體積緊湊的強力激光發生器，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)二種并連續可調，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裝置的應用例：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．激光加熱方式的發展：
　　對應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，激光發射形狀目前使用圓形外，根據焊盤形狀還開發出環形（JAPAN UNIX已開發成功，如圖14，圖15），目前正在開發長方形，三角形，橢圓形，甚至可向焊接位置發射自由Figure Head的激光束（如圖16），以適應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，目前日本，韓國，臺灣地區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，因此開發更高性能的激光焊接機器人系統已列入開發制造商議事日程。按照無鉛組裝的工藝要求，激光焊接機器人系統作為新的加熱源會被更多的生產商所采用。

　　在電子產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，新工藝技術的導入，作為進步中的焊接機器人技術，今后會帶自動調整激光功率大小，自動調整的圖像識別裝置，焊接方向，焊接范圍能自動控制設定，或從中央數據庫調用信息進行焊接，也可以由CAD數據自動生成焊接點的坐標數據，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方向努力。