УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКИ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к оборудованию для автоматизированной бесконтактной селективной лазерной пайки для мелкосерийного и среднесерийного производства и может быть использовано для пайки электронных компонентов: SMD, DIP, штыревых разъемов, гнезд и проводов.
Так, из уровня техники известна установка для лазерной обработки, которая содержит лазер, рабочий стол, механизм позиционирования по трем координатным осям, устройство подачи проволоки и систему видеонаблюдения (патент РФ №153612, В23K 26/20, опубликован 27.07.2015).
За наиболее близкий аналог к патентуемому решению принято устройство для лазерной пайки, которое содержит систему позиционирования по трем осям x, y, z и поворотный стол, источник лазерного излучения, камеру, механизм подачи проволоки, систему отслеживания изображения и дисплей (заявка Китая №102699463, В23K 1/005, опубликованная 03.10.2012).
Недостатками наиболее близкого аналога являются недостаточная точность и качество пайки изделий электроники и микроэлектроники, поскольку в известном устройстве отсутствуют средства для отслеживания положения и скорости перемещения модуля лазерной пайки, что приводит к снижению точности пайки группы точек с мелким шагом выводов, и не осуществляется контроль температуры пайки и моментальное ее регулирование, что также негативно сказывается на качестве паяных соединений.
Технической проблемой заявленной полезной модели является создание компактной установки для лазерной пайки, позволяющей визуализировать процесс и управлять режимом пайки с высокой точностью, предотвращать перегрев компонентов и контактных площадок во время пайки, а также расширение арсенала технических средств и эксплуатационных возможностей.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в повышении точности и качества пайки изделий электроники и микроэлектроники.
Указанный технический результат достигается в установке для лазерной пайки, содержащей корпус с размещенными в нем модулем лазерной пайки с трехкоординатным механизмом его перемещения, поворотным столом, размещенным под модулем лазерной пайки, контроллером лазерного излучения с источником лазерного излучения и блоком управления, при этом модуль лазерной пайки содержит лазерную голову, пирометр и устройство для подачи припоя и соединен с контроллером лазерного излучения, а трехкоординатный механизм перемещения модуля лазерной пайки снабжен датчиками отслеживания положения и скорости его перемещения, причем трехкоординатный механизм перемещения модуля лазерной пайки, поворотный стол и контроллер лазерного излучения соединены с блоком управления.
Благодаря выполнению установки для лазерной пайки с трехкоординатным механизмом перемещения модуля лазерной пайки с датчиками отслеживания положения и скорости перемещения модуля лазерной пайки, и соединению механизма перемещения модуля лазерной пайки с блоком управления обеспечивается высокая точность позиционирования модуля лазерной пайки, что приводит к повышению точности лазерной пайки изделий с мелким шагом выводов и повышению качества пайки изделий электроники и микроэлектроники. Кроме того, повышается производительность процесса пайки.
Снабжение установки для лазерной пайки поворотным столом, соединенным с блоком управления, позволяет обеспечить высокое качество пайки изделий электроники и микроэлектроники с высокой плотностью монтажа благодаря возможности регулировки положения подачи припоя под оптимальным углом для точки пайки посредством поворота поворотного стола на необходимый угол. Кроме того, повышается производительность процесса пайки.
Благодаря выполнению модуля лазерной пайки с лазерной головой, пирометром и устройством для подачи припоя и соединению модуля лазерной пайки с контроллером лазерного излучения, включающим источник лазерного излучения, обеспечивается взаимодействие между источником лазерного излучения, пирометром и устройством для подачи припоя под управлением контроллера лазерного излучения, который осуществляет автоматический контроль и управление кинетикой процесса пайки в интерактивном режиме, что существенно повышает качество паяных соединений изделий электроники и микроэлектроники. Инфракрасное излучение, фиксируемое пирометром, является носителем информации о кинетике нагрева паяного соединения, по которой оценивают качество пайки. Существенным плюсом такого контроля процесса является предотвращение перегрева компонентов и контактных площадок во время пайки. Высокая частота снятия показаний пирометра позволяет контролировать процесс пайки с необходимым уровнем точности.
В частном случае реализации механизм перемещения модуля лазерной пайки выполнен в виде подвижной рамы. При перемещении модуля лазерной пайки, а не рабочего стола, на котором располагается деталь, обеспечивается большая точность позиционирования, а, следовательно, и качество пайки. В случае позиционирования путем перемещения рабочего стола погрешность позиционирования будет зависеть от массы обрабатываемого изделия (чем тяжелее - тем выше погрешность). В случае позиционирования модуля лазерной пайки точность также зависит от нагрузки, но она фиксирована и определена массой модуля лазерной пайки.
В качестве датчика отслеживания положения и скорости перемещения модуля лазерной пайки может быть использован резольвер или энкодер. Резольвер или энкодер осуществляют контроль над положением модуля лазерной пайки относительно глобальных координат. Это означает, что при проведении процедуры пайки группы точек переход к новому положению будет выполняться не в отсчете от предыдущей точки, а относительно координат начального положения. Таким образом, предотвращается накапливание систематической ошибки и тем самым повышается точность процедуры пайки.
Модуль лазерной пайки может быть снабжен видеокамерой, связанной с контроллером лазерного излучения, что позволяет одновременно визуализировать процесс пайки и управлять режимом пайки, дополнительно повышая при этом качество паяных соединений.
Устройство для подачи припоя может быть выполнено с энкодером - датчиком угла поворота, что позволяет отслеживать количество подаваемого припоя. Нить припоя закреплена между двумя валиками, один из которых является ведущим и определяющим количество подаваемого припоя, а второй является контролирующим. Оснащение последнего валика экодером предотвращает проскальзывание нити в процессе подачи, определяя точное количество припоя и повышая качество паяных соединений.
Поворотный стол может быть снабжен датчиком отслеживания положения и скорости вращения поворотного стола, что дополнительно повышает точность позиционирования и качество пайки.
Пирометр и видеокамера с использованием светоделителей расположены таким образом, что их оптическая ось совпадает с оптической осью лазерного луча, что позволяет управлять режимом пайки с высокой точностью, тем самым дополнительно повышая качество паяных соединений. При использовании боковой камеры высока вероятность перекрытия изображения области пайки соседними элементами обрабатываемого изделия. Поэтому боковое расположение камеры осложняет проверку совпадения программно-установленной точки пайки с реальной. В случае соосного расположения данная проблема исключена, что позволяет постоянно контролировать позиционирование точки пайки.
Наличие обратной связи между пирометром и контроллером лазерного излучения позволяет контролировать профиль нагрева паяного соединения или устанавливать профиль мощности лазерного импульса. В установке предусмотрен комбинированный режим работы с реализацией установленной мощности источника и одновременным контролем температуры точки пайки, что предотвращает перегрев контактных площадок и повышает качество паяных соединений.
Трехкоординатный механизм перемещения модуля лазерной пайки может быть оснащен шаговыми или линейными двигателями.
Контроллер лазерного излучения может быть выполнен с возможностью регулировки мощности лазерного излучения и температуры пайки с учетом данных, полученных с пирометра.
Заявленная полезная модель в частном случае ее реализации поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена блок-схема установки лазерной пайки. На фиг. 2 - схема взаиморасположения источника лазерного излучения, пирометра, видеокамеры и светоделительных пластин. На фиг. 3 - общий вид установки лазерной пайки.
Согласно заявленной полезной модели установка лазерной пайки для мелкосерийного и среднесерийного производства содержит единый корпус 1, что позволят эксплуатировать установку в автономном режиме или в составе автоматической линии, с загрузочным окном 13. В корпусе 1 установки лазерной пайки размещены модуль лазерной пайки 2 с механизмом его перемещения 3, поворотный стол 4, размещенный под модулем лазерной пайки 2, контроллер лазерного излучения 5 с источником лазерного излучения и блок управления 6.
Поворотный стол 4 для размещения изделий для пайки размещен на плите основания и оснащен двигателем с обратной связью, реализованной посредством
4
резольвера или энкодера. Вращение столика выполняется посредством актуатора - привода поворотного стола, состоящего из двигателя и редуктора. Актуатор соединен с блоком управления 6 и закреплен на плите основания. Управляющий сигнал со стороны блока управления поступает на двигатель актуатора, оснащенный редуктором для уменьшения шага угла, который приводит к повороту стола на установленный угол. Актуатор может быть снабжен датчиком отслеживания положения и скорости вращения поворотного стола(на фигурах не показан), связанным с блоком управления 6.
На плите основания (на фигурах не показана) установлен механизм перемещения 3 модуля лазерной пайки 2, который выполнен в виде подвижной рамы, которая перемещается вдоль трех координатных осей X/Y/Z. Перемещение осуществляется вдоль линейных направляющих посредством вращения шарико-винтовых передач, управляемых шаговыми или линейными двигателями. На направляющих установлена каретка, позволяющая перемещать закрепленную на ней балку вдоль направляющих по оси X. Балка позволяет перемещать закрепленную на ней каретку вдоль этой балки по оси Y. Каретка перемещает установленный на ней модуль лазерной пайки вверх и вниз по оси Z.
Таким образом, механизм перемещения 3 позволяет перемещать модуль лазерной пайки 2 в продольных (вдоль осей X, Y) и вертикальном (вдоль оси Z) направлениях в пределах корпуса 1. Двигатели управления механизма перемещения 3 могут быть снабжены датчиками (на фигурах не показаны) отслеживания положения и скорости перемещения модуля лазерной пайки 2, например, резольвером или энкодером.
Модуль лазерной пайки 2 установлен на механизме перемещения 3 и содержит лазерную голову (на фигурах не показана), включающую систему линз фокусировки 10 и светоделителей 9, пирометр 8 и устройство для подачи припоя (на фигурах не показано) и соединен с контроллером лазерного излучения 5, содержащим источник лазерного излучения 7. Контроллер лазерного излучения может быть установлен внутри корпуса 1, отдельно от механизма перемещения 3, чтобы не оказывать влияния на точность позиционирования.
Устройство для подачи припоя содержит два валика, один из которых является ведущим и определяющим количество подаваемого припоя, а второй является контролирующим. Оснащение контролирующего валика экодером предотвращает проскальзывание нити в процессе подачи, определяя точное количество припоя и повышая качество паяных соединений.
5
Модуль лазерной пайки 2 может быть снабжен видеокамерой, управляемой контроллером лазерного излучения и передающей изображение на монитор 11, размещенный на корпусе, для визуализации процесса пайки и управления режимом пайки с высокой точностью. Лазерная голова (на фигурах не показана), пирометр 8 и устройство для подачи припоя (на фигурах не показано) соединены с контроллером лазерного излучения 5, который измеряет текущую температуры с пирометра и регулирует температуру пайки и/или мощность лазерного излучения. Пирометр 8, ось лазерного луча и видеокамера 12 имеют единую оптическую ось. Данная возможность реализована с помощью системы светоделителей 9 (фиг. 2), которая позволяет повысить точность визуализации процесса и управлять режимом пайки с высокой точностью. Светоделители 9 и система линз фокусировки 10 размещены внутри оптической головы.
Универсальность модуля лазерной пайки 2 позволяет использовать различные линзы для формирования пятна лазера, что позволяет сохранить высокое качество пайки при обработке изделий с различным шагом выводов, т.е. оптическая система лазерной головы может быть образована фокусирующим объективом со сменными линзами или может быть оснащена системой линз с динамически изменяемой формой пятна пайки. Указанные особенности позволяют сохранить высокое качество пайки изделий с различным шагом выводов.
Механизм перемещения 3 модуля лазерной пайки 2, поворотный стол 4 и контроллер лазерного излучения 5 соединены с блоком управления 6.
Помимо измерения текущей температуры с пирометра 8, регулировки температуры пайки и/или мощности лазерного излучения контроллер лазерного излучения 5 выполнен с возможностью сохранения параметров процесса пайки, управления дискретными и аналоговыми входами и выходами, регистрации ошибок подачи припоя, ошибок пирометра и хранение режимов пайки.
Блок управления 6 установки для лазерной пайки выполнен с возможностью осуществлять контроль за механизмом перемещения 3 модуля лазерной пайки 2, вращением поворотного столика 4 и контроллером лазерного излучения 5: выбирать номер процесса пайки, запуск его, отслеживать ошибки, возникающие в процессе позиционирования и пайки. Блок управления жестко закреплен на стенке корпуса.
Установка для лазерной пайки работает следующим образом.
Обрабатываемое изделие размещается на поворотном столе 4. Предварительно оператор посредством блока управления 6 программирует
6
работу механизма перемещения 3 модуля лазерной пайки 2, поворотного стола 4 и контроллера лазерного излучения 5. Затем выполняет запуск программы, согласно которой проводится позиционирование по четырем координатам лазерной головы модуля лазерной пайки 2 относительно обрабатываемой области. Далее выполняется процедура пайки: контроллер лазерного излучения 5 формирует лазерный импульс, который передается по оптоволоконному каналу в лазерную голову модуля лазерной пайки 2. Луч проходит через систему линз фокусировки 10 и светоделителей 9, после чего начинается процесс пайки. Тепловое излучение от точки пайки через систему светоделителей 9 попадает в оптический пирометр 8, который регистрирует текущую температуру пятна, передает данные о температуре в контроллер лазерного излучения 5 для регулировки мощности источника лазерного излучения. Таким способом определяется рабочий режим процесса пайки согласно данным, установленным в программе: путем контроля установленного профиля температуры или путем реализации установленного профиля мощности излучения. После окончания процедуры система переходит к следующей точке вплоть до окончания программы.
Позиционирование положения лазерной головы осуществляется следующим образом. Блок управления 6 посылает сигнал на двигатель механизма перемещения 3 модуля лазерной пайки, механизм перемещения 3 начинает перемещение модуля лазерной пайки 2, при этом от датчиков отслеживания положения и скорости перемещения модуля лазерной пайки 2 на блок управления 6 поступают сигналы о положении и скорости перемещения. Координаты последующих точек пайки устанавливаются относительно начального положения, а позиционирование осуществляется согласно данным, полученным с упомянутых датчиков.
Таким образом, обеспечивается повышение точности и качества пайки изделий электроники и микроэлектроники, создание компактной установки для лазерной пайки, позволяющей визуализировать процесс и управлять режимом пайки с высокой точностью, предотвращать перегрев компонентов и контактных площадок во время пайки, а также расширение арсенала технических средств и эксплуатационных возможностей.
7