J80C型連接器錫環激光焊接工藝研究

崔啟明 楊小健 張越輝 張 琪 張一凡沈 麗

J80C型連接器錫環激光焊接工藝研究

崔啟明 楊小健 張越輝 張 琪 張一凡沈 麗

（北京計算機技術及應用研究所，北京 100854）

本研究通過改變傳統送錫方式改善J80C型連接器手工焊接操作難度大、焊接效率低的問題。采用錫環頂部送錫的方式，將焊錫絲彎折成環形，從連接器引腳上方垂直套入，錫環落至引腳根部后，以激光作為熱源，通過非接觸焊接方式進行焊接。研究結果表明，對J80C型連接器進行激光錫環焊接后，焊點浸潤良好，合金層厚度在1～3μm之間，焊接效率提高244%。

J80C型連接器；激光焊接；錫環送錫；合金層厚度

1 引言

隨著電子產品生產向自動化、規范化、生產參數可監控化發展，規避人工生產不可追溯性，越來越多的電子器件采用自動化設備焊接[1]。J80C型連接器具有信號傳輸速度快、對插方式簡單并帶有防誤差措施保證正確性，廣泛應用在航天航空領域[2]。由于J80C型連接器焊接面與接插面位于同一面，插針不允許沾錫，無法采用波峰焊等自動化焊接設備焊接。目前，主要采用電烙鐵手工焊接，其引腳間距為2mm，四排引腳錯位排列，焊接難度極大，常出現引腳沾錫導致連接器報廢的情況，一個100引腳的連接器，需要焊接40min，嚴重制約J80C型連接器在產品上的批量使用。使用激光焊接設備，采取錫環送錫的方法對J80C連接器進行焊接，具有效率高、焊接一致性好的優點。本文通過研究錫環尺寸、設計焊接工裝、驗證焊接工藝參數，為實現J80C型連接器自動化的焊接提供有效支撐。

2 激光焊接設備

激光焊接設備由繞錫環站、點助焊膏站、預熱和激光焊接站、接駁臺組成，如圖1所示。

圖1 激光焊接設備

a. 繞錫環站由機械繞環系統和CCD視覺鏡頭組成，機械繞環系統將焊錫絲彎折成錫環，通過視覺編程定位到連接器引腳，引腳定位后由機械繞環系統中的機械臂將錫環從引腳上方垂直推送至引腳根部。

b. 點助焊膏站由點助焊膏系統和CCD視覺鏡頭組成，該站的作用是將助焊膏點到錫環上。

c. 預熱和激光焊接站由預熱模塊、激光發射器、CCD視覺鏡頭組成。預熱模塊由兩個預熱臺組成，通過紅外線加熱板卡，可以有效解決J80C連接器接地引腳覆銅區域大，導致焊接時散熱快，連接器引腳焊接質量差的問題。預熱臺可以將印制板組件預熱到易焊溫度，激光焊接模塊可以調節焊接溫度、焊接時間和光斑尺寸等參數，參數設定后由激光器發射激光對連接器引腳進行焊接。

3 激光錫環焊接試驗

3.1 錫環尺寸和送錫方式研究

使用0.5mm直徑的焊錫絲（Sn63Pb37）焊接一個J80C連接器引腳，焊錫長度為8.5mm，將8.5mm的錫絲做成錫環，需要考慮成環直徑，錫環直徑過大，導致相鄰引腳搭接短路，錫環直徑過小，在套環過程中，錫環無法順利到達引腳根部。因此，需要根據焊盤大小、相鄰引腳間距、引腳直徑，設計合適的錫環直徑：J80C引腳的直徑為0.762mm，相鄰引腳中心間距為2mm，將錫環內徑設置為0.85mm，可以將錫環順利套到引腳根部，并且不會導致相鄰引腳搭接，當錫環內徑為0.85mm時，錫環周長為4.23mm，需要將8.5mm的錫絲彎折成2圈，圖2是成形后的錫環。

圖2 錫環外觀圖

圖3是錫環套至引腳根部的外觀圖，連接器相鄰引腳間距2mm，圖3a采用逐點套環方式，相鄰錫環間距過小，焊接過程中，熔融的錫膏易搭接到一起導致引腳連錫短路，見圖3a右上角。為避免錫環搭接短路問題，采用間隔套環方式，如圖3b所示，采用先套奇數引腳錫環，奇數引腳焊接完成后，錫環融化成錐形焊錫附著在焊盤上，焊錫環由圓形融化成錐形的焊錫，直徑減小，然后再套偶數引腳的錫環，此時偶數引腳的錫環和奇數引腳的焊錫間距變大，在偶數引腳錫環焊接過程中不會導致相鄰引腳焊錫搭接短路。

圖3 引腳套錫環外觀圖

3.2 助焊膏點涂方式和重量的研究

在焊接過程中，助焊劑所起的作用為：

a. 獲得無銹蝕的金屬表面，并保持該被焊表面的潔凈狀態；

b. 對表面張力的平衡施加影響，減小接觸角，促進焊料漫流。

本研究使用松香助焊膏，研究先點助焊膏再套環和先套環再點助焊膏兩種點涂方式對焊點質量的影響，如圖4所示。先點助焊膏后套錫環，錫環并未完全落到引腳根部，固狀助焊膏將錫環撐起。套錫環后點助焊膏，助焊膏在錫環上方，為獲得無銹蝕的金屬表面，更傾向于先讓助焊膏與焊盤接觸，焊接時助焊膏更快速留向孔內，有利于焊錫向孔內漫流。針對助焊膏將錫環撐起問題，在后續試驗時發現，器件預熱時，助焊膏在預熱溫度下，由膏狀變成液態，并流向孔內，在液態表面張力和錫環失去支撐的情況下，錫環被拉到引腳根部，因此不存在錫環未落到引腳根部導致焊點高度較高的焊接質量問題。

助焊膏的重量對焊點質量有很大的影響，當助焊膏量較小時，焊錫浸潤較差，無法形成飽滿、光亮的焊點，當助焊膏量較大時，多余的助焊膏易殘留在焊點和板面，若未清洗干凈，助焊劑中的離子會吸收空氣中的水蒸氣，當板卡長時間處在潮濕環境中，易導致連接器阻抗變低，影響板卡功能。本試驗采用控制變量法，保持助焊膏吐出壓力不變，通過調節助焊膏吐出時間，分別驗證了1mg、2mg、4mg助焊膏對焊點質量的影響，助焊膏點涂參數如表1。

表1 助焊膏點涂參數表

在焊接參數一致的情況下，焊接情況見圖5，1號件的焊點光亮度較差，2號件的焊點較為光亮飽滿，3號件焊點附近助焊劑殘留過多。每個焊點點涂2mg的助焊劑較為合適。

3.3 工裝研究

本研究采用激光焊接設備焊接J80C型連接器替代傳統手工焊接，由于J80C型連接器焊點和引腳在同一平面，激光從引腳上方垂直加熱焊錫，需要工裝將連接器殼體撐起，焊接程序編輯完成后，為保證程序適應所有板卡的焊接，每次板卡的放置位置應一致，工裝也起到限位功能，設計工裝見圖6。裝夾工裝從以下幾個方向進行設計。

a. 支撐設計：J80C器件焊接時，表貼器件已焊接完成，為防止工裝壓倒表貼器件，將工裝做成鏤空的。針對本研究的試驗板，板卡尺寸較大，工裝中間掏空后在中間加一個橫梁起到支撐作用。J80C器件引腳是頂部焊接，在橫梁上做一個凹槽，連接器殼體放入凹槽中起到支撐作用。

b. 抬高設計：J80C貼板焊接時，由于焊孔內的氣密性，焊接時孔內的空氣無法排除，焊接后焊點內出現大量空洞，當焊點空洞過多、面積較大時，存在可靠性風險[4]。因此，焊接時應保證孔內空氣順利排除，參考J80CF型連接器殼體設計了抬高凸臺，使殼體與印制板中間留有0.5mm的間隙。而J80C型連接器無凸臺，因此，J80C焊接工裝的凹槽向下多留0.5mm的深度，放置后，器件自然下落與板卡之間存在0.5mm的間隙可以使孔內空氣排出。

c. 材料設計：選擇耐高溫（500℃）、防靜電的合成石作為工裝制作的材料。

3.4 光斑尺寸研究

激光光斑尺寸決定焊接區域的大小，光斑尺寸越大，焊接區域越大，反之焊接區域則變小[5]。同時光斑尺寸大小與焊接能量密度有直接關系，焊接能量一定時，光斑尺寸越大，焊接能量越分散，光斑尺寸越小，焊接能量越集中，當焊接能量越集中時，能量越向材料深層次傳遞[6]。

本研究選取體積小、重量輕、壽命長，不需要冷卻系統的Nd：YGA半導體激光發射器作為熱源，通過調節激光焊接設備中的光斑參數，可以控制激光發射器的光斑大小。J80C型連接器引腳間距為2mm，錫環直徑為0.85mm，當光斑直徑大于3.15mm時，相鄰引腳上的焊錫會重熔，造成相鄰引腳多次焊接。考慮光斑尺寸過小燒傷板面，將激光器的光斑尺寸設置為3mm，焊接圖7區域，從VS-8光學檢測儀下觀察焊接區域，板面被燒傷。因此3mm光斑不適合焊接印制板組件會燒傷板卡。將光斑尺寸設置為4mm，焊接溫度為350℃，焊接圖示區域，板面完好未被燒傷。經過多次驗證3mm以下的光斑會燒傷板卡。本試驗選取4mm，5mm，6mm大小的光斑，探究最適合焊接J80C型連接器尺寸的光斑。

圖7 激光燒傷板卡形貌圖

3.5 預熱方式研究

預熱印制板組件的作用有以下幾種：

a. 提高助焊劑的活性，使助焊劑中的溶劑揮發，避免焊接時氣化炸錫；

b. 增加焊盤的潤濕性能，防止覆銅多的區域透錫率低；

c. 去除焊盤有害雜質；

d. 減少焊料內聚力[3]。

本試驗選取的試驗板覆銅區域大，為避免焊接過程中覆銅區域散熱快，導致焊點浸潤性差、不透錫的問題，采用紅外預熱臺對J80C器件上下區域進行預熱，見圖8，選取三種預熱參數進行驗證：80℃/80s、100℃/80s、120℃/80s。

圖8 板卡預熱示意圖

3.6 焊接工藝流程

圖9 激光焊接流程圖

激光錫環焊接工藝步驟如圖9所示。

a. 印制板組件放在工裝上由接駁臺送到繞錫環站進行套錫環作業。

b. 錫環套完后，印制板組件流至點助焊膏站進行點助焊膏作業。

c. 焊膏點完后進行預熱。

d. 印制板組件預熱完成后，在激光焊接站進行奇數引腳激光焊接，焊接過程為激光從引腳上方垂直照射錫環，由于設置的光斑尺寸大于錫環尺寸，因此整個錫環同時融化和凝固，單個引腳焊接完成后，激光光源再移動到間隔引腳處完成焊接，如圖10所示。

圖10 激光焊接示意圖

e. 奇數引腳焊接完成后，按照工序a～d進行偶數引腳焊接。

3.7 焊接參數驗證

選取6塊樣件進行焊接，激光焊接參數如表2所示，激光焊接參數的設定是參考J80C連接器手工焊接的溫度和時間，使用溫控烙鐵焊接J80C連接器時，非接地引腳焊接溫度為(310±10)℃，接地點引腳溫度為(340±10)℃，手工焊接時間為3s，表2中焊接時間設置為3.5s，其中3s為錫環融化和凝固時間，0.5s為激光移動到下一個焊點的時間，總計為3.5s。

表2 焊接參數表

使用VS-8光學檢測儀觀察樣件焊點質量，樣件1（圖11）焊接質量差，焊點未完全浸潤。

圖11 樣件1焊點形貌

樣件2（圖12）焊點飽滿光亮，焊接一致性好，透錫率為100%。

圖12 樣件2焊點形貌

樣件3（圖13）焊點飽滿光亮，焊接一致性好，透錫率為100%。

圖13 樣件3焊點形貌

樣件4（圖14）焊接質量差，焊點未完全浸潤，部分焊點不透錫。

圖14 樣件4焊點形貌

樣件5（圖15）非接地焊點飽滿光亮，焊接一致性好，接地點不透錫。

樣件6（圖16）非接地焊點飽滿光亮，焊接一致性好，接地點不透錫。

圖16 樣件6焊點形貌

a. 樣件1與樣件3相比只有光斑尺寸參數不同，因此推斷樣件焊點質量差是由于光斑尺寸（4mm）較小導致的，從焊點質量較好的樣件2和樣件3分析可知，5mm、6mm的光斑尺寸參數較優。

b. 樣件4與樣件2相比預熱溫度較低（80℃），說明樣件4焊接不良是板卡預熱溫度不足導致的，100℃和120℃的預熱溫度較優。

c. 樣件5和樣件6非接地點焊接良好，接地點不透錫，樣件5和樣件6與樣件2相比，焊接溫度較低，說明300℃、320℃的焊接溫度可以滿足非接地點的透錫要求，對于接地點，焊接溫度不足。

綜上所有，光斑尺寸為5mm和6mm，預熱溫度/預熱時間為100℃/80s、120℃/80s，接地點焊接溫度為350℃，非接地點焊接溫度320℃可以形成良好的焊點。J80C型連接器引腳間距為2mm，使用6mm光斑會導致臨排和隔排引腳焊點重熔，為減少引腳多次重熔導致焊點可靠性變差，選用5mm的光斑尺寸進行焊接。J80C基材的耐熱溫度為150℃，在100℃和120℃都可以達到預熱溫度的情況下，優先選用100℃的預熱溫度。最終焊接參數定為：光斑尺寸：5mm，預熱溫度/預熱時間為100℃/80s，接地點焊接溫度/時間：350℃/3.5s，非接地點焊接溫度/時間：320℃/3.5s。

4 試驗結果分析

4.1 焊點形貌分析

使用選定的參數焊接樣件，如圖17所示。焊點光亮飽滿，焊接高度一致，無焊點爬錫過高的缺陷，所有焊點高度不超過2mm，從反面可觀察到明顯透錫，俯視觀察所有焊點，無橋連短路缺陷，所有焊點焊接質量一致。

圖17 焊接形貌

使用X光設備檢測引腳透錫率，從圖18中可以看出焊點透錫良好，焊錫填滿焊孔，透錫率達到100%。

圖18 焊點X光照片

4.2 焊點合金層分析

焊點的合金層（IMC）厚度直接影響焊點的可靠性，一般IMC厚度在1～3μm之間有比較理想的機械強度。通過掃描電鏡觀察激光焊接焊點IMC厚度（見圖19），引腳與焊點合金層平均厚度1.651μm，焊盤與焊點合金層平均厚度2.308μm，焊點強度滿足要求。

圖19 焊點SEM照片

4.3 焊接效率分析

激光焊接100引腳的J80C連接器需要11.6min，各工序時間如表3所示，手工焊接需要40min，焊接效率提高了244%。

表3 焊接工序時間表

5 結束語

通過對錫環激光焊接工藝研究，錫環激光焊接工藝可以保證焊點可靠性，實現了J80C連接器自動化焊接，解決制約手工焊接效率低，焊接過程不可控、引腳易沾錫報廢的技術瓶頸，可以作為新的焊接工藝方法在電子行業內推廣應用。

1 張昧藏，趙亞娜，楊瑞棟，等. 宇航電子產品工藝設計自動化方案淺談[J]. 航天制造技術，2020(3)：20～23+32

2 郭鵬飛，甄榕，李榜華. J80C板間連接器搪錫及焊接工藝研究[J]. 電子工藝技術，2018，39(6)：325～327+335

3 譚小鵬. 大面積接地多層印制板焊接工藝研究[J]. 電子工藝技術，2015，36(1)：32～33+50

4 張晟，張晨暉，金星，等. 球柵陣列（BGA）器件底填膠空洞測試方法及評估要求[J]. 中國膠粘劑，2023，32(6)：38～46

5 Ma Bo, Gao Xiangdong, Huang Yijie, et al. A review of laser welding for aluminium and copper dissimilar metals[J]. Optics and Laser Technology, 2023(167)：277～281

6 Stefan R, Riccardo R, Josephin E, et al. Mechanical Properties of Fibre Laser Welded AZ31B Sheets and their Dependence on the Spot-Size[J]. Materials. 2015(828)：298～304

Research on Laser Solder Ring Welding Technology of J80C Connector

Cui Qiming Yang Xiaojian Zhang Yuehui Zhang Qi Zhang Yifan Shen Li

(Computer Technology and Application Research Institute in Beijing, Beijing 100854)

This study improves the problem of difficult manual soldering operation and low soldering efficiency of J80C type connectors by changing the traditional tin feeding method. The study uses the tin ring top feeding method and laser as the heat source to perform welding method. The results show that after the laser tin ring welding process for J80C type connectors, the solder joints are well infiltrated, the alloy layer thickness is between 1μm and 3μm, and the welding efficiency is increased by 244%.

connector type J80C；laser welding；solder ring feed tin；alloy layer thickness

101-TP391.9 A；V461

A

崔啟明（1994），碩士，材料科學與工程專業；研究方向：電子裝聯技術。

2022-12-05