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激光焊接及自動化技術在光通訊器件封裝上的應用

作者:a 來源: 日期:2018-08-13 10:53:15 人氣:54 評論:0 標簽:

1. 應用背景

  在行業(yè)內,傳統的光通訊器件封裝技術,一般是通過UV膠將器件在結合面處粘接固定起來,先是將UV膠點到器件結合處,再通過紫外線燈照射固化。這種器件連接方式,存在許多缺陷,比如,固化深度有限;受器件幾何形狀限制;紫外線燈照射不到的地方膠不會固化。既要有點膠裝置,又要設置紫外燈,使得整個系統機構變得比較復雜,最主要的是在器件實際使用時,由于受熱等因素,會存在上下器件在結合處出現微量的位置偏移,導致器件耦合功率值失常,精度下降,影響產品質量,還有生產節(jié)拍長,效率不高。而采用激光焊接這種新型的焊接技術,其所具備的焊接牢固、變形極小、精度高、速度快、易實現自動控制等優(yōu)點,使之成為光通訊器件封裝技術的重要手段之一。為此,大族激光精密焊接事業(yè)部自主研制一款高速自動耦合激光焊接系統,這是集激光焊接及其工藝技術、自動化控制技術于一體的系統。

  
2. 自動化技術應用


2.1 器件自動找平技術

  通過傳感器控制技術及電動弧擺機構,來實現光通訊器件的調節(jié)環(huán)(Z環(huán))和適配器接觸面貼合,即器件自動找平。通常要求兩個面間隙控制在0.01~0.03mm之間。

  依照耦合器件工作機理及封裝工藝的要求,調節(jié)環(huán)(Z環(huán))與適配器接觸面必須貼平,才能滿足器件使用要求。調節(jié)環(huán)(Z環(huán))是夾持在上夾頭上,上夾頭只做上下移動,不能擺動,定為基準面,所以,如果要求調節(jié)環(huán)(Z環(huán))與適配器接觸面能有效貼平,就得讓適配器能自動與調節(jié)環(huán)(Z環(huán))接觸面貼平。適配器夾持在下夾頭上,下夾頭安裝在滑動塊上面,可以順暢滑動,通過上頂氣缸頂起,當Z 軸向下運動,調節(jié)環(huán)(Z環(huán))壓緊適配器時,下夾頭向下運動(Z 軸的力大于上頂氣缸的力,上頂氣缸氣路安裝有精密減壓閥,可通過精密減壓閥調整上頂力)。當滑動塊上下移動時,高精度位移傳感器檢測到位移量的變化,與此同時,電動弧擺機構按照設定的運動軌跡擺動,當位移傳感器檢測到位移量最小且數值無變化時,調節(jié)環(huán)(Z環(huán))與適配器貼平,以上就是器件自動找平機理。自動找平機構詳圖如下:
 

360截圖16320214184951.png

  
2.2 器件自動耦合技術

  我們在2.1中講到器件找平原理,接下來按照工藝流程順序,就要進行器件自動耦合找光,即找到目標光功率值,找到目標光功率值后通過激光自動焊接,完成器件的封裝。

  針對光通訊器件焊接的特殊工藝要求,我們采用三軸聯動精確控制技術,按照規(guī)定的螺旋線耦合軌跡進行找光。由于找光精度極高,所以,我們采用進口超高精度運動元件,實現器件自動耦合找光,即通過XY軸和Z軸差補運動,走螺旋線軌跡來找到上下器件目標光功率值。
 

  自動耦合控制技術有如下特點:

  a.耦合采用高性能高精度運動元件,結合我們自主開發(fā)的先進控制軟件耦合算法,達到很高的耦合效率;

  b.找平和耦合過程實時顯示分布曲線,目的是能直觀地顯示找平和耦合的過程,只有當標準的、完整的、光滑的正態(tài)分布曲線出現時,才說明找平或耦合達到預期的目標值;

  c.單獨操作各個軸的移動和調試,方便測得耦合參數;

  d.友好的軟件操作界面,自動時可根據不同器件的工藝編寫不同的程序(F-Basic編程,簡單易學),并可保存下來方便客戶下次調用;

  e.耦合參數設置簡單方便,耦合方式可選(耦合方式包括X軸、Y軸、Z軸單獨耦合,XY兩軸同時耦合,XYZ三軸同時耦合),耦合過程自動完成;

  f.焊接頭自動調整,自動實現不同高度、不同直徑器件的焊接;

  g.CCD圖像實時監(jiān)控各個焊點,方便客戶實時觀察焊點的情況。
 

  自動耦合機構詳圖如下:

 

360截圖175207167010666.png

 

  無論是器件自動找平技術還是器件自動耦合技術,都是通過自動化控制技術和相關的思維策略來實現的,為實現自動耦合找光目標,我們精心設計這套精密運動機構,實現六軸聯動。這套機構還具有一定的柔性功能,可以通過快速切換相應的焊接治具,實現對不同器件的自動耦合焊接。

  
2.3 耦合算法技術

  針對光通訊器件找光的精細要求,根據裝置的運動機理,需研究一種運動軌跡,能快速地找到器件耦合的目標光功率值。為此,我們采用按螺旋線軌跡運動的算法,從規(guī)定的某點開始,XY軸作差補運動,走細分的螺旋線運動軌跡,從內到外以螺旋線運動的方式,直到找到目標光功率值。采用這種方法可以快速地、精確地找到耦合的目標光功率值。通過耦合曲線實時顯示直觀的耦合效果(如下圖)。

 

360截圖17650112272441.png

  
3. 激光焊接技術應用

  激光焊接作為一種高質量、高精度、高效率和高速度的焊接方法,日益受到人們的關注和應用。由于激光的能量密度很高,因此,激光焊接速度快、焊接深度深、熱影響區(qū)小,可實現自動化精密焊接。

  
3.1 激光焊接機

  光通訊器件激光封裝技術對焊接機能量分配及能量的穩(wěn)定性要求非常高,要求三路光(或六路光)能量偏差值≤0.03J。為滿足這種要求,我們自主研制一款專用激光焊接機WF80。

  3.2焊接工藝研究

  a.焊點分布:可同時焊接3槍,圓周方向9個位置的焊點(穿透焊與平焊焊點分布相同)。另外,可自修改程序更改焊點分布情況。

  b.可同時做平焊和穿透焊,要求平焊與穿透焊直徑、熔深參數一致。

  c.具有補焊功能,即焊接時不良可直接補焊(設備有這個功能,但使用可選可不選)。

  d.焊接完后,功率偏差在5%以內的直通率要求90%以上,老化測試后的直通率要求不變化。

  e.焊點直徑大小0.4~0.7mm;焊點熔深大小0.3~0.6mm ;剪切力≥42Kg。

  f.通過調整焊接機的能量、焊槍的入射角及精細變焦等工藝參數,觀察火花的明亮程度和聽激光打在器件上的聲音,來初步判斷焊接的效果。最終,通過測試器件焊斑大小、熔深的的大小來判斷器件是否滿足要求。

  
4. 應用分析

  激光焊接技術在光通訊行業(yè)上的應用其實并不是特別新奇,在這個領域,韓國和臺灣已經有自動耦合設備投入市場,但是,由于他們設備價格偏高,國內許多用戶難以適應,再加上光通訊器件對焊接設備精度和激光焊接工藝要求越來越高,就要求設備更加精量化,更加穩(wěn)定可靠易操作,所以,進口設備也面臨著諸多挑戰(zhàn)。所以,為滿足市場需求,基于大族激光精密焊接事業(yè)部在激光焊接及自動化控制技術領域的領先優(yōu)勢,我們研制了一款高速自動耦合激光焊接系統。

  從焊接工藝性的角度看,激光焊接技術在光通訊器件封裝上的應用相對比較成熟,但是,從自動耦合技術到焊接工藝還有很大的提升空間。耦合機構如何能做到更加簡單可靠,夾持器件的夾具如何能做到快速切換、精準定位,耦合算法如何更加簡潔,這些都需要不斷創(chuàng)新完善,來提高整個系統的穩(wěn)定性、可靠性及機器調試可操作性。期望通過研發(fā)能力的不斷提升,將先進的技術融入研發(fā)設計中,從而來保證機器性能的領先性。


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