吳希杰，周方明

(1.威海職業(yè)學(xué)院 交通學(xué)院，山東 威海 264210；2.江蘇科技大學(xué) 江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

一般情況下，傳感器組件上的微矩形電連接端口，引腳焊盤(pán)中心間距僅為1.27 mm。通常依賴(lài)技能水平高的操作人員，手工將排線焊接到傳感器組件的微矩形電連接端口上。實(shí)際中，由于電烙鐵漏電、熱傳導(dǎo)損傷、焊點(diǎn)橋連、淺通等原因，微矩形電連接的一次檢驗(yàn)通過(guò)率比較低，甚至在整機(jī)調(diào)試中出現(xiàn)故障[1]。這種人工焊接方式效率低、故障率高、電性能指標(biāo)差，影響船舶控制及通導(dǎo)設(shè)備的可靠運(yùn)行。

激光軟釬焊的局部能量能夠快速集中地加熱或冷卻，聚焦斑點(diǎn)尺寸微小，焊點(diǎn)最小可達(dá)0.1 mm2，能夠避免橋連等故障現(xiàn)象；熱輸入位置點(diǎn)精確可控，且對(duì)焊點(diǎn)周?chē)斐傻臒嵊绊懶?。同時(shí)，激光軟釬焊利用熱傳導(dǎo)完成非接觸式焊接，對(duì)引腳焊盤(pán)和連接線沒(méi)有任何物理?yè)p傷，也可避免因漏電、靜電等造成傳感器組件的傷害[2]。

激光軟釬焊接技術(shù)能夠滿足傳感器組件微矩形電連接端口與排線的電子互連要求[3]，為此，考慮采用該技術(shù)解決微連接器焊接質(zhì)量問(wèn)題。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

恒流源模塊：提供可調(diào)、精密、穩(wěn)定的恒定電流，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器模塊，通過(guò)調(diào)節(jié)恒流源輸出電流的大小，控制激光功率輸出的高低。

半導(dǎo)體激光器：配合光纖聚焦鏡，按照控制要求輸出激光功率。

溫控器及半導(dǎo)體制冷器：保持半導(dǎo)體激光器恒定工作在(25±1)℃，可使其穩(wěn)定、可靠地工作。

運(yùn)動(dòng)控制模塊：運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的垂直運(yùn)動(dòng)及在引腳焊盤(pán)間與傳感器組件間的平行移動(dòng)。包括機(jī)械傳動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊等部分。

控制系統(tǒng)：選用STC15W4K單片機(jī)，以及其他外圍控制電路。

電源系統(tǒng)：提供控制系統(tǒng)工作電源、激光器工作電源、溫控電路電源。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證激光軟釬焊電路正常工作，提供3種工作電源：控制系統(tǒng)電源+5 V、激光器電源+12 V及-12 V、溫控電路輔助電源+12 V、制冷片電源[4]。

總電源采用大功率的電源模塊，輸入交流為220 V，輸出+12 V(20 Amax)及-12 V，其中+12 V電源又分為3路，第一路供給激光器，第二路供給制冷片，第三路作為其他電路電源，包括輸出至運(yùn)放OP07及散熱電路等。為減少3路12 V電源間的干擾，采用LC濾波電路及地間磁珠隔離方式[5-6]。12 V電源分配電路見(jiàn)圖2。

圖2 12 V電源分配電路

電源5 V作為控制系統(tǒng)工作電源，提供給單片機(jī)及外圍其他控制電路，采用LM2596-5V開(kāi)關(guān)電源芯片。LM 2596作為降壓型電源芯片，外圍只需要4個(gè)元件，能提供3 A電流，且具有很好的線性負(fù)載調(diào)節(jié)特性。5 V電源電路見(jiàn)圖3。

圖3 5 V電源電路

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用STC15W4K單片機(jī)處理器。該單片機(jī)具有2.5～5.5 V的寬工作電壓范圍，運(yùn)行速度高于傳統(tǒng)51單片機(jī)7～12倍。本系統(tǒng)工作電壓設(shè)定5 V、采用22.118 4 MHz內(nèi)置RC時(shí)鐘、SRAM為4 k字節(jié)、Flash空間為40 kB。處理器電路見(jiàn)圖4。

圖4 處理器電路

4 激光波長(zhǎng)與功率選擇

激光軟釬焊的核心部件是激光器。一般工業(yè)中應(yīng)用的激光器包括氣體、固體和半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器(laser diode， LD)，是一種電流激勵(lì)的光子源器件，波長(zhǎng)為0.78～0.86 μm，屬于短波激光。傳感器組件的微矩形電連接端口是PCB板，是在非金屬絕緣基材上覆銅。鋁、銅等金屬與玻璃等非金屬材料對(duì)不同頻率激光的吸收率情況不同。非金屬材料，對(duì)長(zhǎng)波激光吸收率較大，而銅材和焊膏釬料對(duì)短波激光吸收率較大。半導(dǎo)體激光器具有體積小、壽命長(zhǎng)、輸出功率可控等特點(diǎn)，其電-光轉(zhuǎn)換效率相對(duì)比較高，可達(dá)30%[7]。綜合考慮，選擇波長(zhǎng)較短、100 W的半導(dǎo)體激光器。

5 半導(dǎo)體激光器恒流源設(shè)計(jì)

恒流源電路模塊包括基準(zhǔn)電壓電路、恒流控制電路、濾波器、保護(hù)電路等。

5.1 基準(zhǔn)電壓電路設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)電壓電路為恒流源提供精準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)電壓。選用MC1403作為基準(zhǔn)電壓源，芯片電壓輸入范圍寬至4.5～40 V；輸出電壓為+2.5 V，誤差±1%，高精度、低溫漂。本系統(tǒng)采用+12 V作為輸入電壓。電路見(jiàn)圖5。

圖5 基準(zhǔn)電壓電路

5.2 恒流源電路設(shè)計(jì)

恒流源控制電路分為比較放大、輸出級(jí)、反饋電路等部分。采用集成運(yùn)放OP07CP作為比較放大電路。OP07芯片具有低噪聲、非斬波穩(wěn)零、輸入偏置電流低和開(kāi)環(huán)高增益等特點(diǎn)。

輸出級(jí)采用IRF460，是增強(qiáng)型、高電壓功率N-MOSFETS管，具有開(kāi)關(guān)切換時(shí)間短、導(dǎo)通電阻小、大電流等特點(diǎn)。恒流源輸出采用LC低通濾波器濾除100 Hz以上紋波。

電路中R8作為取樣電阻，采用10 mΩ精密康銅絲電阻器。

恒流源電路見(jiàn)圖6。

圖6 恒流源電路

5.3 保護(hù)電路

為保障電磁兼容性能，并確保電路的可靠性，設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)與防浪涌電路。

因外界原因或電源等故障，有可能造成輸出至激光器的電流過(guò)大，為保護(hù)激光器，設(shè)置恒流源輸出級(jí)過(guò)流保護(hù)電路。將激光器取樣電阻R8上的電壓連接至過(guò)流保護(hù)電路輸入端。當(dāng)恒流源電流過(guò)大時(shí)，通過(guò)初級(jí)OP07電壓比較，次級(jí)OP07同相驅(qū)動(dòng)輸出，控制繼電器K1動(dòng)作，切斷輸出至恒流源的12 V電源，從而保護(hù)恒流源及激光器免于損壞。具體電路見(jiàn)圖7。

圖7 過(guò)流保護(hù)電路

為防止高電流(壓)或雷擊電流(壓)輸出給激光器，采用瞬態(tài)抑制TVS二極管進(jìn)行保護(hù)。在實(shí)際安裝時(shí)，為有效地保護(hù)，TVS置于激光器的輸入端近側(cè)。

圖8 防浪涌保護(hù)電路

6 激光器溫控電路設(shè)計(jì)

為保證半導(dǎo)體制冷器有效、可靠地工作，設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體制冷片的溫控電路。溫控模塊主要包括溫度檢測(cè)、半導(dǎo)體制冷片、散熱片以及導(dǎo)熱硅脂等。溫控器通過(guò)集成穩(wěn)定傳感器18B20檢測(cè)半導(dǎo)體激光器的溫度，通過(guò)DAQ接口輸出至單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)判斷。電路安裝時(shí)，將18B20通過(guò)導(dǎo)熱硅脂固定在激光器表面。電路見(jiàn)圖9。

圖9 溫度檢測(cè)電路

制冷片是溫控電路的核心部件，有2個(gè)平面，分為制冷面和制熱面；有2個(gè)電源輸入端，12 V電源正向接入或反向接入至制冷片的輸入端，可使制冷片分別處于制冷或制熱狀態(tài)。一般情況下，半導(dǎo)體制冷片標(biāo)有文字的面是制冷面。制冷片的制熱面需要安裝大的散熱器和散熱風(fēng)扇，以散除制熱面熱量，使激光器保持恒定溫度。單片機(jī)判斷激光器表面溫升情況，通過(guò)PWM方式調(diào)節(jié)控制半導(dǎo)體制冷器的制冷量，通過(guò)單片機(jī)的RELAY端控制制冷片的輸入電源，根據(jù)溫度變化情況，切換制冷片的輸入電源極性，從而使激光器始終處于給定的恒定溫度范圍。溫控電路見(jiàn)圖10。

圖10 溫控電路

附有微型風(fēng)扇的散熱片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂穩(wěn)定固定在半導(dǎo)體制冷片的熱面，并確保制冷片受力均勻。溫控電路采用獨(dú)立的12 V電源供電。單片機(jī)輸出端口PWM及RELAY，通過(guò)光電耦合器PC817控制制冷片的電源極性與電流斷續(xù)比。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

硬件電路經(jīng)仿真及調(diào)試后，進(jìn)行電路板制作；對(duì)STC15W4K單片機(jī)進(jìn)行軟件編程，同時(shí)設(shè)計(jì)并安裝運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

在威海某船舶電氣公司，選擇微連接器引腳間距為1.27 mm的20個(gè)傳感器組件，共40個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際對(duì)比檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 船用微連接器焊接質(zhì)量合格率

通過(guò)對(duì)比檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)通性能方面，激光釬焊的合格率達(dá)到了100%；在外觀檢測(cè)方面，2組的合格率分別82.5%、87.5%。對(duì)激光釬焊檢測(cè)不合格的5個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)排線過(guò)軟，造成焊接時(shí)發(fā)生上翹現(xiàn)象，以及焊錫膏印刷量偏少，影響了焊點(diǎn)外觀質(zhì)量。經(jīng)前期有針對(duì)性地對(duì)排線進(jìn)行適當(dāng)整形，并適當(dāng)增加焊錫膏印刷量后，再次對(duì)焊點(diǎn)外觀檢測(cè)，合格率達(dá)到97.5%，滿足船舶控制設(shè)備的電性能要求。

8 結(jié)論

選擇合適頻率和功率的半導(dǎo)體激光器，并利用精密恒流源技術(shù)，為其提供可調(diào)的恒定電流；同時(shí)輔以溫度控制系統(tǒng)，以保證激光器工作在合適的溫度范圍；考慮到激光器與制冷片電流消耗較大，采用電磁兼容技術(shù)以減少相互干擾。電路經(jīng)仿真與實(shí)際測(cè)試，焊接質(zhì)量合格率達(dá)到100%，同時(shí)，生產(chǎn)效率提高了1倍以上，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

在電路的設(shè)計(jì)和整體調(diào)試過(guò)程中，部分問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究，主要是激光光斑較小時(shí)，不足以全部覆蓋單個(gè)引腳焊盤(pán)，光斑調(diào)整過(guò)大時(shí)，能量密度偏小，焊接時(shí)間偏長(zhǎng)，光斑的大小需調(diào)試優(yōu)化；以及焊錫膏印刷量的取值等情況。

關(guān)于微連接器激光軟釬焊電路設(shè)計(jì)的后續(xù)研究工作，主要有：激光管損耗較大，輸出效率低，達(dá)不到預(yù)期輸出功率，導(dǎo)致焊接時(shí)間偏長(zhǎng)；激光入射角與照射位置對(duì)焊點(diǎn)成形的影響；優(yōu)化溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)±0.5 ℃的溫控范圍。