船舶控制设备用微连接器激光软钎焊电路设计

作者:查重猫     发表时间:2021-04-08 09:09:50   浏览次数:29



  摘要:针对在船舶控制设备用微连接器手工焊接中出现的焊接质量问题,利用精密恒流技术与温度控制技术的功能,设计基于STC15W4K单片机控制的激光器软钎焊硬件电路系统,通过精密恒流驱动技术及半导体制冷技术,实现微连接器引脚与排线的准确焊接,试验结果表明,可实现微连接器的软钎焊自动焊接功能,提高焊接质量,提升生产效率。

  关键词:微连接器;激光软钎焊;温控系统

  一般情况下,传感器组件上的微矩形电连接端口,引脚焊盘中心间距仅为1.27mm。通常依赖技能水平高的操作人员,手工将排线焊接到传感器组件的微矩形电连接端口上。实际中,由于电烙铁漏电、热传导损伤、焊点桥连、浅通等原因,微矩形电连接的一次检验通过率比较低,甚至在整机调试中出现故障[1]。这种人工焊接方式效率低、故障率高、电性能指标差,影响船舶控制及通导设备的可靠运行。

  激光软钎焊的局部能量能够快速集中地加热或冷却,聚焦斑点尺寸微小,焊点最小可达0.1mm2,能够避免桥连等故障现象;热输入位置点精确可控,且对焊点周围造成的热影响小。同时,激光软钎焊利用热传导完成非接触式焊接,对引脚焊盘和连接线没有任何物理损伤,也可避免因漏电、静电等造成传感器组件的伤害[2]。

  激光软钎焊接技术能够满足传感器组件微矩形电连接端口与排线的电子互连要求[3],为此,考虑采用该技术解决微连接器焊接质量问题。

  1系统组成

  系统组成见图1。恒流源模块:提供可调、精密、稳定的恒定电流,驱动半导体激光器模块,通过调节恒流源输出电流的大小,控制激光功率输出的高低。

  半导体激光器:配合光纤聚焦镜,按照控制要求输出激光功率。

  温控器及半导体制冷器:保持半导体激光器恒定工作在(25±1)℃,可使其稳定、可靠地工作。

  运动控制模块:运动控制模块实现半导体激光器的垂直运动及在引脚焊盘间与传感器组件间的平行移动。包括机械传动、步进电机、驱动模块等部分。

  控制系统:选用STC15W4K单片机,以及其他外围控制电路。

  电源系统:提供控制系统工作电源、激光器工作电源、温控电路电源。

  2电源系统设计

  为保证激光软钎焊电路正常工作,提供3种工作电源:控制系统电源+5V、激光器电源+12V及-12V、温控电路辅助电源+12V、制冷片电源[4]。

  总电源采用大功率的电源模块,输入交流为220V,输出+12V(20Amax)及-12V,其中+12V电源又分为3路,第一路供给激光器,第二路供给制冷片,第三路作为其他电路电源,包括输出至运放OP07及散热电路等。为减少3路12V电源间的干扰,采用LC滤波电路及地间磁珠隔离方式[5-6]。12V电源分配电路见图2。

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  电源5V作为控制系统工作电源,提供给单片机及外围其他控制电路,采用LM2596-5V开关电源芯片。LM2596作为降压型电源芯片,外围只需要4个元件,能提供3A电流,且具有很好的线性负载调节特性。5V电源电路见图3。

  3控制系统设计

  选用STC15W4K单片机处理器。该单片机具有2.5~5.5V的宽工作电压范围,运行速度高于传统51单片机7~12倍。本系统工作电压设定5V、采用22.1184MHz内置RC时钟、SRAM为4k字节、Flash空间为40kB。处理器电路见图4。

  4激光波长与功率选择

  激光软钎焊的核心部件是激光器。一般工业中应用的激光器包括气体、固体和半导体激光器。半导体激光器(laserdiode,LD),是一种电流激励的光子源器件,波长为0.78~0.86μm,属于短波激光。传感器组件的微矩形电连接端口是PCB板,是在非金属绝缘基材上覆铜。铝、铜等金属与玻璃等非金属材料对不同频率激光的吸收率情况不同。非金属材料,对长波激光吸收率较大,而铜材和焊膏钎料对短波激光吸收率较大。半导体激光器具有体积小、寿命长、输出功率可控等特点,其电-光转换效率相对比较高,可达30%[7]。综合考虑,选择波长较短、100W的半导体激光器。

  5半导体激光器恒流源设计

  恒流源电路模块包括基准电压电路、恒流控制电路、滤波器、保护电路等。

  5.1基准电压电路设计

  基准电压电路为恒流源提供精准标准电压。选用MC1403作为基准电压源,芯片电压输入范围宽至4.5~40V;输出电压为+2.5V,误差±1%,高精度、低温漂。本系统采用+12V作为输入电压。电路见图5。

  5.2恒流源电路设计

  恒流源控制电路分为比较放大、输出级、反馈电路等部分。采用集成运放OP07CP作为比较放大电路。OP07芯片具有低噪声、非斩波稳零、输入偏置电流低和开环高增益等特点。

  输出级采用IRF460,是增强型、高电压功率N-MOSFETS管,具有开关切换时间短、导通电阻小、大电流等特点。恒流源输出采用LC低通滤波器滤除100Hz以上纹波。

  电路中R8作为取样电阻,采用10mΩ精密康铜丝电阻器。恒流源电路见图6。

  5.3保护电路

  为保障电磁兼容性能,并确保电路的可靠性,设计过流保护与防浪涌电路。

  因外界原因或电源等故障,有可能造成输出至激光器的电流过大,为保护激光器,设置恒流源输出级过流保护电路。将激光器取样电阻R8上的电压连接至过流保护电路输入端。当恒流源电流过大时,通过初级OP07电压比较,次级OP07同相驱动输出,控制继电器K1动作,切断输出至恒流源的12V电源,从而保护恒流源及激光器免于损坏。具体电路见图7。

  为防止高电流(压)或雷击电流(压)输出给激光器,采用瞬态抑制TVS二极管进行保护。在实际安装时,为有效地保护,TVS置于激光器的输入端近侧。

  6激光器温控电路设计

  为保证半导体制冷器有效、可靠地工作,设计了基于半导体制冷片的温控电路。温控模块主要包括温度检测、半导体制冷片、散热片以及导热硅脂等。温控器通过集成稳定传感器18B20检测半导体激光器的温度,通过DAQ接口输出至单片机进行检测判断。电路安装时,将18B20通过导热硅脂固定在激光器表面。电路见图9。

  制冷片是温控电路的核心部件,有2个平面,分为制冷面和制热面;有2个电源输入端,12V电源正向接入或反向接入至制冷片的输入端,可使制冷片分别处于制冷或制热状态。一般情况下,半导体制冷片标有文字的面是制冷面。制冷片的制热面需要安装大的散热器和散热风扇,以散除制热面热量,使激光器保持恒定温度。单片机判断激光器表面温升情况,通过PWM方式调节控制半导体制冷器的制冷量,通过单片机的RELAY端控制制冷片的输入电源,根据温度变化情况,切换制冷片的输入电源极性,从而使激光器始终处于给定的恒定温度范围。温控电路见图10。

  附有微型风扇的散热片通过导热硅脂稳定固定在半导体制冷片的热面,并确保制冷片受力均匀。温控电路采用独立的12V电源供电。单片机输出端口PWM及RELAY,通过光电耦合器PC817控制制冷片的电源极性与电流断续比。

  7实验结果分析

  硬件电路经仿真及调试后,进行电路板制作;对STC15W4K单片机进行软件编程,同时设计并安装运动控制系统。

  在威海某船舶电气公司,选择微连接器引脚间距为1.27mm的20个传感器组件,共40个焊点进行实际对比检测。检测结果见表1。

  通过对比检测发现,在导通性能方面,激光钎焊的合格率达到了100%;在外观检测方面,2组的合格率分别82.5%、87.5%。对激光钎焊检测不合格的5个焊点进行分析,发现排线过软,造成焊接时发生上翘现象,以及焊锡膏印刷量偏少,影响了焊点外观质量。经前期有针对性地对排线进行适当整形,并适当增加焊锡膏印刷量后,再次对焊点外观检测,合格率达到97.5%,满足船舶控制设备的电性能要求。

  8结论

  选择合适频率和功率的半导体激光器,并利用精密恒流源技术,为其提供可调的恒定电流;同时辅以温度控制系统,以保证激光器工作在合适的温度范围;考虑到激光器与制冷片电流消耗较大,采用电磁兼容技术以减少相互干扰。电路经仿真与实际测试,焊接质量合格率达到100%,同时,生产效率提高了1倍以上,满足实际生产需求。

  在电路的设计和整体调试过程中,部分问题需要进一步深入研究,主要是激光光斑较小时,不足以全部覆盖单个引脚焊盘,光斑调整过大时,能量密度偏小,焊接时间偏长,光斑的大小需调试优化;以及焊锡膏印刷量的取值等情况。

  关于微连接器激光软钎焊电路设计的后续研究工作,主要有:激光管损耗较大,输出效率低,达不到预期输出功率,导致焊接时间偏长;激光入射角与照射位置对焊点成形的影响;优化温控系统,实现±0.5℃的温控范围。——论文作者:吴希杰1,周方明2

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