易飞扬：光模块自动化焊锡研究

摘要

光模块之中的光器件与PCBA焊锡焊是一道重要的工序，本研究针对这一工序在SFP光模块自动化焊锡的多个技术方案进行了试验，重点分析送锡热压焊机与自动点焊机的焊锡原理、焊锡技术特点。通过对这两种技术方案进行焊接试样、数据统计、数据对比分析、焊接质量评估，初步得出一种解决SFP光模块自动化焊锡难题的理想方案—送锡热压焊与自动点焊混合使用，该方案在焊锡的焊接质量、焊接效率、焊接成本进行了综合的分析与评估，使其更加自动化生产工艺的要求，符合实际生产的需求。

关键词 ：光模块、光器件、密集型焊盘、管脚、自动化、焊锡

引言

随着SFP光模块市场的发展，光模块的光器件与PCBA焊接的质量要求越来越高，而相应的生产周期要求却越来越短，在人工成本却越来越高情况下，光模块的光器件与PCBA手工焊接工艺已瞄到到市场上焊锡效率较高的自动化焊锡技术上。借助PLC与单片机技术的推广，焊锡技术在自动化焊锡方面得到了较大较快的发展。目前，在市场上自动化焊锡技术就有哈巴焊、电阻焊、送锡热压焊、激光焊锡、自动点焊等，这些技术在焊锡技术上焊接方式上形式多样、焊接质量也有较大的差异，但针对光器件与连续性密集型焊盘的PCBA焊接，一方面这些焊锡技术焊接时较多的出现了连锡、虚焊现象，另一方面焊接效率低下，质量问题和效率问题成为这些技术引进的拦路虎。本次研究就针对解决光器件与连续性密集型焊盘的PCBA焊接质量和效率问题进行研究，研究的关键技术为送锡热压焊与自动点焊，其他焊锡技术就简单略过。

自动点焊技术

易飞扬光模块焊锡研究

自动点焊技术是市场上较为成熟的技术，该技术的自动化设备组要由多轴运动平台、自动送锡器、加热烙铁头、治具等组成，高配版可能会在设备挂上CCD视觉，该技术的核心器件为加热烙铁头和送锡器。该设备的工作原理为通过多轴运动平台将升温的烙铁头运动到PCBA焊盘上,送锡器的送锡嘴同时被带到焊盘附近，送锡器接收到内部指令后，将送锡轮旋转一定角度，锡线由锡嘴送出后接触到烙铁头而熔化，因加热后的焊盘对锡液的吸附性比烙铁头对锡液的吸附性强，锡液流动到焊盘上。将烙铁头抬起后，锡液残留在焊盘和管脚上，冷却后光器件与焊盘焊接在一起，其原理与手工电烙铁焊接相差不大。

试验条件：

易飞扬光模块焊锡研究

试样结果：

试样的结果概述：试样过程中没有出现连锡的，没有虚焊的物料，物料有一定程度的拉尖现象，物料在测试时，未出现不良品。总体来说焊盘的上锡量还是过多，导致焊盘是否连锡肉眼难以辨认，焊接效率为2s/pin。

试样的结果分析：本次试样的物料要求锡液冷却成型后的焊点宽度小，焊点高度偏高，锡膏向焊盘外扩张距离不大于0.1mm，（焊盘边缘间距仅为0.31mm）由于点焊属于自由上锡的方式，上锡量、焊盘形状、管脚的分布、锡液的吸附性等共同决定焊点的成型形状，上锡量与焊盘的面积直接决定了焊点的高度与大小。上锡后，锡液由其吸附性形成椭球形，其椭球形状已无法控制，当椭球的宽度达到一定值后，其会向邻近的焊点吸附，从而发生连锡。锡线在接触洛铁头时，锡液形成锡珠，导致每次锡线送锡可能会存在一个锡珠大小的误差（约±0.5mm）， 所以焊点的上锡量越小，焊点的最终成型的形状越大，本次试样的送锡锡线长度已压缩到1.5mm,最终锡珠的向焊盘外扩展到距离难以控制在0.1mm以内，发生连锡的概率也就会变大。虽然自动在密集性焊盘上试样的效果不太令人满意，单其在分散性的焊盘焊接上却灵活，对于那些焊盘边缘间距较大的焊盘来说（焊盘边缘间距大于0.5mm），焊盘外扩展到距离仅仅控制在0.2mm以内，上锡量误差就可达到±1.5mm，这对于自动点焊机器较为容易实现，自动点焊也就满足焊接质量的要求。

试样的结论： 自动点焊机适合分散性间距较大的焊盘焊接，（焊盘边缘间距大于0.5mm）不适合连续密集性焊盘的焊接。（焊盘边缘间距小于0.5mm）

送锡热压焊

易飞扬光模块焊锡研究

送锡热压焊在市场上是较为不为多见的一种焊接技术，该技术的自动化设备组要由多轴运动平台、自动送锡器、专用热压焊焊头、温度控制器、治具等组成，高配版也可能会在设备挂上CCD视觉，该技术的核心器件为专用热压焊焊头和温度控制器。设备的工作原理为送锡器接收到内部指令后，将送锡轮旋转一定角度，锡线由锡嘴送出后送到热压焊头下面，通过多轴运动平台热压焊头连同锡线、运动到PCBA焊盘上，通过温度控制系统控制热压焊头对锡液一次升温、 一次保温、二次升温、二次保温冷却等一系列过程。其中，最为关键的是二次保温时锡液的流动。

试样条件：

试样条件

试样结果：

试样结果

试样概述：焊接时，可能是由于夹具的原因，或者是剪弯管脚的偏移量问题，管脚在焊盘上没能对准，出现了一个连锡，另外机器的送锡器还是不够稳定，导致锡线未能准确地输送到焊头与焊盘之间，造成焊盘未上锡，送锡装置需要改进。

试样的结果分析：在焊接时，由于绿漆和专用焊头对锡液的吸附性太小，在PCBA的焊盘与焊盘被专用热压焊头强制性隔离开后，锡液无法停留在绿漆上，另一方面，焊盘对锡液的吸附性较强，锡液全部被吸附到专用热压焊头U型槽里的焊盘与管脚上。经过冷却后 ，锡膏的形状与热压焊上的热压焊头U型槽一致，从而控制焊接焊点成型的形状。达到了无连锡、虚焊、假焊的效果。但在焊接分散性焊盘时，必须改变焊头的形状与锡线的粗细才能使用，其焊接单独的一个焊点也需要5秒的时间，难以灵活地适应生产的要求。

试样的结果结论：送锡热压焊机不适合分散性间距较大的焊盘焊接（焊盘边缘间距大于0.5mm），适合连续密集性焊盘的焊接。（焊盘边缘间距小于0.5mm）

结 束 语

从上面的结果来看，无论是送锡热压焊还是自动点焊技都不能单独解决好光模块的光器件与PCBA自动化焊锡焊接这一大难题，两种方案的结合使用却能较好地解决这一难题,使用送锡热压焊焊接连续密集性焊盘，一次性可焊接1~12个焊点，每次焊接时间都大约是5秒，连续性焊点越多，焊接效率越高，送锡热压焊的优势越明显。自动点焊由于焊点的灵活性较强，非常适合分布零散的焊点，每个焊点的焊接时间都在2秒左右。对于既有连续密集性焊盘又有分散性焊盘的光模块而言，如果能结合送锡热压焊与自动点焊机的各自特点，使用送锡热压焊焊接其密集性焊盘，使用自动点焊焊接其分散性焊盘，则两者在保证其焊接质量的前提条件下可以实现较高的焊接效率。

微型化与高性能：探索激光焊锡在光模块制造中的关键作用

在当今快速发展的光通信领域，光通信器件，亦称为光器件（Optical Device），扮演着至关重要的角色。这些器件通过光电转换效应，实现了光信号的产生、调制、探测等一系列功能，它们是构建高效、可靠的光通信网络的基础。光通信器件的性能直接关系到光通信网络的升级和换代，是推动行业发展的关键因素。

一、光模块的核心作用：

光模块

光模块作为光通信系统中的核心组件，其封装结构主要包括光发射器模块（TOSA）和驱动电路，以及光接收器模块（ROSA）和接收电路。TOSA和ROSA中的技术难点主要集中在光芯片和封装技术上。例如，ROSA通常包含分光器、光电二极管（用于将光信号转换为电压信号）和跨阻放大器（用于放大电压信号）。而TOSA则包含激光驱动器、激光器和复用器。封装工艺的多样性，如TO-CAN同轴封装、蝶形封装、BOX封装和COB（Chip On Board）封装，为光模块的小型化和性能提升提供了可能。

二、COB封装技术的优势：

COB封装技术

COB封装技术，即板上芯片封装或有线印制板封装，通过直接在印制电路板上安装裸芯片，并用金线或铜线将芯片引脚与电路板接触点连接，实现了芯片的高密度集成。COB封装以其小尺寸、轻重量、高可靠性和低成本等优势，在微型电子设备和便携式电子产品中得到了广泛应用。

三、光模块封装和焊接工艺的重要性

光模块封装和焊接工艺

在光模块的精密制造过程中，封装和焊接构成了整个生产工艺的关键环节。封装不仅保护光器件的核心部分免受外界环境的不利影响，而且通过精心选择的封装材料，如金属、陶瓷和塑料，确保了器件的性能和长期稳定性。这些材料的选择基于它们对环境因素的耐受性和对光器件性能的保护能力。

封装结构的布局设计同样至关重要，它需要综合考虑光路、电路和热路的复杂交互，以确保各要素之间的协同工作，避免相互干扰，实现光器件性能的最大化。合理的布局设计显著提升了封装结构的稳定性和可靠性，为光器件的高效运作提供了坚实基础。

随着光通信技术的持续进步，有源光器件的封装结构正朝着小型化和集成化的方向发展。这一趋势不仅有效降低了系统成本，还显著提高了系统的稳定性和可靠性，满足了光通信系统对高性能和高可靠性的不断追求。

四、激光焊接技术在PCBA上的应用及优势

光模块，作为光通信系统的核心，其在PCBA（印刷电路板组装）上的焊接质量是确保光模块性能、可靠性和长期稳定性的关键。在这一过程中，激光焊接技术以其独有的优势，在光模块制造中占据了不可替代的地位。

激光焊接技术在PCBA上的应用

（一）先进的焊接技术：在光模块的焊接过程中，集成了多种先进焊接技术，包括激光焊接、热压焊接（hot bar）、烙铁焊接、热风焊接、回流焊接、波峰焊接和电子压焊等。这些技术各具特点，适应不同的焊接需求。

（二）气密性焊接环境：为了保证焊接的气密性，密封焊接操作通常在惰性气体环境中进行。纯氮气或氩气作为惰性气体，有效防止了焊接区域在高温下的氧化或其他化学反应，确保了焊点的优异质量和性能。

激光焊接技术

（三）激光焊接的精准应用：激光焊接技术以其非接触性、高精度和高适应性，在光模块的PCBA焊接中发挥着重要作用。特别是对于微小焊接区域，激光焊接技术能够实现传统焊接技术难以达到的精度，同时避免了对敏感元件的热损伤。

（四）激光焊接技术的重要性：在有源光器件模块的制造中，激光焊接不仅实现了高精度、高效率的焊接，还显著提升了模块的整体性能和可靠性。激光束作为精细的热源，能够迅速将焊接材料加热至熔点以上，形成坚固的焊缝，确保光路的精确对接。

（五）技术进步与设备创新：技术的发展带来了新型激光焊接设备，如光纤激光焊接机和激光锡球焊接机。这些设备通过提升焊接精度和效率，同时降低生产成本，使得有源光器件模块的制造更加经济高效。

激光焊接技术

（六）工艺优化与质量控制：激光焊接工艺的优化是提升模块性能的关键。通过调整激光功率、焊接速度、焊接焦点等参数，可以精确控制焊点的尺寸和温度，确保光路的精确对接和模块的稳定运行。紫宸激光视觉温控激光焊锡机等先进设备的应用，通过实时监控和检测焊接过程，确保了焊接质量的高标准。

（七）自动化焊接提升效率：在单模类光模块的生产中，激光锡焊工艺的高自动化水平，使得大部分焊接步骤可以自动完成，这不仅提升了生产效率，也确保了焊接质量的一致性，从而在提升生产效率的同时，保证了产品的高标准和可靠性。

总体而言，激光焊接技术在光模块PCBA上的应用，不仅提升了焊接的质量和效率，也为光模块的微型化和高性能化提供了坚实的技术支撑。随着技术的不断发展，激光焊接技术将在光通信领域扮演更加关键的角色。

五、激光锡焊技术的行业前景：

目前，行业内普遍采用的焊接技术包括热压焊和新兴的激光锡焊技术。热压焊作为一种成熟的方法，已被广泛使用，而激光锡焊则是一项近年来崭露头角的新技术。尽管激光焊锡机的初期投资成本相对较高，导致其在行业内的接受度有待提高，但其在焊接过程中所展现出的非接触性特点，以及在效率和良率方面的显著优势，使其在特定应用场景下尤为突出。

激光焊接技术

激光锡焊技术的最大优势在于其焊接过程中不需要接触焊盘，这一点对于高密度pin的FPC软板焊接尤为重要。由于FPC软板通常具有精细的线路和元件，传统的热压焊可能难以适应其对精度和热敏感性的要求。激光锡焊则能够精确地将热能传递到焊点，有效避免了对FPC软板造成损伤的风险。

此外，激光锡焊技术在自动化和精密控制方面也具有显著优势。它可以快速适应不同焊接需求，实现对复杂焊点的精确操作，从而提高了生产效率和产品质量。随着激光技术的不断进步和成本的逐渐降低，预计激光锡焊将在光模块制造领域得到更广泛的应用。

六、大研智造的激光焊锡机在光通讯行业的优势

大研智造的激光焊锡机在光通讯行业中展现出显著的优势，这些优势不仅推动了精密焊接技术的发展，也为行业带来了创新突破。

1. 高效与高精度：激光锡球焊接技术以其卓越的焊接速度和微米级的精度，显著提升了生产效率和焊接质量。这种技术能够快速完成复杂的焊接任务，确保焊点的一致性和可靠性，满足现代制造业对高精度焊接的需求 。

2. 成本效益显著：与传统焊接方法相比，激光锡球焊接无需额外的材料填充，减少了材料浪费和后续处理成本。高效的焊接过程减少了生产时间和人工成本，提高了企业的经济效益和市场竞争力 。

激光焊接技术

3. 焊点饱满且无需后续处理：激光焊接的输出能量小，热影响区域小，焊接后的焊点平整饱满，无需后续的打磨或清洁处理。这提升了产品的整体美观度，并减少了生产工序，提高了生产效率 。

4. 环境友好：激光锡球焊接过程中无需使用助焊剂，减少了对环境的污染，符合现代制造业对环保和可持续发展的要求。清洁的焊接方式有助于提高产品的可靠性和寿命 。

激光焊接技术应用

5. 广泛的应用范围：激光锡球焊接技术不仅适用于传统的电子组件焊接，还能满足高端电子产品如BGA芯片、晶圆、高清摄像头模组等精密部件的焊接需求。其灵活性和适应性使其在各种复杂和高要求的焊接任务中表现出色 。

6. 自动化和智能化：激光锡球焊接技术易于与现代自动化和智能化系统集成，实现全自动化生产，减少人为干预，提高生产一致性和稳定性。这对于追求高效率和高可靠性的现代制造业来说是一个巨大的优势 。

大研智造技术创新

7. 技术创新与持续研发：大研智造通过不懈的技术创新，有效地克服了激光锡球焊接技术的局限。公司的研发团队不断推动技术创新，确保激光焊接设备在性能和价格上具有市场优势，同时提供更多的定制化解决方案以满足特定应用场景的需求 。

8. 精密控制：大研智造的激光锡球焊设备配备了尖端的控制系统，简化了操作流程，显著提升了焊接过程的精度和重复性。这种智能化的控制系统为精密焊接提供了强有力的保障，确保了产品质量的一致性和可靠性 。

大研智造提供全面的技术培训和持续的售后支持

9. 技术培训与支持：大研智造提供全面的技术培训和持续的售后支持，帮助客户快速掌握激光锡球焊接技术，减少学习曲线，加快生产效率的提升 。

大研智造的激光焊锡技术以其卓越的性能和创新的解决方案，为光通讯行业的精密焊接提供了新的可能性，并有望在未来的精密制造领域扮演更加关键的角色，推动工业生产向更高水平的自动化、智能化发展 。

结语：

激光焊锡机凭借其在光通讯行业的多项优势，正逐渐成为提升生产效率、质量和可靠性的重要工具。随着技术的不断进步，激光焊锡技术有望在未来光通信制造领域扮演更加关键的角色，满足行业对高性能、高可靠性的不断追求。

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