高速锡球焊接机在HSA的应用与控制

杨正荣

【摘 要】本文介绍高速锡球焊接机在HSA焊接工序的应用特点，着重分析了使用中的主要控制方面，通过优化机器参数设置与强化工序控制，实现在HSA的成功导入与推行，实际证明它比普通焊接机更高效高产高品质。

【关键词】高速；应用；控制；优化

0 引言

HSA（Head Stack Assembly 磁头臂组合） 焊接是硬盘制造过程中的一个重要工序，焊接方式主要有超声波焊接、回流焊接、 锡球焊接等， 锡球焊接是近几年新导入的焊接方式，而高速锡球焊接机作为最新设计开发的机型，其在HSA生产领域的首次应用和控制研究有助于其成功推行。

1 HSA锡球焊接简介

HSA锡球焊接是激光熔化焊咀里的锡球，在保护氮气的吹动下，落在FPC 和BFC之间，把FPC 和BFC融合连接，相比超声波焊接和回流焊接，它有如下特点：

1）锡球焊接是无铅无松香非接触式焊接，这是HDD等微电子行业很重要的环节，没有静电放电破坏，没有粉尘污染。

2）锡球焊接机是基于激光技术和机器视觉技术的自动化设备，定位精确，自动化程度高于另外两种焊接方式的现有机型，操作员人为的影响程度也远低于后者。

图1

2 HSA高速锡球焊接机特点

高速锡球焊接机不同于普通锡球焊接机的1套焊头配1个工作平台支持1条生产线，它由两套激光系统集合而成，2套焊头配3个工作平台，一台机可以支持2条生产线， 中间平台是左右共享，例如当左平台焊完时，左焊头可移动到中平台工作， 左平台退出工作位，上货后再进入工作位等待， 最大程度减少上下货的等待时间，这样就提高了焊头的利用率。经测算，高速机整机每小时产能是普通机的3.4倍。

图2

高速机U轴采用高性能高精度的美国AEROTECH A3200 NDRIVER伺服控制系统，实现分球系统旋转电机的精确高速控制，确保分球系统的碟片每一步都旋转7.2度，快速而又可靠准确的分球落球，这是优于普通机的一般松下伺服控制系统的主要地方。

高速机的XYZ 三个运动轴共有七套运动系统，均采用三菱伺服电机和驱动器， 整机采用三菱PLC作为主运动控制系统，基于VC编程的PC 操作系统以设置控制激光程序，图像采用HI-TECH高性能图像处理控制器，本机共有四个触摸屏，分别是PLC对应的主操作控制，左右焊头对应的图像处理界面和激光通讯及参数设置。

激光系统运用两套米亚基YAG激光发生器，波长1064nm，功率1.5 KW，配0.1毫米光纤和透镜。

由于电源、光源、控制系统等资源整合共享，高速机在总功耗和占用无尘生产车间的空间位置方面都比两台普通机少，降低了能耗与生产成本。

3 调试应用与工序控制

1）能量优化与控制：高速机的单点焊接间隔时间远低于普通机，而激光发生器是需要足够的充放电时间， 第一个焊点有1-5秒的间隔时间给激光器充放电， 但第二到第七个焊点之间只有不到0.5秒的间隔，所以会造成激光电源内的电容器充电不足， 其实际输出能量低于第一点。为补偿衰减，将能量设置为可自动切换的三个不同能量，第一个焊点用A段，第2-4焊点用B段，第5-7焊点用C段，经测试，A：B：C大约比例为1：1.1：1.12。通过分段优化能量设置，确保了各焊点实际能量基本相同，有效减少焊锡不良品。

同时为配合实现高速机的快速特点，进行了激光脉冲波形的优化，高速机四节波形总脉宽从5秒减为2秒，输出百分比相应提高50%左右，以保证最终实际总输出能量不变。

2）焊接角度控制：基于产品设计，高速机的做货平台角度是可以旋转调节的，现有平面焊和36.5°角度焊两种。针对角度焊，角度的精确控制相当重要，角度变化会影响做货高度，影响锡的流动倾向，根据测算，1°的变化会引起0.3毫米的高度变化，而一般做货高度变化范围要求控制在0.2毫米内，所以在实际使用中要求将角度控制在36.5°±0.5。

角度控制需要定期用专用的36.5°校准块和量角规检查， 并检查锁紧相关旋转运动部件。

3）焊接高度控制：焊咀到工作基准参照面的焊接高度也是锡球焊接工序中必须控制的重要参数，太低或太高不仅可能导致焊接不良品，太低还可能因焊咀离BFC太近或接触而电死磁头，产生ESD坏品，经理论分析和优化试验， 高度控制范围定义为 0.7±0.2毫米。

高度需要定期检查和日常监控相结合，每三个月用专用测量基准测量调节，平时跟踪Z轴马达参数与初始值，超标即予以报警，若有拆装和更换影响Z轴和工作平台相对高度的部件，应该及时进行高度校正。

4）激光系统日检与定检：高速机的单点焊接间隔时间短，频繁的触发对激光器的性能提出了更高的要求，要加强对光源、藕合及光传输部件的定期检查，调好同心度，用专用镜检查光斑并用黑板纸试打确认，通过在激光器后、光纤后，透镜后、焊咀后不同测试点能量的衰减程度来判别各部件的状态，通过连续能量测试的波动判断其稳定性；日检则要求每天对每台激光器A/B/C三个通道的能量分别进行监测，并观察激光器利用率，超过12%规定值的应检查励起灯老化状态，需要更换的应及时更换。

4 结论

通过不断优化及工序控制的强化，高速锡球焊接机以高效高产高品质顺利通过验收，从今年初开始基本取代了普通锡球焊接机，全面提升了产能和优率。

【参考文献】

[1]楼祺洪.高功率光纤激光器及其应用[J].中国科技大学出版社，2010.

[2]史玉升.激光制造技术[J].机械工业出版社，2012.

[3]郑启光.激光加工工艺与设备[J].机械工业出版社，2010.

[责任编辑：薛俊歌]

【摘 要】本文介绍高速锡球焊接机在HSA焊接工序的应用特点，着重分析了使用中的主要控制方面，通过优化机器参数设置与强化工序控制，实现在HSA的成功导入与推行，实际证明它比普通焊接机更高效高产高品质。

【关键词】高速；应用；控制；优化

0 引言

HSA（Head Stack Assembly 磁头臂组合） 焊接是硬盘制造过程中的一个重要工序，焊接方式主要有超声波焊接、回流焊接、 锡球焊接等， 锡球焊接是近几年新导入的焊接方式，而高速锡球焊接机作为最新设计开发的机型，其在HSA生产领域的首次应用和控制研究有助于其成功推行。

1 HSA锡球焊接简介

HSA锡球焊接是激光熔化焊咀里的锡球，在保护氮气的吹动下，落在FPC 和BFC之间，把FPC 和BFC融合连接，相比超声波焊接和回流焊接，它有如下特点：

1）锡球焊接是无铅无松香非接触式焊接，这是HDD等微电子行业很重要的环节，没有静电放电破坏，没有粉尘污染。

2）锡球焊接机是基于激光技术和机器视觉技术的自动化设备，定位精确，自动化程度高于另外两种焊接方式的现有机型，操作员人为的影响程度也远低于后者。

图1

2 HSA高速锡球焊接机特点

高速锡球焊接机不同于普通锡球焊接机的1套焊头配1个工作平台支持1条生产线，它由两套激光系统集合而成，2套焊头配3个工作平台，一台机可以支持2条生产线， 中间平台是左右共享，例如当左平台焊完时，左焊头可移动到中平台工作， 左平台退出工作位，上货后再进入工作位等待， 最大程度减少上下货的等待时间，这样就提高了焊头的利用率。经测算，高速机整机每小时产能是普通机的3.4倍。

图2

高速机U轴采用高性能高精度的美国AEROTECH A3200 NDRIVER伺服控制系统，实现分球系统旋转电机的精确高速控制，确保分球系统的碟片每一步都旋转7.2度，快速而又可靠准确的分球落球，这是优于普通机的一般松下伺服控制系统的主要地方。

高速机的XYZ 三个运动轴共有七套运动系统，均采用三菱伺服电机和驱动器， 整机采用三菱PLC作为主运动控制系统，基于VC编程的PC 操作系统以设置控制激光程序，图像采用HI-TECH高性能图像处理控制器，本机共有四个触摸屏，分别是PLC对应的主操作控制，左右焊头对应的图像处理界面和激光通讯及参数设置。

激光系统运用两套米亚基YAG激光发生器，波长1064nm，功率1.5 KW，配0.1毫米光纤和透镜。

由于电源、光源、控制系统等资源整合共享，高速机在总功耗和占用无尘生产车间的空间位置方面都比两台普通机少，降低了能耗与生产成本。

3 调试应用与工序控制

1）能量优化与控制：高速机的单点焊接间隔时间远低于普通机，而激光发生器是需要足够的充放电时间， 第一个焊点有1-5秒的间隔时间给激光器充放电， 但第二到第七个焊点之间只有不到0.5秒的间隔，所以会造成激光电源内的电容器充电不足， 其实际输出能量低于第一点。为补偿衰减，将能量设置为可自动切换的三个不同能量，第一个焊点用A段，第2-4焊点用B段，第5-7焊点用C段，经测试，A：B：C大约比例为1：1.1：1.12。通过分段优化能量设置，确保了各焊点实际能量基本相同，有效减少焊锡不良品。

同时为配合实现高速机的快速特点，进行了激光脉冲波形的优化，高速机四节波形总脉宽从5秒减为2秒，输出百分比相应提高50%左右，以保证最终实际总输出能量不变。

2）焊接角度控制：基于产品设计，高速机的做货平台角度是可以旋转调节的，现有平面焊和36.5°角度焊两种。针对角度焊，角度的精确控制相当重要，角度变化会影响做货高度，影响锡的流动倾向，根据测算，1°的变化会引起0.3毫米的高度变化，而一般做货高度变化范围要求控制在0.2毫米内，所以在实际使用中要求将角度控制在36.5°±0.5。

角度控制需要定期用专用的36.5°校准块和量角规检查， 并检查锁紧相关旋转运动部件。

3）焊接高度控制：焊咀到工作基准参照面的焊接高度也是锡球焊接工序中必须控制的重要参数，太低或太高不仅可能导致焊接不良品，太低还可能因焊咀离BFC太近或接触而电死磁头，产生ESD坏品，经理论分析和优化试验， 高度控制范围定义为 0.7±0.2毫米。

高度需要定期检查和日常监控相结合，每三个月用专用测量基准测量调节，平时跟踪Z轴马达参数与初始值，超标即予以报警，若有拆装和更换影响Z轴和工作平台相对高度的部件，应该及时进行高度校正。

4）激光系统日检与定检：高速机的单点焊接间隔时间短，频繁的触发对激光器的性能提出了更高的要求，要加强对光源、藕合及光传输部件的定期检查，调好同心度，用专用镜检查光斑并用黑板纸试打确认，通过在激光器后、光纤后，透镜后、焊咀后不同测试点能量的衰减程度来判别各部件的状态，通过连续能量测试的波动判断其稳定性；日检则要求每天对每台激光器A/B/C三个通道的能量分别进行监测，并观察激光器利用率，超过12%规定值的应检查励起灯老化状态，需要更换的应及时更换。

4 结论

通过不断优化及工序控制的强化，高速锡球焊接机以高效高产高品质顺利通过验收，从今年初开始基本取代了普通锡球焊接机，全面提升了产能和优率。

【参考文献】

[1]楼祺洪.高功率光纤激光器及其应用[J].中国科技大学出版社，2010.

[2]史玉升.激光制造技术[J].机械工业出版社，2012.

[3]郑启光.激光加工工艺与设备[J].机械工业出版社，2010.

[责任编辑：薛俊歌]

【摘 要】本文介绍高速锡球焊接机在HSA焊接工序的应用特点，着重分析了使用中的主要控制方面，通过优化机器参数设置与强化工序控制，实现在HSA的成功导入与推行，实际证明它比普通焊接机更高效高产高品质。

【关键词】高速；应用；控制；优化

0 引言

HSA（Head Stack Assembly 磁头臂组合） 焊接是硬盘制造过程中的一个重要工序，焊接方式主要有超声波焊接、回流焊接、 锡球焊接等， 锡球焊接是近几年新导入的焊接方式，而高速锡球焊接机作为最新设计开发的机型，其在HSA生产领域的首次应用和控制研究有助于其成功推行。

1 HSA锡球焊接简介

HSA锡球焊接是激光熔化焊咀里的锡球，在保护氮气的吹动下，落在FPC 和BFC之间，把FPC 和BFC融合连接，相比超声波焊接和回流焊接，它有如下特点：

1）锡球焊接是无铅无松香非接触式焊接，这是HDD等微电子行业很重要的环节，没有静电放电破坏，没有粉尘污染。

2）锡球焊接机是基于激光技术和机器视觉技术的自动化设备，定位精确，自动化程度高于另外两种焊接方式的现有机型，操作员人为的影响程度也远低于后者。

图1

2 HSA高速锡球焊接机特点

高速锡球焊接机不同于普通锡球焊接机的1套焊头配1个工作平台支持1条生产线，它由两套激光系统集合而成，2套焊头配3个工作平台，一台机可以支持2条生产线， 中间平台是左右共享，例如当左平台焊完时，左焊头可移动到中平台工作， 左平台退出工作位，上货后再进入工作位等待， 最大程度减少上下货的等待时间，这样就提高了焊头的利用率。经测算，高速机整机每小时产能是普通机的3.4倍。

图2

高速机U轴采用高性能高精度的美国AEROTECH A3200 NDRIVER伺服控制系统，实现分球系统旋转电机的精确高速控制，确保分球系统的碟片每一步都旋转7.2度，快速而又可靠准确的分球落球，这是优于普通机的一般松下伺服控制系统的主要地方。

高速机的XYZ 三个运动轴共有七套运动系统，均采用三菱伺服电机和驱动器， 整机采用三菱PLC作为主运动控制系统，基于VC编程的PC 操作系统以设置控制激光程序，图像采用HI-TECH高性能图像处理控制器，本机共有四个触摸屏，分别是PLC对应的主操作控制，左右焊头对应的图像处理界面和激光通讯及参数设置。

激光系统运用两套米亚基YAG激光发生器，波长1064nm，功率1.5 KW，配0.1毫米光纤和透镜。

由于电源、光源、控制系统等资源整合共享，高速机在总功耗和占用无尘生产车间的空间位置方面都比两台普通机少，降低了能耗与生产成本。

3 调试应用与工序控制

1）能量优化与控制：高速机的单点焊接间隔时间远低于普通机，而激光发生器是需要足够的充放电时间， 第一个焊点有1-5秒的间隔时间给激光器充放电， 但第二到第七个焊点之间只有不到0.5秒的间隔，所以会造成激光电源内的电容器充电不足， 其实际输出能量低于第一点。为补偿衰减，将能量设置为可自动切换的三个不同能量，第一个焊点用A段，第2-4焊点用B段，第5-7焊点用C段，经测试，A：B：C大约比例为1：1.1：1.12。通过分段优化能量设置，确保了各焊点实际能量基本相同，有效减少焊锡不良品。

同时为配合实现高速机的快速特点，进行了激光脉冲波形的优化，高速机四节波形总脉宽从5秒减为2秒，输出百分比相应提高50%左右，以保证最终实际总输出能量不变。

2）焊接角度控制：基于产品设计，高速机的做货平台角度是可以旋转调节的，现有平面焊和36.5°角度焊两种。针对角度焊，角度的精确控制相当重要，角度变化会影响做货高度，影响锡的流动倾向，根据测算，1°的变化会引起0.3毫米的高度变化，而一般做货高度变化范围要求控制在0.2毫米内，所以在实际使用中要求将角度控制在36.5°±0.5。

角度控制需要定期用专用的36.5°校准块和量角规检查， 并检查锁紧相关旋转运动部件。

3）焊接高度控制：焊咀到工作基准参照面的焊接高度也是锡球焊接工序中必须控制的重要参数，太低或太高不仅可能导致焊接不良品，太低还可能因焊咀离BFC太近或接触而电死磁头，产生ESD坏品，经理论分析和优化试验， 高度控制范围定义为 0.7±0.2毫米。

高度需要定期检查和日常监控相结合，每三个月用专用测量基准测量调节，平时跟踪Z轴马达参数与初始值，超标即予以报警，若有拆装和更换影响Z轴和工作平台相对高度的部件，应该及时进行高度校正。

4）激光系统日检与定检：高速机的单点焊接间隔时间短，频繁的触发对激光器的性能提出了更高的要求，要加强对光源、藕合及光传输部件的定期检查，调好同心度，用专用镜检查光斑并用黑板纸试打确认，通过在激光器后、光纤后，透镜后、焊咀后不同测试点能量的衰减程度来判别各部件的状态，通过连续能量测试的波动判断其稳定性；日检则要求每天对每台激光器A/B/C三个通道的能量分别进行监测，并观察激光器利用率，超过12%规定值的应检查励起灯老化状态，需要更换的应及时更换。

4 结论

通过不断优化及工序控制的强化，高速锡球焊接机以高效高产高品质顺利通过验收，从今年初开始基本取代了普通锡球焊接机，全面提升了产能和优率。

【参考文献】

[1]楼祺洪.高功率光纤激光器及其应用[J].中国科技大学出版社，2010.

[2]史玉升.激光制造技术[J].机械工业出版社，2012.

[3]郑启光.激光加工工艺与设备[J].机械工业出版社，2010.

[责任编辑：薛俊歌]