封闭在钎焊槽内的保护气氛波峰钎焊的制作方法

专利名称：封闭在钎焊槽内的保护气氛波峰钎焊的制作方法
技术领域：
本发明涉及在装有电子元件的印刷线路板上进行钎焊连接的波峰钎焊机和方法。
波峰钎焊是在一块印刷线路板上的电子元件和线路之间形成钎料结合的一种普通方法。电子元件被装在一块线路板上，它们的导线插入线路板上的孔中，以致导线触到了金属底座，在此附近它们被钎焊。元件可以粘接到线路板上，以便在钎焊过程中使它们固定。
在元件所在的部位，一个敷料器以喷射、泡沫或波的形式将钎剂施加到线路板的底部。钎剂允许钎焊的金属材料具有不良的润湿性和钎焊性，例如氧化铜，钎剂也能使钎料较快的充满线路板上的镀有金属的孔。
敷有钎剂的线路板予热到干燥和活化钎剂，以及加热线路板以便使其以低热应力与熔化钎料接触。活化的钎剂与元件导线和线路板底座上的金属氧化物及溶解的氧化物反应，在予热操作中，由氧而产生金属氧化物，所以空气中氧的存在被认为是有害的。
敷上钎剂的予热的线路板的底部与在静电槽或在被抽吸的波中与熔化钎料接触，以便使处理过的部分涂上钎料或与钎料结合。当线路板与钎料槽分开时，涂上的钎料保留在被处理过的部分上。粘附的钎料固化，形成了导电接头和涂层。
钎焊之后，线路板通常要清洗一下，以便去掉留下的钎剂和钎剂渣，它们能引起腐蚀，不利于导电，以及具有不良的外表和妨碍以后的试验。然而清洁工序希望省去，因为它花费大而且清洁液有害于环境。接着进行检验或者试验来确定由钎料形成的连接是否理想。该试验通常通过一排插头与线路板的底座接触并通过这样作来进行电测量。
被施加到线路板上的很多钎剂在与钎料接触之后保留在线路板上，这样如果钎剂层厚的话，试验插头不能穿透而实现与线路板上的一个供实验用的插头建立导电接触，虚焊将被显示出来。在钎焊和检验之间有一个很长的延时将使钎剂变硬，如不去掉的话，会特别妨碍插头穿透。
几种类型的钎焊缺陷很频繁的发生，一种常见的缺陷是没完全焊上或错过了钎料的焊接位置，从而引起开焊现象。另一种缺陷是在线路板上不应该连接的镀有金属的部分之间存在钎料桥，从而引起短路。还有一种缺陷是钎料未能添满线路板上镀金属的孔。
为了省掉钎焊后的清洁工序和不可靠钎焊的插头试验，非清洗钎剂和专门的钎剂应用技术已经有了发展，一种非清洗的钎剂是在与钎料接触之后只留下少量无腐蚀和不导电的钎剂渣。较好的一种非清洗钎剂含有少量或不含卤化物，但最好是在溶剂中，例如在乙醇或异丙醇中溶解无腐蚀不导电的有机酸。通常RMA钎剂是由松香(松香酸)活化剂(二甲基胺盐酸盐)和溶剂(酒精)组成的一种非清洗钎剂。另外一种非清洗钎剂是在乙醇或异丙醇中含有己二酸(重量为1%)。为了避免不可靠钎接的插头试验，如所知道的接触缺陷，希望非清洗钎剂涂一薄层。下表显示出RMA钎剂层的厚度和观查到的空气气氛钎焊情况及试验接触缺陷之间的关系。该数据选自1984年的assink和Klein的“电子设备钎焊”第235页。
钎剂厚度 接触缺陷 钎焊缺陷(微米) (每百万接头) (类型)15 33334 333 桥2 50 桥，添充孔不良该试验表明，当钎剂厚度减小时，试验的接触缺陷减少而钎焊缺陷增加。
传统的波峰钎焊机是可以作到将钎剂加到线路板上，予热该线路板，使该线路板与熔化的钎料波接触，然后使该线路板与钎料波分离。该线路板由输送装置依次传送通过这些工序，这些工序是在空气中完成的。该机典型的结构包括一个钎剂盒、予热器和钎料槽及安装在座上的输送装置并被在铰链上的可提升的盖子封闭住。在盖中心点的孔处提供有低真空，以便抽吸出从这些工序中排出的有害烟雾。由一台微处理机操纵的电控装置可以进行各种调节。
新近，波峰钎焊机已经设计成可以涂敷钎剂、予热和在惰性或保护气氛中钎焊印刷线路板。这些机器的优点超过了在空气中完成这些工序的机器，其优点如下1、明显减少了在熔化钎料表面上形成的钎料氧化物(氧化皮)量。
2、改善了线路板金属表面上钎料的润湿性。
3、改善了在线路板上钎料进入孔心和通过孔心。
4、减少了开焊。
5、排除了钎料毛刺的形成。
6、在容许的桥缺陷率情况下，有可能钎焊更紧密的被间隔开的元件和底座。
7、减少了所需要的钎剂量。
8、减少了钎焊机必要的清洗和维修。
9、由于提供了最薄的非清洗钎剂层，从而省去了钎焊后清洗线路板的工序。
在波峰钎焊具有上述优点的情况下的保护气氛包括非氧化气体和不大于5%的氧，可选取不大于100ppm的氧，最好不大于10ppm的氧。氮是一种良好的非氧化气体，在氮中完成与钎料的接触以及因为它的成本低，氮是最佳的非氧化气体。
为了得到并保持住保护气氛，各种不同的操作可以使得保护气体引进一个长的连续的罩内或一系列连接起来的管里。典型的设备叙述在Hohnerlein的美国专利号4921156中，该保护气氛输进封闭住钎料槽的管，并流出通过工件进入管和工件出口管。为了防止保护气氛漏出，在管内装有密封挡板，该挡板借助通行工件在输送方向上被斜置打开，此后闭合。Hohnerlein的敷钎剂、予热、钎料钎接、分离及冷却是在保护气氛中进行的。
另一方面，如在Bertiger的美国专利号4538757中所述的，为了形成气帘已经使用了气体喷射器，并在管内专门位置安装有气流挡板。
在1989年9月的“线路制造”第51-53页，Schouten叙述了另一种技术是在进入管和排出管内提供一个室，线路板间断地通过打开和闭合的室。在室内，当闭合时抽真空，然后该室充满或注满保护气氛，该过程使得钎焊区内的氧含量保持在10ppm以下，所用的保护气氛是氮气。
在工业中使用了很多设计成用于空气中的波峰钎焊机。尽管在保护气氛下有利于钎焊，但是要用所设计的在保护气氛下钎焊的新机器来代替现有的在空气中的钎焊机，对于线路板制造厂来说是困难的，因为该操作除了要实现之外，将要花几年时间来弥补新机器的成本。
一种可以代替设计在保护气氛中钎焊的新钎焊机的是一种现有机器的改进型，以便它可以在保护气氛中操作。至此，最初设计的在保护气氛中钎焊印刷线路板的波峰钎焊机已经为所有的涂敷钎剂、予热、与钎料接触、钎料分离和冷却线路板的操作提供了保护气氛。如前所述，为了获得在保护气氛中钎焊的优点，可以认为保护气氛对于所有这些操作是必要的。无论如何，为传统空气钎焊机的所有这些阶段提供保护气氛在成本费用、附加组成及改型时间上是重要的。这样就需要一台用于改型空气钎焊机的设备，它所需的附加装置量最少。因而一种仅仅在该机器它本身的钎焊区上边需要保护气氛的方法和设备引起了人们的注意。
本发明的一个目的是提供一种方法和设备，就是利用原来设计的在空气中操作的现有波峰钎焊机被改型而得到设计在保护气氛下操作的钎焊机的一些优点。
本发明还有一个目的是为最初被用来在保护气氛下操作的新波峰钎焊机而提供一种经济的设计。
本发明的特点是仅仅钎料槽和钎料槽上边的极近的空间需要而提供了保护气氛，允许涂敷钎剂、予热和冷却在空气中进行。
本发明的另一个特点是在钎料接触区中，所用的保护气氛可以含有直至5%的氧。
本发明的优点是设计在空气中操作的波峰钎焊机的改型是经济的和可以迅速的完成。
本发明进一步的优点是通过减少钎剂的使用而省去了在钎焊后需要清洁线路板的工序，从而取得了低的钎焊缺陷率。
本发明的另一个优点是，保护气氛可以通过隔板或压力摆动吸附来分离空气或通过局部氧化空气来产生。
当离开其它的暴露于非保护气氛的操作区时，提供一个封闭罩并在波峰钎焊机的钎料槽中的钎料波上边，提供保护气氛。非保护气氛是指混有氧浓度或氧化能力相当于5个体积百分比或更大些的任何气体，例如空气就是。该罩在一面上有一个进入的开口和在另一面上有一个出去的开口，作为在钎料波上的线路板输送装置的通道。一根短管随意地从罩侧延伸，可被提供给罩的进口和出口，罩子的下端围起来装配并在其面上通过弹性垫密封到钎料槽的上端。该罩剩下的面装有一个弹性垫并对着一个向上的隔板对接，该隔板的底端浸在钎料里并密封到钎料槽的侧壁上。在保持密封时可调节槽的高度，槽与它的隔板也可以由罩下边横着抽出来。
空气被薄的固体材料而切成竖条的帘子限制进入罩的入口和出口，该帘材料是导电的，以避免线路板通过帘子时，由在线路板上的摩擦而产生静电。
保护气氛通过罩下的一个或多个分配器输进来，最佳实施例使用了三个气体分配器，一个分配器被直接安装在钎料波上边和输送装置轨道上边，另一个分配器安装在输送装置的轨道下边和钎料波的前沿上，第三个气体分配器被安装在钎料波的后沿上和输送装置的输道之下。该分配器是由烧洁金属制成的多孔管，能使保护气体以层流的形式输入。
围绕着产生钎料波的泵轴的是一个盖子，它的下端延伸进入到槽里的钎料中，以便形成密封。罩的外面，在进入口和出口上边是收集器管，用于通过这些开口收集从罩中放出的废气。该方法使用了非清洗钎剂，允许保护气氛中的氧含量一直到5%，它导致了线路板的低钎焊缺陷率，低插头试验缺陷率和省去了线路板的钎焊后的清洗工序。


图1为安装有本发明设备的钎焊机总体图;
图2为从本发明钎料槽罩中心剖开、局部的去掉罩下边的截面侧视图;
图3为罩和钎料槽上部的截面正视图;
图4表示当有惰性气流作用时，在按本发明安装的罩下保护气氛中的氧浓度与无帘开口高度之间的曲线图;
图5表明在工件与熔化钎料的分离区内的氧浓度作用于钎料桥的曲线图;
图中显示了装有该发明最佳实施例的波峰钎焊机的有关元件，该机包括一个机座(未示出)，在机座上装有传送印刷线路板4的输送装置2，载上印刷板以后，该输送装置带着印刷板通过一个在空气中的钎剂敷料器6。
本发明中用的钎剂是一种非清洗钎剂，最好的非清洗钎剂是溶解在乙醇或异丙醇中的重量为1%的己二酸。
实际上，钎剂由普通的方法被施加到电路板的底部，以便在溶剂蒸发以后得到4微米或稍小些厚的一层，最好该层厚度是2微米或稍小些。使用这种钎剂允许被钎焊材料具有不良的润湿性和钎焊性，例如氧化铜，并能使电路板上的电镀的或者导电孔具有良好的钎料填充，在本发明中所用的非清洗钎剂薄层，在大多数情况下在钎焊之后没有必要清洗电路板。
然后输送装置2在予热器8上边传递电路板，在这里该电路板在空气气中加热到70℃和所用的钎料熔点之间的一个温度。一般予热温度是100℃至160℃，该钎剂溶剂在予热器中达到70℃就被蒸发。
在输送装置的传送线上靠近机座是一个敞开的钎料槽10或容器，当工序不限制所给的钎料成分时，一般使用的钎料合金的重量百分比是锡62.5%、铅37%和锑0.5%。一般钎料浴温在90℃和300℃之间，最典型的是在240℃至260℃之间。
当从上边看时，钎料槽10一般呈矩形或“L”形，槽中盛着熔化的钎料12、把钎料抽吸成波状的装置14和一个波流导件16。该抽吸装置14包括一根部分被浸在钎料中的轴18，该轴的浸入部分具有一个抽吸熔化钎料的叶轮20。轴的未被浸入的上边部分被马达或皮带驱动;为了防止吸入的空气进入到泵轴18周围的钎料中去，该轴装有一个倒置的杯形盖子，杯子的下部敞开部分为了密封而被浸在钎料里;入口用于将保护气体提供到盖下或盖子里;盖上也开有供排气用的小孔;备用的钎料抽吸装置是一种磁流体动力泵(未示出)。
朝着钎料槽后部安装的立式隔板26，它的下边缘浸到钎料里，延伸进入到钎料槽中的隔板侧边缘被弹性材料密封到钎料槽的侧壁，隔板有一个垂直的前延伸部分28。
钎料槽10的上边是一个外壳或罩30，用于保护钎料槽上边的可控气氛或保护气氛，罩具有一个面对站立着操作者的第一或前面32、一个面对前进的输送装置的第二或进入面34、一个面对退出的输送装置的第三或排出面36以及一个对着前面32的第四或后面38。
在罩的进入面34上是进入开口40，在其对面或者罩的排出面36上是排出开口42。输送线路板的输送装置向上倾斜的通过罩内入口，越过钎料波峰并通过罩内出口引出，线路板的进入和/或排出可以选择由罩面延伸的短槽(未示出)实现。
除了输送装置进入口40和排出开口42外，前面32、进入面34和排出面36的下端围起来装配并借助弹性垫圈44与钎料槽10的外侧上端密封起来，罩的后面38装有一个弹性垫圈46并且是对着隔板26的前垂直延伸部分28而连接。带罩的钎料槽不用密封装置就可以垂直地移动，以便调节槽的高度。钎料槽也可向后从罩子的下边抽出以便于维修。
罩顶有一个聚碳酸酯窗用于观测钎料波峰，窗子的一边与一个可将窗子打开的铰链相接，窗子的各边在窗子关上时被弹性密封垫密封起来，罩子的前面32也有一个聚碳酸酯的窗子50，用于当线路板进入钎料波正当它们通过波峰时，观测钎料接触的深度。由于聚碳酸酯的光亮度、不中断性能及机械性能的原因而选择聚碳酸酯窗户材料。而后者的性能许可聚碳酸酯被钻孔以便得到连接到支撑结构上的孔。
聚碳酸酯在140℃温度时软化使用性能惊奇地被认为聚碳酸酯窗子可以接近高温钎料。无需说明，层状保护气氛的引入明显的导致了热量从熔化钎料至窗子的低传导。
在罩内控制了保护气氛。线路板附上钎料是在保护气氛中完成的，保护气氛包括非氧化气体和氧的体积不大于5%，可选取不大于100ppm，最好氧不大于10ppm。非氧化气体的氧含量必须不能大于保护气氛中所要求的氧含量值，可选取非氧化气体不大于在保护气氛中所要求的氧浓度的一半。
氮是较好的非氧化气体，因为它的成本低和可用性。也可用于该目的的其它气体是二氧化碳、氩气、水蒸气、氢气和其它的非氧化气体及其混合物。可以选择提供或者输进的气态甲酸或其它的活性气体，也就是其它的气态一元羧酸，其保护气体的体积浓度为10ppm至10%，可选取100ppm至1%，特别选取500ppm至5000ppm。添加的活性气体除掉了氧化物，该氧化物不能通过钎剂从线路板的导电区域或者元件引线上除掉。此外，这些活性气体许可在保护气氛中的氧含量高些而无有害影响。当从膜分离的空气中来获取氮时，氮中氧体积的含量从0.01至5%，这适合于用做保护气氛。
在可控的保护气氛中，线路板脱离钎料中，通常该脱离工序在与附料工序同样的气氛中完成，然而在某些情况下，例如为了减少不希望的钎料连接(桥)时，在脱离区的氧含量可以比在附料区域高些。
为了提供满意的气氛，气体最好通过位于一处，二处或者最好三处的分配器输送到罩下边，该分配器是多孔的烧结金属管，该管的直径为10毫米，长度接近等于罩输入和输出口的长度，孔尺寸约为0.0005毫米至0.05毫米，最好是0.002至0.005毫米。
通常，每个分配器与输送装置2传送的方向水平延伸，在线路板输送方向上的第一分配器52位于钎料波峰前边的输送装置的下边，第二分配器54位于钎料波峰上边的输送装置之上，第三分配器56位于钎料波峰后边的输送装置之下，两根较低的分配器52、56从各自的垂直的气体供应管处开始呈水平悬臂状态，并且在隔板延伸部分28的下边水平延伸，其垂直的气体供应管通过隔板26的顶部进入和被隔板26的顶支撑着。每根气体供应管的浸入深度是可调节的，以使得每根低的分配器被位于钎料槽的上边缘之下并靠近钎料表面的地方。高处的分配器54由进入罩子顶部的气体供应管支撑着呈水平状态。
该罩仅封闭住钎料槽，由于该罩很短，以致当板的后部分由入口凸出时，线路板的前头部分就可以接触到钎料波峰，这样第一和第二气体分配器52、54供应的大部分气体为进入线路板的底部和顶部提供了保护气氛，并附在波上。同样，当板的后部处在钎料波中时，线路板的前头部分就凸出在排出口之外，这样第二和第三分配器54、56供应的气体为离开的线路板的上部和下部提供了保护气氛，并同钎料波分开，这种结构形式使附着在熔化钎料上时和在同钎料分开时的氧浓度不同，这样对于所给出的钎剂成分和钎剂层厚度，分开区里的氧浓度可单独地被建立在最佳含量值上，以便获得最小桥率，例如3微米厚的RMA钎剂具有5至21%的氧浓度可以获得低的桥率。
在钎料表面上有保护气氛时，在钎料表面上不生成氧化物层。然而形成波的流动钎料表面对于罩内气体的夹杂物如微小的泡沫是敏感的，该泡沫上升到钎料的表面并且破裂放出微小的钎料碎屑进入到保护气氛中，这些碎屑形成了直径为0.2至0.5毫米的球或珠，在遍及罩下的保护气氛中运动并附着在所有暴露的表面上，需要定期地涮掉这些珠子。为了减少气体的夹杂物进入到钎料中，从波峰处向下游的钎料流提供一导引件或者槽。
供应的气体最好以限制的速率从处于层流中的分配器中喷出，当流体速度的不规则变化值的均方根，例如借助一块热丝风速表测量而不超过平均速度的10%时，层流被认为是存在的。这个标准不仅适合于从气体分配器中排出的气流，而且也适合于整个罩内空间。该层流提供了一个静态气氛，使得气体的夹杂物进入到流动的钎料表面和通过罩子开口而掺入空气的可能性减少。
任选一种较低密度的气体由上边的分配器(位于输送装置之上)供给，而较高密度的气体由下边的分配器(位于输送装置之下)供给。较高密度的气体将充满输送装置下边的几乎全部的罩内空间，较低密度的气体将充满输送装置下边的大部分罩内空间，这样使用不同密度的气体减少了空气掺入到罩里，使得用较低的总供气消耗就能取得较低的氧气浓度的范围。
罩子的进入开口和排出开口40、42最好是矩形的，并装有一个固态材料的帘子58，以限制空气进入到罩内。该帘是一种薄的柔性材料切成的垂直窄条，以使得当线路板进入和出去通过这些开口时，施加到电元件上的阻力减至最小值。最好厚度范围由0.1至0.2毫米，太薄的帘会被排气流吹开，而太厚的帘子会使元件离开在线路板上应有的位置。
为了避免线路板上的帘子的摩擦而引起静电，该帘子材料是导电的和电接地的。静电可以破坏线路板上电元件的功能。另外帘子不能将其细金属丝脱落到线路板上，并且是抗钎剂和钎料烟尘化学腐蚀的，可以耐温到265℃并经得起物理擦洗，以便除掉在封闭的钎焊环境中所沉积的微细钎料珠。一种合适的材料是加有石墨纤维的硅酮橡胶。
在所述的该设备的实施例中，一块线路板在保护气氛中与钎料波分开并迅速被冷却。因为罩子短，所以离开波的线路板很快由罩上的排出口排出并在空气中冷却。
因该使用一种低残留的、无腐蚀性的、不导电的钎剂，就使得钎焊后避免清洗，这样当需要在已冷却的线路板上进行通电检查时具有低的接触缺陷(虚焊)事故。
由于采用了短罩，使得正附在钎料波上或正同钎料波分开的线路板通过罩开口而凸出来，令人惊奇的是保护气氛钎焊的好处得以实现而且特别是可以合理提供气流。这种令人惊奇的结果认为是由于处在不同程度上的帘子、供气分配器结构、气体分配的位置和以层流形式供气的输送等原因造成的。
最佳实施例中包括在罩子进入口上边的一个排气收集器和在罩子出口上边的一个排气收集器。由于在大多数情况下，该气体中含有不供呼吸的氧和含有有毒的钎剂蒸气，所以排到罩子处的气体最好不要泄漏到钎焊机周围。一种收集器是一根U形管，它的开口面对着罩子开口，另一种收集器可以包括一根带孔眼的管子，该孔眼面对着罩子开口。每一个收集器与它自己的密闭的排气管64、66相通，以便将收集的排出气体带走。收集器可任意附加或只沿罩子开口的底部设置。
在每个排气管中有阀68、70，以便控制被它的相应收集器所收集起来的排出气体的大小。通过调节与收集器相通的密闭管中的阀，可以控制每个收集器收集到的排出气流，采用这种方式，通过罩子进入口和通过罩子排出口所散出的气体的分布状态可以最大程度的得以控制。也可以用调节排气管内阀的办法来平衡在罩子的一个或两个开口的外边所产生的压力分布。这样一种压力分布可以是由一个风扇所产生的气流，该风扇可以上吹、横吹或者离开其中一个开口吹。
最初设计的带有钎剂盒、予热器和钎料槽的钎料机，由于在空气中操作，通常在这些组成部分中装有可打开的盖子。该盖子通常开有至少一个保持低真空的排出孔，以便抽出在这些操作工序中所产生的有毒烟气。所以当钎料槽上的保护气氛罩被拿掉时，罩开口上边的排气收集器不能明显的排掉从那里散出的气体，从机盖中排出的气体常常不具备一定的容积，并且不能作到适当地定位以便抽出从罩中排出的气体。
该最佳实施例中包括一些安全件，一个通过筒形线圈操作的安全阀安装在保护气体供给管路上，这个阀在两种情况下维持闭合，一种情况是当接触器开关检测到罩上的顶窗打开时，另一种情况是当差压传感器确定排气管内的压力为大气压力，因而没有出气体可收集时。此外，钎料泵是受控的，如果不是气体阀打开和保护气体正在流进罩中时，钎料泵不能工作。
按照本发明成形的罩子，具有用窄条帘遮蔽的高为10.2厘米、宽为40.7厘米的进入口和排出口，通过该口来输送线路板。对于每平方米的罩开口每秒钟在罩下分配11标准立方厘米的氮时，在罩内保持的氧浓度为100ppm(槽具有不大于10ppm氧)。这里所用的1个标准气体体积所代表的气体大小等于在25℃和1个大气压时的气体体积。在按照本发明成形的罩内，当非氧化气体消耗范围为每平方厘米的罩开口、每秒钟5至50标准立方厘米时，就能够实现保护气氛钎焊的优点。
在进口和出口上边带帘子，可以容易的实现罩内的氧含量在100ppm以下，在罩开口上边没有帘子时，仍然可以达到100ppm的氧含量。但是供气消耗要高一些。
实施例1按照本发明所制造和控制的罩子具有进入口和排出口，其中每个口宽为40.7厘米高为10.2厘米。该罩通入具有约1ppm氧含量的氮气，氮气开始处于室温，钎料波是处于260℃。在钎料波上边测量到的氧含量是不同的无帘开口高度时的氮流速的函数。无帘开口高度是的指由帘的底部至进口或出口部的距离，该开口常常有一个有意义的无帘高度，以便于防止碰撞高的没固定好的元件。
本发明的优点在于即使具有比较大的无帘开口高度，也可以达到低氧含量。这样可以加工具有高的没固定元件的线路板而不必采用机械门，这种门必须打开和关上，以便阻止空气的混入物。
为了把罩内的氧含量限制到理想的最大值，每单位无帘开口面积的非氧化气流必须具有某个最小值。图4示出了监测的氧含量与在三种不同无帘高度10.2厘米、7.6厘米、和5.1厘米时，每单位无帘开口面积的供气流量之间的关系曲线，该无帘高度对于进入口和排出口是一样的。
在图4中所得到的氧含量的下限和上限是由下列经验式给出下限ppmO2＝(40/X)10上限ppmO2＝(60/X)10这里“X”是代表在每平方厘米无帘开口、每秒钟的标准立方厘米中的每单位无帘面积流量。无帘开口是指没有被帘子覆盖的进口和出口的总面积加上任何其它在罩上的无帘开口例如泄漏孔。数值“40”、“60”和“10”是由数据导出的经验系数。
上述经验式可以改写产生下述关系式，用于计算对于一个给出罩所需要的总流量所需要的气体流量＝AB(ppmO2)-0.1+C“所需要的气体流量”是指每秒钟在标准立方厘米中的总氮气流量，“A”是在40和60之间变化的系数。“A”的单位是每平方厘米、每秒钟的标准立方厘米。“B”是以平方厘米表示的总无帘面积，“ppmO2”是在钎料波处理想的最大氧含量与供给气体的氧含量之差，“C”是当无帘面积为零时所需要的氮气流，“C”对于相当紧的罩大约为每秒钟2000标准立方厘米。
上述给出的“A”和“C”值适用于所有氮密度在10%之内的气体，低密度气体例如氢将具有较大的系数“A”和“C”值，高密度气体例如二氧化碳和氩将具有大约系数“A”和“C”一半的低值。
当无帘面积小或无帘面积不知道时，另一种计算所需气流的方法是采用下述关系式所需气流＝E(总开口面积)这里“E”是经验系数。对于氮和具有氮密度在10%之内的气体，“E”值在5和50cm3/秒/cm2之间。最好“E”的范围是8至20cm3/秒/cm2，“总的开口面积”是指帘和进口、出口及任何其它开口无帘面积的总和。
低密度气体例如氢将具有较大的“E”值，高密度气体例如二氧化碳和氩将具有大约系数“E”一半的低值。
当开口面积不知道时，另一种计算所需气流的方法是;
所需气流＝F这里“F”是经验系数。对于氮和具有氮密度小于10%的气体，“F”值在4000和40000cm3/秒之间，最好“F”值范围为7000至16000cm3/秒。
低密度气体例如氢将具有较大的“F”值，高密度气体例如二氧化碳和氩将具有大约“F”的一半的低值。
实施例2具有120条紧密间隔开电位桥位的线路板用喷钎剂装置附上钎剂，所使用的钎剂是由Hi-Grade合金公司(East Hazelcrest IL)制造的Hi-Grade784，该Hi-Grade784是一种允许有无腐蚀不导电残留物的RMA钎剂。施加到线路板上的钎剂量可以通过改变喷射时间进行控制。钎剂的厚度可以由沉积到线路板上的钎剂重量和钎剂密度(0.8gm/cc)计算出来。然后线路板从予热器的上边通过，把它们在空气中加热到约70℃。
然后板进入到具有上述一般结构的钎料槽罩里，该罩具有入口和出口，它们长为40.7厘米，宽为10.3厘米，一般由每个罩子开口延伸25厘米并与罩构成整体结构的是一根横截面与开口相同的金属管，每根管的端部的开口完全由一个上述类型的帘子所覆盖。
然而在这些试验中，仅仅使用了两个气体分配器，一个分配器被安装在钎料波上边并一般允许每秒钟进入8升含氧量不多于10ppm的氮气。在全部试验中，该分配器维持附着区的氧浓度为100ppm，另一个分配器被安装在板输送装置下边的波的下游侧上，并一般允许每秒钟进入1.57升含氧量为0.01%至20%的氮气，作为在几个试验操作中的理想值。一个金属导向器在线路板与钎料波分离的地方导引着该气流，在该分离区内用探针测量着氧浓度。与钎料分离后，线路板通过罩子的出口排出并在空气中被冷却。
在罩顶部钎料波之上有一个聚碳酸酯窗子，用于观察。该窗不软或不弯曲，它的外侧温度约为60℃。
试验结果用图表示在图5中，在钎剂厚度为1微米时，可以得到每块线路板的桥率分别为在分离区氧浓度为0.5%时为4，氧浓度为5%时为8，氧浓度为20%时为22。
然而，当钎剂厚度为2.5微米或者再大些时，氧浓度在分离区为5%和20%氧时，得到的每一块线路板的桥率很低，而在分离区氧浓度为0.5%时，桥率高一点，得到每块板的中等桥率为6。
对于所有三种被试验的氧含量，开焊缺陷的数目，其中包括没有添满的孔在内，每块线路板为零。采用2.5微米厚的低RMA钎剂，可以予料到在电实验中的接触缺陷率是低的。
同样的试验而不用钎剂，每块线路板的桥率为7，每块板存在一些开焊缺陷和添孔不足。同样试验，而在乙醇中用1%的己二酸而产生约2.5微米厚的钎剂层，在分离区氧浓度从3ppm至20%的情况下，每块线路板的桥率为1，无开焊现象和孔添充良好。
因此，直接采用合适的非清洗钎剂厚度的本方法和设备使波峰钎焊能具有最小的钎焊和接触缺陷率、取消清洗、中等保护气氛气体损耗和低设备成本。
虽然本发明已经参照了专门的实施例进行叙述，但是应当意识到它是用来覆盖在从属权利要求范围内所有改进了的型式和同等物的。
权利要求
1.一种设置在钎料槽上端的罩子，所述的罩用于在线路板与槽内的钎料波接触期间容纳保护气氛，该罩包括一个稍大于钎料槽的围绕物，该围绕物在第一或进入面上有一个线路板进入口，在第二或引出面上，有一个线路板的出口；将罩密封到钎料槽上的装置及将气体输入罩中的装置。
2.如权利要求1所述的本发明，其特征在于将所述罩密封到钎料槽上的装置包括(a)所述罩的进入和引出面的下端及罩的前面是围绕钎料槽的上端装配成形的;(b)竖直安装在钎料槽中的隔板，它的下端浸在钎料里，下端缘密封到钎料槽的内侧上;(c)所述罩的后面对着竖直隔板对接;因此，钎料槽的高度相对于罩是可调节的，在朝后面输送运动方向上，钎料槽从罩下是可抽出来的。
3.如权利要求2所述的发明，其特征在于将所述罩密封到所述钎料槽的装置还包括在罩的前面、进入和引出面较低端内表面上的第一弹性密封垫，所述的第一弹性密封垫用于接触钎料槽的上部外表面，和在罩的后面外表面上接触隔板的第二弹性密封垫。
4.如权利要求1所述的发明，其特征在于所述的入口包括在所述的进入面上的一个开口和所述出口，包括所述罩的引出面上的一个开口。
5.如权利要求1所述的发明，其特征在于至少一个所述的进口和出口还包括一根管子，它具有覆盖所述进入面或引出面上开口的第一端，所述管沿罩面延伸到用作线路板通道的第二端。
6.如权利要求1所述的发明，还包括限制常压空气进入至少一个所述进口和所述出口的装置。
7.如权利要求6所述发明，其特征在于限制空气的装置包括薄固体材料切成竖条的帘子。
8.如权利要求7所述的发明，其特征在于在所述进入开口上的帘材料是导电和接地的。
9.如权利要求7所述发明，其特征在于所述的帘材料的厚度范围为0.1至0.2毫米。
10.如权利要求7所述的发明，其特征在于所述的帘子包括含有石墨纤维的硅酮橡胶。
11.如权利要求1所述的发明，其特征在于所述的输入气体的装置包括由一根竖直的气体供给管在水平位置上被悬臂的气体分配器，该竖直的气体供给管被与钎料槽相连的隔板支撑着。
12.如权利要求1所述的发明，其特征在于所述的输入气体装置包括多孔管。
13.如权利要求1所述的发明，其特征在于所述的输入气体的装置包括安装在罩内钎料波的上边和罩内的线路板行进道上边的第一气体分配器。
14.如权利要求13所述的发明，其特征在于所述的输入气体装置还包括安装在罩内的线路板的行进道的下边和线路板附着钎料波的点之前的第二气体分配器。
15.如权利要求14所述的发明，其特征在于输入气体的所述装置进一步包括安装在所述罩内的线路板的行进道的下边和线路板与钎料波分离点后边的第三气体分配器。
16.如权利要求1所述的发明，其特征在于所述罩包括一个观查钎料波的聚碳酸酯窗。
17.如权利要求1所述的发明，还包括进口排气收集管和出口排气收集管，每个收集管的安置是为了通过相应的进口和出口收集从罩中散发出来的排出气体。
18.如权利要求17所述的发明还包括每个排气收集管的气流控制装置。
19.一种设置在钎料槽的上端、并且覆盖面不大于在保护气氛中钎焊线路板的钎料槽的罩子，该罩在一面上有一个线路板的进口和在对面上有一个线路板出口，将该罩密封到钎料槽上的装置和将气体输入到该罩的装置。
20.一种包含印刷线路板表面在内的波峰钎焊金属的方法，所述方法包括(a)在空气中将非清洗钎剂施加到线路板上;(b)在空气中予热该线路板;(c)在保护气氛中将该线路板附着到钎料波上;(d)在被控气氛中使线路板与钎料波分离;
21.如权利要求20所述的发明，其特征在于所施加的钎剂，在溶剂从钎剂中蒸发以后得到的钎剂层不大于4微米厚。
22.如权利要求20所述的发明，其特征在于该钎剂包括在溶剂中的二元酸。
23.如权利要求20所述的发明，其特征在于该钎剂包括在溶剂中的己二酸。
24.如权利要求20所述的发明，其特征在于该钎剂包括在乙醇或异丙醇中的己二酸。
25.如权利要求20所述的发明，其特征在于该板被予热的温度范围是70℃至所用钎料的熔点。
26.如权利要求20所述的发明，其特征在于附着到钎料波上和与钎料波分离的气氛包括非氧化气体和体积不大于5%的氧。
27.如权利要求20所述的发明，其特征在于附着到钎料波上和与钎料波分离的气氛包括非氧化气体和体积不大于100ppm的氧。
28.如权利要求20所述的发明，其特征在于附着到钎料波上和与钎料波分离的气氛包括非氧化气体和体积不大于10ppm的氧。
29.如权利要求20所述的发明，其特征在于附着到钎料波上的气氛包括非氧化气体和不大于5%的氧以及与钎料波分离的所述气氛包括非氧化气体和从5至10%的氧。
30.如权利要求20中所述的发明，其特征在于附着到钎料波上的气氛包括非氧化气体和不大于100ppm的氧，以及与钎料波分离的所述气氛包括非氧化气体和从5至10%的氧。
31.如权利要求20所述的发明，其特征在于附着到钎料波上的气氛包括非氧化气体和不大于10ppm的氧和与钎料波分离的所述气氛包括非氧化气体和从5至10%的氧。
32.如权利要求20所述发明，其特征在于附着在钎料上的保护气氛包括一元羧酸。
33.如权利要求20所述发明，其特征在于附在钎料上的保护气氛包括甲酸。
34.如权利要求20所述发明，其特征在于被留在板上边的气氛比被留在板下边的气氛密度低。
35.如权利要求20所述的发明，其特征在于所提供的保护气氛是含有不大于气流速度(每秒标准立方厘米)为4000和40000之间的所述气氛中所要求的最大氧浓度一半的氮气。
36.如权利要求20所述的发明，其特征在于提供的所述气氛是含有不大于气流速度(每秒立方厘米)为2000至20000之间的所述气氛中所要求的最大氧浓度一半的二氧化碳或氩气或其混合物。
37.如权利要求20所述的发明，其特征在于附着在钎料波上和与钎料波分离是通过下述步骤来完成的通过进口将该线路板输入到围起来稍比容纳钎料波的钎料槽大的罩中;将该线路板附着到钎料波上和使该线路板与在罩内的钎料波分离;通过所述罩的出口送出该线路板。
38.如权利要求20所述的发明，其特征在于所述的气氛是由第一气体分配器，第二气体分配器和第三气体分配器提供的，其中第一气体分配器位于在线路板与钎料波附着区里的该线路板之下，第二气体分配器位于钎料波上边区域里该线路板之上，第三气体分配器位于线路板与钎料波分离区里该线路板之下。
39.如权利要求38所述的发明，其特征在于被提供的气体是从至少一个所述分配器里以层流的形式通入的。
40.如权利要求37所述的发明，其特征在于被提供的气氛是含有不大于5～50乘以带帘和无帘的面积(平方厘米)的气流速度(每秒标准立方厘米)的所述气氛中要求的最大氧浓度一半的氮气，其中的无帘面积是指罩的进口、出口和任何其它包括在罩上泄漏开口在内的无帘开口。
41.如权利要求37所述的发明，其特征在于被提供的所述气氛是含有不大于，2.5-25乘以带帘和无帘的面积(平方厘米)的气流速度(每秒标准立方厘米)的所述气氛中要求的最大氧浓度一半的二氧化碳或氩气或其混合物，其中的无帘面积是指罩的进口、出口及任何其它包括罩上泄漏开口在内的无帘开口。
42.如权利要求37所述发明，其特征在于被提供的气氛为，2000(每秒标准立方厘米)的流速加上40和60之间的数，乘以所述罩的无帘面积(平方厘米)，乘以在所述气氛中理想的氧浓度(ppm体积)与被提供的氮气中的氮浓度(ppm体积)之间的差的-0.1次方时所供给的氮气。
43.如权利要求37所述的发明，其特征在于被提供的气氛为，以1000(每秒标准立方厘米)的流速加上20和30之间的数，乘以所述罩的无帘面积(平方厘米)，乘以在所述气氛中理想的氧浓度(ppm体积)与被提供的氮气中的氧浓度之间的差的-0.1次方时所供给的二氧化碳或氩气或其混合物。
全文摘要
一个用于封闭和提供保护气氛的短罩，稍大于波峰钎焊印刷线路板机器的钎料槽。该机的其它操作区域暴露于空气当中，线路板进入罩子的进口和出口被用薄材料切成竖条的导电的帘子覆盖。该方法使用了非清洗钎剂薄层，并允许保护气氛中的氧含量直到5％。
文档编号B23K31/02GK1065373SQ9210167
公开日1992年10月14日 申请日期1992年2月21日 优先权日1991年2月22日
发明者L·H·哈格蒂, M·S·诺沃塔斯基, D·A·迪亚曼托普鲁斯 申请人:联合碳化工业气体技术公司