用于锁销焊接型部件的温度触发顶出系统和返修方法

用于锁销焊接型部件的温度触发顶出系统和返修方法
【专利摘要】本发明涉及用于锁销焊接型部件的温度触发顶出系统和返修方法。提供了一种用于锁销焊接型部件的温度触发顶出系统，所述部件的锁销被固定于电路板的通孔中并在该通孔中填充焊料进行了焊接，所述系统包括：顶出器，位于电路板的与所述部件相对的一侧，并且具有与电路板的通孔对准的顶针以及驱动顶针的缸体；温度传感器，用于感测被加热的所述焊料的温度；控制器，基于温度传感器感测的温度，在焊料熔化温度范围内驱动所述顶出器的顶针将所述部件的锁销从所述电路板中顶出。
【专利说明】用于锁销焊接型部件的温度触发顶出系统和返修方法

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及电子产品加工制造领域。更具体地说，本发明涉及一种用于锁 销焊接型部件的温度触发顶出系统和返修方法。

【背景技术】
[0002] 目前，对于电子产品的组装，普遍采用包含以下步骤的工艺流程：印刷_>贴装_> 回流焊接_>清洗_>检测_>返修（rework)。当检测到电子产品存在缺陷时，并不直接将该 电子产品报废，而是进行返修。通过对电子产品的返修消除缺陷，从而能够提高成品率，并 且降低了生产成本。
[0003] 在电子产品的一些部件上配置了锁销（lock pin)，用于为该部件与电路板(或电 子卡组件）之间的互连提供额外的机械力。这种锁销被固定于(卡在）电路板(诸如PCB)的 通孔(诸如PTH孔，S卩，覆铜孔)中。图1示出了带有锁销的要装载到电路板上的电子部件的 立体图。
[0004] 图2是示出了一个制造完成的电子产品的示意图。在图2中，上部的部件的锁销 被卡在下部的PCB的通孔中，锁销的中部具有向外弯折的"鱼眼"部分，该"鱼眼"部分的总 宽度略大于通孔的直径，从而当把锁销插入通孔时，锁销由于被压缩变形而产生与变形方 向相反的弹性力。通过该弹性力，锁销会挤压通孔的孔壁。这样，在把部件从电路板上拔出 时，锁销与通孔的孔壁之间就会产生摩擦力。这种摩擦力确保了部件被牢固地固定在电路 板上。但是，在返修过程中，这种摩擦力使得难以从电路板移除部件，并且有可能造成部件 或电路板的损坏。
[0005] 图3是示出了处于返修期间的图2中的电子产品的示意图。在图3中，当对图中 上部的部件施加移除力F1时，在覆铜孔中会产生与移除力F1方向相反的摩擦力F2。
[0006] 另外，在图2中示出了在覆铜孔中填充有焊接后凝固的焊料，并且在正常针脚 (SMT，表面贴装技术）与电路板之间也存在焊料。通过锁销和焊接，所述部件被更牢固地固 定在电路板上。然而，把锁销焊接到覆铜孔的这种设计在返修过程中却形成了挑战。在返 修过程中，对于焊接的部位，需要通过热气进行加热来使焊料熔化，从而将部件从电路板拔 出。图3中示出了通过加热而熔化的焊料。
[0007] 目前，在电子产品组装行业中，在返修过程中去除锁销型部件的已知方法包括：人 工地通过手去除部件本体、以及抓紧部件本体并进行拔起的机械拔取器等。所有这些现有 方法都具有如下的限制：在达到焊料熔化温度期间，由于温度的升高(相对于常温)，部件本 体将变软从而对于该部件的锁销无法提供足够的拔起力；没有对施加拔起力的定时进行控 制，而该定时是重要的，因为在焊料冷并且为固态的情况下施加拔起力会损坏覆铜孔和/ 或该部件。
[0008] 在现有技术的方法中，存在部件移除失败的风险。移除带有锁销的部件失败或者 在部件移除期间对覆铜孔造成任何损伤都意味着整个电路板的报废。


【发明内容】

[0009] 因此，为了解决上述问题，需要一种能够在返修期间从电路板上移除带有锁销的 焊接型部件的更好的方案。
[0010] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于锁销焊接型部件的温度触发顶出系统， 所述部件的锁销被固定于电路板的通孔中并在该通孔中填充焊料进行了焊接，所述系统包 括：顶出器，位于电路板的与所述部件相对的一侧，并且具有与电路板的通孔对准的顶针以 及驱动顶针的缸体；温度传感器，用于感测被加热的所述焊料的温度；控制器，基于温度传 感器感测的温度，在焊料熔化温度范围内驱动所述顶出器的顶针将所述部件的锁销从所述 电路板中顶出。
[0011] 根据本发明的另一方面，提供了一种用于带有锁销焊接型部件的电路板的返修方 法，所述部件的锁销被固定于电路板的通孔中并在该通孔中填充焊料进行了焊接，该方法 包括：对电路板上具有焊料的返修区域进行加热；利用温度传感器感测被加热的所述焊料 的温度；基于温度传感器感测的温度，在焊料熔化温度范围内驱动顶出器的顶针将所述部 件的锁销从所述电路板中顶出，其中所述顶出器位于电路板的与所述部件相对的一侧，并 且具有与电路板的通孔对准的顶针以及驱动顶针的缸体。
[0012] 通过采用本发明的温度触发顶出系统以及返修方法，能够提高从板卡移除带有锁 销的部件的成功率，并且能够消除由于返修期间的部件移除失败而导致的潜在报废成本， 提高成品率，降低平均制造成本。另外，通过采用本发明所述的温度触发顶出系统以及返修 方法，能够实现具有一致的质量结果的自动处理。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 以下通过结合附图阅读参考下述对说明性实施例的详细描述，将更好地理解本发 明本身、实施方式、其它目的及其优点。在附图中：
[0014] 图1示出了带有锁销的要装载到电路板上的电子部件的立体图；
[0015] 图2是示出了一个制造完成的电子产品的示意图；
[0016] 图3是示出了处于返修期间的图2中的电子产品的示意图；
[0017] 图4是示出了根据本发明的一个实施例的用于锁销焊接型部件的温度触发顶出 系统的不意图；
[0018] 图5是示出了根据本发明的另一个实施例的用于锁销焊接型部件的温度触发顶 出系统的不意图；
[0019] 图6的上部示出了返修热气加热期间温度传感器感测的温度随着时间的变化的 曲线图，并且图6的下部示出了根据本发明的实施例的驱动时序图；
[0020] 图7是示出了根据本发明的另一个实施例的用于锁销焊接型部件的温度触发顶 出系统的不意图；
[0021] 图8是示出了根据本发明的一个实施例的顶出器的顶针的放大示意图；
[0022] 图9是示出了根据本发明的另一个实施例的顶出器的顶针的示意图；以及
[0023] 图10是示出了根据本发明的实施例的用于带有锁销焊接型部件的电路板的返修 方法的流程图。
[0024] 现在参照附图描述优选方法和系统，其中，在附图中相同的附图标号用来指相同 的部件。在下面的描述中，为了解释的目的，阐述大量特定的细节，以便帮助完全了解系统 及方法等。在其它的例子中，为了简化描述，以框图的形式示出常用的结构和装置。对于本 领域技术人员来说，可以想到很多修改和其它实施例，同时拥有在说明书和附图中所教导 的益处。因此，应该理解，本发明不局限于所公开的特定实施例，另外可选的实施例应当包 含在本发明的范围和范例发明构思内。虽然本文采用了一些特定术语，但是仅仅为了一般 的描述意义而非限制目的使用它们。

【具体实施方式】
[0025] 下列讨论中，提供大量具体的细节以帮助彻底了解本发明。然而，很显然对于本领 域技术人员来说，即使没有这些具体细节，并不影响对本发明的理解。并且应该认识到，使 用如下的任何具体术语仅仅是为了方便描述，因此，本发明不应当局限于只用在这样的术 语所表示和/或暗示的任何特定应用中。
[0026] 尽管在图1和图2中示出了两种形状的锁销，并且在下面的实施例中将使用图2 中的锁销形状作为示例进行描述，但是应该理解的是本文使用的术语"锁销"并不因此受到 限制，只要是能够起到增大摩擦力的固定作用的类似锁定机构，都是可以应用本发明的对 象。
[0027] 图4是示出了根据本发明的一个实施例的用于锁销焊接型部件的温度触发顶出 系统的示意图。在图4中，部件的锁销被固定于电路板（PCB)的通孔（PTH孔)中并在该通孔 中填充焊料进行了焊接。图4中的系统包括：顶出器401、温度传感器402以及控制器403。 顶出器401位于电路板的与所述部件相对的一侧，并且具有与电路板的通孔对准的顶针以 及驱动顶针的缸体。温度传感器402用于感测被加热的焊料的温度。控制器403基于温度 传感器402感测的温度，在焊料熔化温度范围内驱动顶出器401的顶针将所述部件的锁销 从所述电路板中顶出。
[0028] 图5是示出了根据本发明的另一个实施例的用于锁销焊接型部件的温度触发顶 出系统的示意图。图5中的温度触发顶出系统与图4中的温度触发顶出系统的区别在于控 制器403被分成了两个部分：顶出器控制器EC以及温度信号处理器TSP。不管是把顶出器 控制器以及温度信号处理器集成为单个控制器（图4)，还是把顶出器控制器以及温度信号 处理器作为分离的部件（图5)，都落在本发明的保护范围内。另外，在图5中还示出了在返 修期间对电子产品进行加热的装置，即，返修喷嘴。当进行返修时，使返修喷嘴靠近电路板， 通过从返修喷嘴中喷出的热气来加热电路板从而使焊料熔化。这种加热装置存在于现有技 术中，并不属于本发明的温度触发顶出系统的一部分。例如，在【背景技术】部分中的机械拔取 器的例子中，也是利用同样或相似的加热装置对电路板进行加热。
[0029] 在图5中，顶出器的缸体通过介质传输管连接到顶出器控制器(在图4中则连接到 控制器403)。顶出器的缸体是提供顶针的移动空间的容器，并且为顶出器传动介质提供必 要的密封。所述顶出器传动介质可以是能够在例如250?300°C (例如针对无铅要求常用 的SAC305-锡银铜305合金焊料）的加热温度下正常工作的气体或液体。所述顶针被设置 为与返修部件的锁销对准，也就是与电路板的覆铜孔对准，并且顶针的间距也被设置为与 锁销的间距相同。顶针的大小被设计为小于覆铜孔的大小，从而能够插入覆铜孔。
[0030] 在顶出器控制器(控制器403)的控制下，利用缸体内的气体或液体，通过气压或液 压沿顶出方向驱动所述顶针，将所述部件的锁销从所述电路板中顶出。
[0031 ] 顶出器控制器被用于控制顶针的移动方向和移动速度，并且经由介质传输管连接 到顶出器的缸体。顶出器控制器通过压缩液压液体或者气动气体来控制顶针的移动。在另 一个实施例中，顶出器控制器还可以装备有介质输入端口和介质输出端口（参见后面将描 述的图7)。根据从温度信号处理器输出的电信号，来激活顶出器控制器的动作。顶出器控 制器可以包括控制顶针的移动所需的各种控制阀。顶出器控制器还可以包括用来防止施加 到顶针的压力过高的泄压阀。
[0032] 在通过热气进行加热期间，温度信号处理器实时地接收并监视来自温度传感器 (诸如热电偶等）的温度信号，并将"激活"信号发送给顶出器控制器，以相应地控制顶针的 移动。温度传感器将被放置在接近部件位置的PCB的表面上，以测量部件位置在返修期间 的温度。尽管在图4和图5的例子中，温度传感器被放置在电路板的上侧，但是实际上，温 度传感器可以被布置在所述电路板的任一侧。在一个实施例中，在返修过程中，温度传感 器可以被布置在任何地方，只要温度传感器感测到的温度能够反映被加热的焊料的温度即 可。由温度传感器检测到的温度将代表锁销的温度。温度信号处理器将比较来自温度传感 器的温度信号所表示的温度与一预定义阈值，并且如果该温度信号所表示的温度达到预定 义阈值，则向顶出器控制器发送"激活"信号。例如，对于LF SAC305焊料，所述预定义阈值 可以被设置为220°C。针对不同的焊料，可以设置不同的阈值。
[0033] 如果过早激活顶针，则会在焊料仍为固态的情况下对覆铜孔施加压力，因而会损 坏覆铜孔；如果过晚激活顶针，则因焊料已冷却为固态而也导致对覆铜孔施加压力。但是， 通过采用本发明的顶出系统，能够控制顶针移动的开始时间，从而仅在焊料熔化温度范围 内驱动顶针。
[0034] 图6的上部示出了返修热气加热期间温度传感器感测的温度随着时间的变化的 曲线图，并且图6的下部示出了根据本发明的实施例的驱动时序图。在图6的上部的曲线 图中，横轴表示时间，纵轴表示温度。从该曲线图中可以看出，焊料在温度TC (约220°C )以 上处于液态。焊料处于液态的时段被称为TAL时间（Time Above Liquid)。这段时间TAL 被投影到图6的下部的驱动时序图中。在图6的下部的时序图中，第一行是温度信号处理 器发送激活信号的时序，第二行是顶出器控制器驱动顶针的时序。根据如图6所示的曲线 图得出的阈值，通过温度信号处理器和顶出器控制器的控制，能够实现仅在焊料熔化温度 范围内驱动顶针以把锁销从电路板中容易地顶出。这种时序控制对于锁销焊接型部件的成 功返修是尤为重要的，因为焊料熔化温度范围有限并且仅具有特定时间跨度。
[0035] 图7是示出了根据本发明的另一个实施例的用于锁销焊接型部件的温度触发顶 出系统的示意图。在图7中示出的实施例中，温度触发顶出系统还包括用于对焊料进行加 热的加热板。在图7的实施例中，顶出器的缸体嵌入在加热板中；在另一个实施例中，加热 板可以与顶出器的缸体分离。该加热板可以与现有技术的返修喷嘴一起使用（参见图7)， 也可以单独使用。当该加热板可以与返修喷嘴一起使用时，能够从两侧对电路板进行加热， 从而更快地使焊料熔化。在所述加热板中埋有能使热气流动的气道，并且在加热板的顶部 具有与所述气道连通并且能使热气排出用以加热所述焊料的多个气孔。在热板中靠近顶针 和缸体附近的位置，可以把气道设计成绕过顶针和缸体，从而不会发生干扰。在一个实施例 中，所述加热板被设计为通过布置气孔的位置，仅对电路板的需要返修的区域进行加热。在 一个实施例中，如上所述并且如图7所示，顶出器控制器还可以装备有介质输入端口和介 质输出端口。
[0036] 在一个实施例中，如图7所示，电路板的两端被保持机构的卡钳固定，所述保持机 构还包括从电路板的面对所述部件的一侧支撑所述电路板的支撑棒。该支撑棒可以防止顶 出器的顶针的顶出动作导致的电路板的翘曲，使电路板平坦。该支撑棒位于返修位置附近。
[0037] 为了减轻在锁销顶出过程中对覆铜孔的孔壁的损伤，本发明的发明人提出了进一 步的改进方案，即，改进顶针的结构。所述顶出器的顶针被设计成在接触所述锁销时能够收 紧所述锁销，以减小所述锁销与所述电路板的通孔的孔壁之间的摩擦力。
[0038] 图8是示出了根据本发明的一个实施例的顶出器的顶针的放大示意图。在以上的 实施例中，顶出器的顶针为简单的圆柱体。与之相对，在图8中，顶出器的顶针的顶部具有 下陷的凹面。具体地说，该凹面为锥面，但是并不限于锥面，只要满足上宽下窄的结构即可。 所述锥面的中心与锁销的中心对准，并且所述锥面的顶部开口部分的直径略大于锁销末端 的宽度，从而在顶针向上移动时能够容纳下锁销的两个针脚。当这两个针脚在顶针顶部的 锥面上滑动时，这两个针脚将被收紧，因而将会减小锁销与覆铜孔的孔壁的摩擦力。
[0039] 图9是示出了根据本发明的另一个实施例的顶出器的顶针的示意图。如图9所示， 顶针由磁性材料制成的两个部分组成，在控制器(顶出器控制器）的控制下对所述两个部分 之一通电后由于产生磁性吸引力，所述两个部分沿与顶出方向大致垂直的方向相向移动， 从而能够收紧位于它们之间的锁销。具体地，在这个实施例中，顶针由电磁体和衔铁组成。 电磁体由金属芯和线圈组成。线圈在施加电压V后将产生磁场。施加的电压V通过一个开 关控制，而该开关由来自控制器(温度信号处理器）的信号控制。金属芯的一端缠绕有线圈 以增强磁场，金属芯的另一端与衔铁匹配，从而形成顶针。衔铁和金属芯分别通过一个重置 弹簧固定在顶出器的底座上并且可以相向滑动。在控制开关切换到"接通（On)"时，电压V 被施加到线圈，电磁体开始工作，衔铁将被磁化并向金属芯移动，从而产生了对于锁销的收 紧力。当控制开关切换到"断开（Off)"时，磁性吸引力消失，衔铁和金属芯将被重置弹簧拖 回它们的原始位置。在一个实施例中，在顶针的所述两个部分的顶部分别具有能够在施加 收紧力之前容纳锁销的凹陷。在一个实施例中，顶针的所述两个部分中的一个部分具有一 个或多个滑块，并且顶针的所述两个部分中的另一个部分具有与所述滑块匹配的一个或多 个引导槽，所述滑块和引导槽用于使顶针的所述两个部分在相向移动时对准。
[0040] 在一个实施例中，在控制器(顶出器控制器和温度信号处理器）的控制下，在顶针 沿顶出方向开始移动一定时间后，对顶针的所述两个部分之一通电。这是为了保证顶针在 沿顶出方向移动一段距离从而接触到锁销后，才开始收紧动作。在图6下部的时序图中的 最后一行中示出了这种时序控制。在这个实施例中，控制器还把控制信号发送给电压V的 控制开关，从而电磁体能够按照期望的时序工作。
[0041] 在一个实施例中，还期望控制顶针的移动速度，从而可以更加精准地在焊料熔化 温度范围内进行顶出动作。在该实施例中，控制器(顶出器控制器）还可以包括用来控制介 质流的速度的速度控制阀，从而通过控制介质流的速度，来控制顶针的移动速度。在一个实 施例中，可以将顶针的移动速度控制为：顶针的移动速度=电路板厚度/TAL。
[0042] 在这里，需要注意的是，本发明的各个实施例中的特征可以进行相互组合，而并不 局限于某一特定实施例。例如，图7中的加热板可以与图4和图5中的温度触发顶出系统 进行组合，图8中的保持机构可以与图4-5以及图9中的温度触发顶出系统进行组合，并且 依此类推。
[0043] 图10是示出了根据本发明的实施例的用于带有锁销焊接型部件的电路板的返修 方法的流程图。所述部件的锁销被固定于电路板的通孔中并在该通孔中填充焊料进行了焊 接。该方法包括：加热步骤1010、测温步骤1020以及顶出步骤1030。
[0044] 在加热步骤1010中，对电路板上具有焊料的返修区域进行加热。在测温步骤1020 中，利用温度传感器感测被加热的所述焊料的温度。在顶出步骤1030中，基于温度传感器 感测的温度，在焊料熔化温度范围内驱动顶出器的顶针将所述部件的锁销从所述电路板中 顶出。所述顶出器位于电路板的与所述部件相对的一侧，并且具有与电路板的通孔对准的 顶针以及驱动顶针的缸体。
[0045] 本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限定本发明。本文中 所用的单数形式的"一"和"该"，旨在也包括复数形式，除非上下文中明确地另外指出。还 要知道，"包含"一词在本说明书中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元 和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或 组件，以及/或者它们的组合。
[0046] 权利要求中的对应结构、材料、操作以及所有功能性限定的装置（means)或步骤 的等同替换，旨在包括任何用于与在权利要求中具体指出的其它单元相组合地执行该功能 的结构、材料或操作。所给出的对本发明的描述其目的在于示意和描述，并非是穷尽性的， 也并非是要把本发明限定到所表述的形式。对于所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不 偏离本发明范围和精神的情况下，显然可以作出许多修改和变型。对实施例的选择和说明， 是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，使所属【技术领域】的普通技术人员能够明了， 本发明可以有适合所要的特定用途的具有各种改变的各种实施方式。
[0047] 以上结合本发明的实施方式对本发明的原理进行了说明，但这些说明只是示例性 的，不应理解为对本发明的任何限制。本领域技术人员可以对本发明进行各种改变和变形， 而不会背离由随附权利要求所限定的本发明的精神和范围。
【权利要求】
1. 一种用于锁销焊接型部件的温度触发顶出系统，所述部件的锁销被固定于电路板的 通孔中并在该通孔中填充焊料进行了焊接，所述系统包括： 顶出器，位于电路板的与所述部件相对的一侧，并且具有与电路板的通孔对准的顶针 以及驱动顶针的缸体； 温度传感器，用于感测被加热的所述焊料的温度； 控制器，基于温度传感器感测的温度，在焊料熔化温度范围内驱动所述顶出器的顶针 将所述部件的锁销从所述电路板中顶出。
2. 根据权利要求1所述的顶出系统，其中，所述顶出器在控制器的控制下，利用缸体内 的气体或液体，通过气压或液压沿顶出方向驱动所述顶针。
3. 根据权利要求1所述的顶出系统，还包括用于对所述焊料进行加热的加热板。
4. 根据权利要求3所述的顶出系统，其中，所述缸体嵌入在所述加热板中。
5. 根据权利要求3或4所述的顶出系统，其中，在所述加热板中埋有能使热气流动的气 道，并且在所述加热板的顶部具有与所述气道连通并且能使热气排出用以加热所述焊料的 多个气孔。
6. 根据权利要求1所述的顶出系统，其中，所述顶出器的顶针被设计成在接触所述锁 销时能够收紧所述锁销，以减小所述锁销与所述电路板的通孔的孔壁之间的摩擦力。
7. 根据权利要求1所述的顶出系统，其中，所述顶针的顶部具有下陷的凹面。
8. 根据权利要求7所述的顶出系统，其中，所述凹面为锥面。
9. 根据权利要求8所述的顶出系统，其中，所述锥面的顶部开口部分的直径略大于所 述锁销末端的宽度。
10. 根据权利要求1所述的顶出系统，其中，所述顶针由磁性材料制成的两个部分组 成，在控制器的控制下对所述两个部分之一通电后由于产生磁性吸引力，所述两个部分沿 与顶出方向大致垂直的方向相向移动，从而能够收紧位于它们之间的锁销。
11. 根据权利要求10所述的顶出系统，其中，在顶针的所述两个部分的顶部分别具有 能够容纳锁销的凹陷。
12. 根据权利要求10所述的顶出系统，其中，在控制器的控制下，在顶针沿顶出方向开 始移动一定时间后，对顶针的所述两个部分之一通电。
13. 根据权利要求10所述的顶出系统，其中，顶针的所述两个部分中的一个部分具有 一个或多个滑块，并且顶针的所述两个部分中的另一个部分具有与所述滑块匹配的一个或 多个引导槽，所述滑块和引导槽用于使顶针的所述两个部分在相向移动时对准。
14. 根据权利要求1所述的顶出系统，其中，所述温度传感器被布置在所述电路板的任 一侧。
15. 根据权利要求1所述的顶出系统，其中，所述电路板的两端被保持机构的卡钳固 定。
16. 根据权利要求15所述的顶出系统，其中，所述保持机构还包括从电路板的面对所 述部件的一侧支撑所述电路板的支撑棒。
17. -种用于带有锁销焊接型部件的电路板的返修方法，所述部件的锁销被固定于电 路板的通孔中并在该通孔中填充焊料进行了焊接，该方法包括： 对电路板上具有焊料的返修区域进行加热； 利用温度传感器感测被加热的所述焊料的温度； 基于温度传感器感测的温度，在焊料熔化温度范围内驱动顶出器的顶针将所述部件的 锁销从所述电路板中顶出，其中所述顶出器位于电路板的与所述部件相对的一侧，并且具 有与电路板的通孔对准的顶针以及驱动顶针的缸体。
【文档编号】H05K3/00GK104219885SQ201310211822
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】张伟锋, 蒲柯, 甄寿德, 黄小伟 申请人:国际商业机器公司