专利名称：结构紧凑的回流及清洗设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及对电子元件及装置的加工处理，尤其涉及对焊料的回流和对电子元件的清洗。
对球栅阵列(BGA)元件及装置的制造通常需要将焊球或者预先准备的球体安装到预先印刷好的线路板上，或者安装到一个集成电路，比如所谓的倒装法(flip chip)，底表面上的基体上。在一般的加工工艺中，线路板和基板将由一条机械加工生产线来进行加工处理，该机械加工生产线包括有一个自动卸载装置，一个球体安装装置，一套检查装置，一套1至3转换器，一个回流设备，一个清洗设备，一套3至1转换器，一个自动装载装置。这些机械占用了相当大的车间面积，并且限制了该生产线被用于给定面积的相对宝贵的车间中。在安装、回流和清洗操作完成后，球栅阵列(BGA)将成为电子流向下级装置的输入/输出通道。
由于对球栅阵列(BGA)元件和装置的大部分组装操作是在一个洁净的室内环境中完成的，并且这种洁净的室内环境具有非常昂贵的单位车间面积成，所以目前需要解决的任务是节省车间面积。因此，如果能够提高制造工艺的生产效率，并且能够减少该制造工艺所需的车间面积，那么将大有裨益。
根据本发明的另一方面，所述回流方向与清洗方向均垂直于所述的预定方向。
根据本发明的又一方面，提供了一种结构紧凑的整体式回流和清洗设备，该设备尤其适用于对由硅晶片制成的球栅阵列(BGA)组件进行回流和清洗，其中这些球栅阵列(BGA)可以被制成条带状，或者被独立地夹持在JEDEC型托架，舟皿或托板上，而并非是通常较大尺寸的印刷线路板，对于这些较大尺寸的印刷线路板来说，目前已经设计出了许多工业用回流炉和清洗设备。
在本发明的再一方面中，贯穿利用了选择性的吹风操作技术并且利用了负压，因此一个回流炉和清洗器可以被容收在一个整体式壳体中，但却不会发生一个加工处理工艺受到同一整体式壳体中另外一个加工处理工艺污染的危险。
根据本发明的另一方面，所述设备中清洗部分的运转伴有清洗流体，该清洗流体的温度高于目前工业用清洗器中的常用温度。清洗设备中的高温流体使得移离该设备中回流部分的条带或托架之间的温度差最小，并且能够使得回流和清洗操作比目前常用的装置更快速地进行。这是因为，在本发明的设备中，包含在条带或JEDEC型托架、舟皿或托板上的球栅阵列(BGA)元件或芯片不会象现有技术中那样被冷却，由于在所述元件和芯片的温度降至室温之前，并且由于在回流操作结束后一般的杂质发生完全硬结和固化之前，对所述元件或芯片进行清洗，所以所述杂质可以被快速地清洗掉。
根据本发明的再一方面，本发明中设备内的回流部分利用了IR型加热装置，用以对呈条带状或者被夹持在JEDEC型托架、舟皿或托板上的球栅阵列(BGA)元件或其他芯片进行快速回流。也可以选择性地利用对流式或传导式加热装置。
对附图的简要描述通过结合所附附图来阅读下面的详细描述，将可以全面理解本发明，并且也将会明白其优点，其中附
图1图示出了一个传统的加工生产线；
附图2图示出了一个安装有本发明中第一实施例的生产线；附图3是本发明中第一实施例的平面视图，图示出了与条带一同使用的传送装置的路径；附图4是回流装置的局部侧视图；附图5是本发明中第一实施例的平面视图，图示出了用于托架的传送装置；附图6是所述实施例的前视图；附图7是所述实施例的后视图；附图8是所述实施例的第一侧视图；附图9是所述实施例的另一例视图；附图10是一前视图，图示出了在所述回流装置上被提升起来的盖子；附图11是所述实施例的一前视图，图示出了在所述回流装置和清洗装置上被提升起来的盖子；附图12是一个透视图，详细示出了附图3至5所示实施例中的传送设备。
详细描述参照附图，下面将对一个经过改进的组合式回流和清洗设备10进行描述，其中在若干个视图中相同的附图标记用于指代相同或者对应的部件。
参照附图1，图示出了一个目前传统的工业用电子生产线100。该生产线开始于自动卸载机200，球体安装装置202，一套检查设备204，及一套1至3的转换器206。这些设备的代表性生产商是Motorola，Vanguard，Shibuya，Panasonic-KME及Speedline Technologies等公司。应该明白的是，该电子生产线中的机械顺序可以进行颠倒，并且从而替代由左向右运行的加工工艺，由右向左的方向运行。
如图示出的生产线100是这样一条生产线，即该生产线尤其适用于将较小的焊球置于集成电路的表面上，或者置于一个其上安装有集成电路的介质表面上，其中所述焊球在前面被称作为球栅阵列(BGA)。这些球栅阵列元件非常小并且可以被认为是小型的电路板，在这些电路板的底面上放置和固附有多个焊球或者球栅阵列(BGA)。在工作过程中，利用球体安装装置202来将多个，并且也可能是非常多的球栅阵列(BGA)安装到所述元件的下例面上。最后，固附有球栅阵列(BGA)的元件将被安装到一个较大的印刷线路板上，但是球栅阵列(BGA)必须或多或少地永久性固附在所述元件上。该工作过程通常通过以常规方式使得包含在球栅阵列(BGA)中的焊料发生回流并且随后对这些球栅阵列(BGA)及元件进行清洗而得以实现，其中在所述球栅阵列(BGA)和元件上固附有焊剂和在回流工艺中产生的其它杂质。
在1至3转换器206的后方是一个回流设备208，用以在线路板上回流焊料。这些设备可以从Research int.，Dover-Vitronix，Electrovert，Heller及BTU等公司得到。接在回流设备208后面的是一个清洗设备210，用以将焊剂残留物及其它杂质从线路板上清除掉。清洗设备可以由GPD，Dover-Vitronix及Accel公司等提供。跟在设备210后面的是一套3至1转换器212和另外一个自动装载机214。由所述1至3转换器206与所述3至1转换器212之间的设备所占用的直线距离通常例如是27延英尺(linear feet)，与所述设备结合在一起，占用162平方英尺的车间面积。该系统的成本在目前位于$200,000至$250,000之间，并且必须由三个不同的生产厂商提供。
本发明提供了一种回流和清洗设备10，该设备10可以用来替代所述的设备206，208，210及212。回流和清洗设备10仅占用所述生产线中的五延英尺，和20平方英尺的车间面积，与现有设备相比节省了相当大的空间。正如大家所公知的那样，由于需要对环境进行控制，并且需要标准的温度及洁净度等等，所以半导体、印刷线路板或者其它电子生产线中的单位车间面积成本极其昂贵。通过利用本发明中的回流和清洗设备10，可以显著地节省成本。所述成本与被替换下来的设备不相上下，并且可以由一个生产厂商来提供。正如在附图2中所示出的那样，利用回流和清洗设备10，可以将如附图1中所示的一条生产线目前所需的距离用于两条完全独立的生产线。
参照附图3至12，将对构成本发明第一实施例的回流和清洗设备10进行描述。该设备10包括有一个框架12，该框架12上安装有一个回流装置14，用来在线路板15上回流焊料，和一个清洗装置18，用来在回流操作完成后对线路板15进行清洗，其中所述线路板15被安装在条带16上(附图3)，或者被安装在托架、舟皿或者托板62上(附图5)。
正如在附图3和12中所能够看出的那样，所述设备具有一系列的传送装置，包括入口传送装置20，回流传送装置22和清洗传送装置24。由入口传送装置20将呈条带16状的球栅阵列(BGA)元件15(附图3)或者独立于托架、舟皿或者托板17中的球栅阵列(BGA)元件15(附图5)从检查设备204开始进行加工处理，并且沿生产线的直线方向26对这些元件进行传送。当条带16接近入口传送装置20的内侧端部28时，设备中的公知类型传感器将使得吹扫组件30沿方向32从附图12中所示出的位置朝向回流传送装置22进行移动，以便将条带16移动到回流传送装置22的起始端部上，其中所述方向32垂直于所述直线方向26。回流传送装置22沿一回流方向32对条带16进行传送，该回流方向32大体上垂直于所述直线方向26。
参照附图4，随着条带16被沿着回流方向32进行传送，由加热组件34对它们进行加热，以便在线路板上回流焊料。加热组件34比如可以是加热管，但是也可以是对流式或者传导式加热装置。回流装置14中设置有绝热材料，用以将温度的升高控制在回流装置内部。根据需要，可以通过入口40向回流装置中供送氮气。利用电热偶42对回流装置14中的温度进行控制，该电热偶42由设备10中的相应适用电路来进行监控。最好，加热组件34中包括有IR型加热装置，而并非许多回流炉中非常常用的对流式加热装置。
IR型加热装置的一个优点在于，其可以比传统的对流式加热系统更快速地将焊料加热到回流温度，并且利用更少的能量、更快速地实现回流。在传统的回流炉中，进行回流的较大尺寸印刷线路板通常具有大量被固定在该线路板上的不同组件。这些组件通常被做成具有区别较大的颜色。比如，当某些集成电路是黑色并且趋于吸收热量时，其他诸如电容器这样的组件或者其他分立设备(discreet device)可以为诸如白色或黄色这样的浅颜色，与黑色设备相比具有不同的热吸收性能。
另外，通常会呈墨绿色的印刷线路板本身，也与安装在该印刷线路板上的设备具有不同的热吸收性能。这将使得或者说将会使得所述设备被有区别地进行加热，从而产生所不希望出现的回流速度不同现象。
但是，利用本发明中的设备，所述设备将非常适合于对安装在集成电路下表面上的球栅阵列(BGA)进行回流。在这些装置中，包含在所述条带或者JEDEC型托架、舟皿或托板上的各个球栅阵列(BGA)元件大体上具有一致的颜色，也就是说所述条带或者JEDEC型托架、舟皿或托板上的球栅阵列(BGA)元件的颜色没有或者仅有微小的变化。从而，可以利用IR型加热装置来对条带或者托架、舟皿或托板进行加热，但却不会产生前述回流不均匀的问题。应该指出的是，根据需要，在回流循环的终端，也就是说在附图4中所示出的条带16经过最后的加热组件41之后，条带16将沿传送带22前移到一个冷却区域43，在该冷却区域43中可以利用冷却水或者其他致冷装置或者一个Peltier型设备对所述条带进一步进行冷却。
参照附图3和附图12，随着条带16接近回流传送装置22后端部处的设备10的后部44，该设备10中的适用传感器将使得吹扫组件46从附图12中所示出的位置沿直线方向26进行移动。由该吹扫组件46将条带16移离回流传送装置22，跨越一个平整的静态表面48，置于清洗传送装置24的起始端部上。在吹扫组件46将条带16从回流传送装置22传送到清洗传送装置24上之后，该吹扫组件46将移回在附图12中所示出的位置上，来为推动下一个条带16朝向回流传送装置22的端部进行移动作好准备。
清洗传送装置24将沿清洗方向50驱使所述条带16从所述后部44朝向设备10的前部52进行移动，其中所述清洗方向50大体上垂直于所述直线方向26并且与所述回流方向32相反。随着条带16移经清洗装置18，线路板15将得以清洗。对线路板的清洗可以利用大约95℃的水蒸气或者水雾来实现。但是，也可以利用非常传统的清洗技术。
在传统的回流/清洗工艺中，印刷线路板将经受串联式回流炉的加工处理，该串联式回流炉通常包括有一个冷却部分，使得线路板或者其他电子装置的温度降低，以有助于回流固化。随后，线路板被从所述回流炉中取出，并且被传送到设备中的下一个串联式组件中，即被传送到清洗器中。本技术领域所公知的是，一旦一个线路板或者其他电子装置已经被冷却下来，那么各种杂质，比如焊剂和其他材料将部分地或者全部地凝固或者固化在线路板和/或安装于该线路板上的设备上。从而，在后续于回流工艺的清洗工艺中，清洗用的水必需将线路板或者其他电子装置的温度加热到这样一个温度，即在该温度下可以将所述焊剂和其他杂质清洗掉。相反，在本发明中，回流炉和清洗器位于同一个壳体内，并且所述回流炉包括有一个可进行编程的冷却装置，而在清洗部分的热水也利用了具有较高温度的水或者甚至是高温的水蒸气。在回流部分和清洗部分中对温度的控制可以采用任何公知类型的加热和温度控制方法。通过利用本发明，线路板，芯片或者其他电子装置将不会有足够的冷却时间使得焊剂或者其他杂质在所述线路板上发生固化，相反，这些杂质将保持在非固化的半固体状态。随后，它们差不多是立即被从回流路径传送到清洗路径中，由于从冷却用回流路径的出口至清洗路径的入口之间的温度差很小，焊剂和其他杂质将不会发生固化，所以焊剂和其他杂质将易于在本发明的清洗部分中被清洗掉。这就显著地节省了对单个线路板、条带或者托架进行加工处理的时间，同时还节省了对安装有芯片的印刷线路板、条带或者托架、舟皿或托板进行二次加热和冷却所需的能量。
另外，本发明中对温度进行控制的另外一个益处在于，所述的印刷线路板、条带或者JEDEC型托架、舟皿或托板将暴露于温度比传统清洗器中温度高的清洗部分中，从而由于安装在条带16或者JEDEC型托架、舟皿或托板18中的设备的温度较高，导致水蒸气蒸发，从而能够对所述设备进行快速干燥。通常，在所述炉中回流部分的回流温度为360华氏度左右，但是其可以在室温至大约600华氏度之间变化，但是回流操作过程中的温度通常不低于375华氏度左右。一般说来，清洗器包括有一个洗涤部分和一个冲洗部分。通常，清洗部分中用于洗涤部分的水的温度范围为120至160华氏度，而用于冲洗部分的水的温度范围为120至210华氏度。用于洗涤的水的适合温度是145华氏度左右，而用于冲洗的水的适合温度是210华氏度左右，但是总体上不低于145华氏度左右。在每一种情况下，最好移出回流装置的电子元件的温度不低于洗涤部分中洗涤水的温度。通过公知的方式和温度控制设备，这些温度可以根据回流和清洗部分中的加热规则而得以保持。
另外，利用位于一个整体式壳体内的回流炉与清洗设备的抑制，和通过如前所述那样对相差不大的受控温度进行控制，并且还通过对传送带22和24的速度进行控制，可以使得对单个条带或者JEDEC型托架、舟皿或托板进行加工处理的总体平均时间，与在附图1中所示的传统生产线中通常所需的时间相比减少了3分钟或者更多，其中在传统生产线中通常所需时间为7至10分钟。从而，在目前的设备中，在回流操作完成后的15至45秒内，待包含有所述元件的条带或者JEDEC型托架、舟皿或者托板移离设备中的回流部分之后，开始进行清洗操作。
另外，清洗部分中传送装置24的端部包括有一个加热式吹风机53，该加热式吹风机53将热的空气吹到条带16或者托架18的上表面或者上下表面上，用来在清洗工艺完成后对所述设备进行进一步干燥，从而利用水蒸气从所述设备上蒸发掉来增强干燥效果。
当条带16接近于设备10前部52附近的清洗传送装置24时，传感器将感测到它们的位置，并且启动吹扫组件54来将条带16沿直线方向26移离清洗传送装置24，并且将这些条带26推到滑道25(shoot)上，进而离开设备10进入生产线中的下一阶段。
正如在附图3中所能够明白的那样，回流传送装置22中宽度56与长度58的比值及清洗传送装置24中的类似尺寸非常重要。正如所图示出的那样，即将进入设备10中的条带16，它们的纵向长度60与直线方向26平行。该方位在整个设备10中得以保持，并且回流传送装置22的宽度56和清洗传送装置的宽度适合于容纳条带的纵向长度60。总体上来说，入口传送装置20的速度将大于回流和清洗传送装置的速度。比如，入口传送装置20可以沿直线方向26以每分钟12至84英寸的速度运转。每分钟60英寸将可以被看作是每分钟四个托架62，而每分钟84英寸将可以被看作是每分钟十个条带16。相反，回流传送装置22和清洗传送装置24将以每分钟3至24英寸的速度运转。该处理速度可以是用于每分钟10个条带的每分钟24英寸，或者是用于每分钟3个托架的每分钟20英寸。回流传送装置和清洗传送装置的长度58应该足够长，以便条带16和托架62以与输入传送装置20上输入的条带16和托架62相同的速度从设备10中移出。由于回流操作结束与清洗操作开始之间的时间间隔会发生变化，因此所希望的是在本发明中将所述时间间隔固定在1至120秒，并且最好小于120秒。
附图5图示出了设备10的使用方法，其中该设备10带有全部由球栅阵列(BGA)15制成的独立托架62。所示出的这些托架可以是前面所提及类型或者其他类型的JEDEC型托架，舟皿或托板。托架62在设备10中的运动方式与前面所讨论的条带16的运动方式相同。
参照附图6至12，可以看出框架12被安装在轮子66上，以利于设备10进行移动。优选的是，回流装置14带有一个盖子68，该盖子68可以在由附图6至9中所示出的闭合位置与由附图10中所示出的打开位置之间运动，从而能够形成通向回流传送装置22和相关设备的通道。另外，回流装置22本身可以被安装在一个枢动设备上，正如在附图11中所看到的那样，用以借助于气举导管70而提升到一个检查和维修位置。同样，清洗装置18也将包括有一个可以移动到打开位置的盖子72，并且清洗传送装置24被枢动安装，以便如附图11中所示出的那样，通过气举导管74的支撑而枢轴运动到一个检查和维修位置。
在设备10的前部52上安装有一个控制面板76，用以对设备10内部的处理工艺进行控制。不同的面板78可以被安装在框架12上，以便遮蔽设备10中为实现其功能所必需的各种组件。低压排气通道80带有外部的排气喷嘴82，用以根据需要将所述装置中的气体抽出。由于本发明将原先分别在一个独立机构中实施的两个加工处理步骤结合到了一个整体式壳体中来实施，所以显然不会将潜在的气体、水蒸气、焊剂等从一个传送装置系统转移到另一个传送系统中。低压通道和外部排气喷嘴82用于将两个传送装置分离开，以便所述的那些杂质不会从一个区域流动到另一个区域，从而进一步使得回流和清洗工艺更为高效和快速。
虽然本发明的一个实施例已经在所附附图中进行了图示，并且在前面的详细描述中进行了描述，但是应该明白的是，本发明并不局限于所公开的实施方案，在不脱离本发明的范围和技术构思的条件下，可以对其中的部件和组件进行多种重新配置，改进和替换。
权利要求
1.一种用于对沿一预定的直列方向(a predetermined in-linedirection)前进的电子元件或装置进行回流和清洗的设备，其包括有壳体；安装在该壳体内部的回流装置，该回流装置具有回流传送装置，用于沿不平行于所述预定方向的回流方向对电子元件或装置进行传送，以便在该电子元件或装置上回流焊料；及安装在所述壳体内部的清洗装置，该清洗装置具有清洗传送装置，用于沿不平行于所述预定方向并且大体上与所述回流方向相反的清洗方向对所述电子元件或装置进行传送。
2.如权利要求1中所述的设备，其特征在于所述回流方向与清洗方向均垂直于所述预定方向。
3.如权利要求1中所述的设备，其特征在于所述电子元件呈条带状。
4.如权利要求1中所述的设备，其特征在于所述电子元件被承载在托架、舟皿或者托板上。
5.如权利要求1中所述的设备，其特征在于所述清洗装置能够提供高温的洗涤和冲洗用水。
6.如权利要求5中所述的设备，其特征在于所述洗涤用水的温度大约位于120至160华氏度的范围内，而冲洗用水的温度大约位于120至210华氏度的范围内。
7.如权利要求1中所述的设备，还包括有多个吹扫组件，由这些吹扫组件沿所述预定方向将电子元件从输入传送装置移动到回流传送装置的起始端部上，从回流传送装置移动到清洗传送装置的起始端部上，并且从清洗传送装置的端部移离该设备。
8.如权利要求1中所述的设备，还包括有低压排气通道和气体流动系统，用以将回流装置中的传送装置与清洗装置中的传送装置分离开，从而阻止杂质从回流装置进入到清洗装置中，并且阻止杂质从清洗装置进入到回流装置中。
9.如权利要求1中所述的设备，其特征在于利于IR型加热装置对所述电子元件进行加热和回流。
10.如权利要求1中所述的设备，其特征在于回流装置中的温度大约位于室温至600华氏度的范围内，而清洗装置中冲洗用水的温度大约位于室温至210华氏度的范围内。
11.一种用于将电子元件组装到电子装置上的设备，其包括有整体式壳体；至少两个位于该整体式壳体内部的加工处理工位，其特征在于在所述加工处理工位以连续的加工处理工艺对电子材料进行组装。
12.如权利要求11中所述的设备，其特征在于所述电子装置的路径至少穿经两个重叠的电子加工处理工艺。
13.如权利要求12中所述的设备，其特征在于第一和第二加工处理工艺的路径相互平行，但方向相反。
14.如权利要求12中所述的设备，其特征在于由于至少两个电子加工处理工艺相重叠，所以壳体的占地面积减小。
15.一种用于对电子元件或装置进行回流和清洗的设备，其包括有壳体；安装在该壳体内部的回流装置，该回流装置具有回流传送装置，该回流传送装置沿一朝向清洗装置的方向对电子元件或装置进行回流和传送；安装在所述壳体内部的清洗装置，该清洗装置具有清洗传送装置，用于沿一清洗工位对所述电子元件或装置进行洗涤和传送；在清洗装置中，利用温度大约在室温至210华氏度范围内的水来进行洗涤，并且其中清洗温度与回流温度之间的温度差大约位于600至145华氏度的范围内。
16.如权利要求15中所述的设备，其特征在于所述洗涤用水的工作温度大约为145华氏度，而在清洗部分中冲洗用水的温度大约为210华氏度。
17.如权利要求15中所述的设备，其特征在于所述回流传送装置和清洗传送装置方向相反，但相互平行。
18.如权利要求15中所述的设备，其特征在于所述回流传送装置和清洗传送装置的运转方向均垂直于一预定的直列方向。
19.如权利要求15中所述的设备，其特征在于随着电子元件被沿回流传送装置进行传送，该回流传送装置和所述清洗传送装置的温度范围能够阻止附着在电子元件上的焊剂和在回流过程中包含在焊料中的其他杂质发生完全硬化或固化。
20.如权利要求15中所述的设备，其特征在于位于回流装置与清洗装置之间的电子元件或装置的温度不低于用于进行洗涤的水的温度。
21.如权利要求15中所述的设备，其特征在于回流操作结束至清洗操作开始之间的时间范围为1至120秒。
22.如权利要求15中所述的设备，其特征在于回流传送装置中的温度不低于大约375华氏度，而清洗装置中的温度不低于大约145华氏度。
23.如权利要求16中所述的设备，其特征在于在回流操作结束后焊料开始发生硬化至清洗操作开始之间的时间小于120秒。
全文摘要
一种在一个整体式壳体中结构紧凑的组合式回流炉和清洗设备,具有回流和清洗功能。这将节省印刷线路板组装区中宝贵的车间面积。利用所述整体式壳体和通过对回流与清洗区域的温度进行控制,有利于在杂质固化之前将这些杂质去除掉。
文档编号B23K1/20GK1339992SQ00803778
公开日2002年3月13日 申请日期2000年2月16日 优先权日1999年2月18日
发明者兰德尔·L·理查 申请人:斯皮德莱技术公司