专利名称：具有晶格结构表面的焊头的制作方法
具有晶格结构表面的焊头
本发明涉及焊接或脱焊设备(一般被称为焊接设备)的焊头，其中所述焊头是根据权 利要求l的前序来形成的。因此，本发明等同地涉及有源和无源焊头。对于有源焊头，基 体本身在电能供应下充当(电阻性)加热部件，即它产生热。相反，对于无源焊头，热是 由外部加热部件产生的，并且被传递到焊头。因此，这样的无源焊头中的基体主要是导热 的。因此，无源焊头的基体(或者"核芯(core)")通常是由铜或者银制成。
铜和银确实可易于被焊接材料(尤其是锡焊料)润湿。然而，与此同时，它们在液态 锡中呈现非常高的脱合金率(dealloyingrate)，即它们具有相应短的寿命。
已知通过在基体或者核芯上电沉积铁层来延长寿命。铁仍旧是易于以锡润湿的，但是 与铜或银相比呈现低得多的脱合金率。
一个问题在于，从最近开始，仅仅允许无铅合金焊料。这样的无铅焊接材料由于合金 中增加的锡量以及由于较高的熔融温度而增加脱合金率。这样的焊料所需的助焊剂也对服 务期限以及对铁层的可润湿性有负面影响。
本发明的目标在于提供一种焊头，其中与常规焊头相比，大大提高长期流动特性(flow behavior)。
该目标是通过包括权利要求1的特征的焊头来实现的。在从属权利要求中指出了本发 明的有利进展。
对于常规焊头来说，可被锡焊料润湿的接触表面的材料已经被配置为使得其原子以金 属晶格或晶体晶格结构排布的。现在本发明规定，至少一种外来材料的带电基本粒子被引 入到接触表面的该晶格结构中，在本上下文中，术语"外来材料(foreign material)"包 括不同于接触表面主要或基本材料的任何材料。接触表面的原始晶格结构由于外来材料带 电基本粒子的引入而改变。惊人的是，已经发现接触表面由此以显著改进的方式可润湿， 并且除此之外，其变得在机械上稳定得多。两种效果均提高焊头的长期流动特性。
根据本发明的改性接触表面在用于微电子器件的超细焊头方面具有特别的优点，因为 这样的焊头迄今由于其配置而仅仅呈现非常低的固有稳定性并且因此具有非常有限的寿 命。因为可以通过带电基本粒子的引入而在机械上稳定这样的焊头的接触表面，所以焊头 的平均寿命也可以被大大地延展。
可以理解的是，首先在基体上提供特殊的接触层，所述接触层已经呈现特别良好的可润湿性，并且根据本发明的改性接触表面是所述接触层的表面。接触表面的可润湿性由此 被改进了两次。
在另一种变体中，接触表面可以为基体本身的表面。实施方案的该变体提供这样的优 点，即焊头具有非常简单的构造，因为不需在基体上提供额外的层。在没有额外覆层的情 况下，这样的焊头还可以在很大程度上逐渐变细，从而其特别适于微电子应用。
取决于外来材料的类型和引入的类型，外来材料的带电基本粒子可以被引入到接触表 面晶格结构的晶格结点上，和/或引入在晶格间隙处。
当除了第一外来材料的带电基本粒子之外还有至少一种第二外来材料的带电基本粒 子被引入到接触表面时是有利的。取决于分别的外来材料的选择，可以特别强化任一种效 果(例如可润湿性)，或者，可以促进两种不同的效果(可润湿性和机械稳定性)。
其带电基本粒子可以被引入的接触表面的外来材料例如铂、钨、钼、钛、钴、锗、硅、 砷、镓、氮或碳。铂、钨、钼、钛、镍或钴的带电基本粒子的引入一般提升根据本发明的 焊头的寿命。如果锗、硅、砷或镓的带电基本粒子被引入接触表面的晶格结构，则可润湿 性将得到改进。氮或碳的引入具有这样的效果，即焊头可以耐受更高机械负载。
优选地，外来材料的带电基本粒子均匀分布在接触表面上。整个焊头的长期流动特性 由此可以被提高，而无需形成弱点或者具有降低可润湿性的点。
然而，相反地，还可理解的是，改变整个悍头上带电基本粒子的密度。由此例如可以 实现焊头的最外尖端在机械上尤其牢固，或者可以促进焊接材料朝该最外尖端的流动。
根据本发明，所述带电基本粒子可以不仅直接在接触表面本身被引入到晶格结构，并 且还引入到接触表面之下的体积中。
这将有这样的优点，即，即使接触表面在焊头工作期间磨损，该表面条件仍被维持。
如果在焊头接触表面之下的体积中也存在带电基本粒子，则可理解所述带电基本粒子 的浓度随着接触表面之下增加的深度而改变。例如，带电基本粒子的浓度可以减小，使得 一旦焊头磨损，可润湿性因此将恶化，由此向使用者发出信号，告知应当更换焊头。
另一方面，还可理解的是，带电基本粒子的浓度随接触表面之下增加的深度而增加。 例如，由此可以使得焊头的内部在机械上尤其稳定。
优选地，带电基本粒子不仅直接提供在接触表面上，还至少直到接触表面之下0.3mm 的深度。更优选的是，提供带电基本粒子直到至少l.Omm的深度。由此可以实现，即使一旦焊头磨损，焊接材料在焊头上的改进的流动特性被尽可能长时间地维持。
可能的是，带电基本粒子被引入到晶格结构所达的深度在整个焊头是改变的。例如， 该深度可以取决于焊头在各处的直径。
如果在焊头外部提供接触层，则可以在基体和所述接触层之间提供至少一个另外的 层，根据本发明的焊头的属性由于该层而被进一步改性和改进。
例如，可以在基体和接触层之间提供至少一个阻挡层(barrier layer)。该阻挡层可以 具有防止带电基本粒子穿入或者扩散到悍头更深区中的功能。另一种可达的阻挡效果是， 由于阻挡层不可被锡焊料润湿，从而以这种方式保护焊头的内部核芯或基体。
此外，可以在接触表面外部区段提供保护覆层，从而在选定位置防止接触表面的润湿。 还可理解的是，在要防止带电基本粒子引入接触表面的具体位置施加这样的保护覆层。包 含锡、银或金的保护覆层适用于该目的。
现在将参照附图以更多的细节解释本发明的优选实施方案，在附图中详细示出 图l通过根据本发明的焊头的第一实施方案的垂直截面。 图2通过根据本发明的焊头的第二实施方案的垂直截面。
全部附图中类似的部件以类似的标号指代。
图1示出根据本发明的用于焊接设备的焊头的第一实施方案。焊头1以基本上为圆柱 形的杆2以及邻接的圆锥形区段3成轴对称。所图示出的实施方案涉及无源焊头l，在其 内部包括导热基体4，所述基体4例如可以由铜或银构成。在有源焊头中，基体4将包括 加热部件，并且可能包括温度传感器。
圆柱形杆2其上提供有紧固件5，在这里所述紧固件5被配置为凹陷，通过该凹陷， 焊头可以被紧固到焊接设备。例如，焊头l可以附接到焊接设备的烙铁上。为了确保烙铁 上更好的抓紧，还可以在紧固件5上提供凹痕。
阻挡层6提供在基体4的表面上。不可被焊接材料润湿的阻挡层6与基体4的表面熔 合。如阻挡层6由金属构成，其可以特别地以金属熔合工艺连接到基体4。其层厚可以在 50微米到约1毫米的范围。其起到保护基体4不被润湿并由此保护基体不被焊接材料去除 的作用。
阻挡层6的外部具有提供于其上的接触层7，所述接触层7以晶体晶格结构的形式构 成。接触层7包括内部区8和外部区9。在焊头1前端的工作区域10中，接触层7的外部 区9暴露。其暴露表面形成可被焊接材料12润湿的接触表面11。外来材料的带电基本粒子被引入到接触层7的外部区9的晶格结构，并且因此还被引 入到接触表面ll的晶格结构中。在图示的实施方案中，接触层7是铁层。铂、钨、钼、 钛、镍、钴、锗、硅、砷、镓、氮和/或碳的带电基本粒子被插入到接触层7的外部区9， 以便以这种方式改进焊头1的长期流动特性。
保护层14被提供在工作区域10之后的焊头1后部分的承载层13上，所述承载层13 例如由镍构成，而所述保护层14由铬构成。铬层14不可被焊接材料12润湿，由此防止 焊接材料12流到焊头1的杆2。保护层或者保护覆层14还可以包含锡、银或金。
图2示出根据本发明的焊头20的第二实施方案，其中第二实施方案的焊头20具有比 第一实施方案的焊头1简单得多的构造。焊头20也包括具有形成为凹陷的紧固件5的导 热基体4。然而，焊头20不具有阻挡层，并且不具有特殊的接触层。取代于此，不同于基 体4的材料的外来材料的带电基本粒子被引入到基体4的表面层21。表面层21延伸直至 深度T。在焊头20的工作区域10，表面层21暴露，从而其外部代表接触表面11。外来 材料(或者数种外来材料)的带电基本粒子也被引入到该接触表面11的晶格结构。焊头 20的可润湿性以及焊接材料12在焊头20上的长期流动特性由此被提高。由于省略了阻挡 层和特殊的接触层，第二实施方案的焊头20可以以较低的成本并且还以比第一实施方案 的焊头l小的尺寸制造。在第二实施方案中，焊头20还包括在定位于工作区域10之后的 后部上的保护覆层14。
从图示的实施方案开始，根据本发明的焊头可以以各种方式被修改。例如，有可能将 不同外来材料的带电基本粒子引入接触表面l的晶格结构。除此以外，与如附图中示出的 焊头l、 20的几何布局不同的变体也是可能的。此外，所图示的比例绝对不是按真实比率 的，尤其是因为它们可以在各实施方案中不同。在较简单的实施方案中，保护覆层14也 可以被免除。
权利要求
1.一种用于焊接设备的焊头(1)，所述焊头(1)包括发热或导热的基体(4)，并且在所述基体(4)外部具有接触表面(11)，所述接触表面(11)至少在一些区段可以被锡焊料(12)润湿，其中接触表面(11)的材料具有晶格结构，其特征在于，至少一种外来材料的带电基本粒子被引入到所述接触表面(11)的所述晶格结构中。
2. 根据权利要求1所述的焊头，其特征在于，所述接触表面(11)是提供在所述基体(4)上的接触层(7)的表面。
3. 根据权利要求1所述的焊头，其特征在于，所述接触表面(11)是所述基体(4)的表面。
4. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述带电基本粒子被引入到所述接触表面(11)的所述晶格结构的晶格结点处和/或引入到晶格间隙处。
5. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，除了第一外来材料的所述带电基本粒子之外，至少一种第二外来材料的带电基本粒子也被引入所述接触表面(11)中。
6. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述第一和/或所述第二外来材料是选自由铂、钨、钼、钛、镍、钴、锗、硅、砷、镓、氮和碳组成的组。
7. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，外来材料的带电基本粒子均匀地分布在所述接触表面(11)上。
8. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述带电基本粒子的密度在整个所述焊头(1)中是变化的。
9. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，带电基本粒子还在所述接触表面(11)之下被引入到晶格结构中。
10. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述带电基本粒子的浓度随在所述接触表面(11)之下增加的深度而变化。
11. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述带电基本粒子的浓度随在所述接触表面(11)之下增加的深度而减小。
12. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述带电基本粒子被引入到所述晶格结构中直至所述接触表面(11)下至少0.3mm的深度(T)，优选地直至至少l.Omm的深度。
13. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，带电基本粒子被引入到所述晶 格结构所达的所述深度在整个所述焊头(1)中是变化的。
14. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，至少一个另外的层(6)被提 供在所述基体(4)和所述接触层(7)之间。
15. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，至少一个阻挡层(6)被提供 在所述基体(4)和所述接触层(7)之间。
16. 根据权利要求15所述的焊头，其特征在于，所述阻挡层(6)不可被锡焊料(12) 润湿。
17. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述接触表面(11)至少在一 些区段被提供有保护覆层(14)。
18. 根据前述任一权利要求所述的焊头，其特征在于，所述保护覆层(14)包含锡、 铬、银或金。
全文摘要
本发明涉及用于焊接设备的焊头(1)，所述焊头(1)包括发热或导热的基体(4)，并且在所述基体(4)外部具有接触表面(11)，所述接触表面(11)至少在一些区段可以被焊料(12)润湿，其中所述接触表面(11)的材料具有晶格结构。根据本发明的焊头(1)还包括，至少一种外来材料的带电基本粒子被引入到所述接触表面(11)的所述晶格结构中。
文档编号B23K3/02GK101678491SQ200880005258
公开日2010年3月24日 申请日期2008年1月9日 优先权日2007年2月19日
发明者L·杰科维克, T·斯蒂尔, W·布拉德 申请人:库柏工具股份有限公司