将电子部件焊接到电路板的方法和设备与流程

本公开涉及一种用于将具有插入到通孔中的引脚的电子部件焊接到具有通孔的电路板的方法和设备。本公开还涉及一种计算机程序产品和一种计算机可读介质。

背景技术：

1、表面安装技术(smt)能够将电子部件直接安装到电路板(諸如印刷电路板(pcb))的表面上。以这种方式安装的电子部件被称为表面安装装置(smd)。smt已经在很大程度上取代了通孔技术(tht)，在通孔技术中，通孔装置(thd)的引脚插入到电路板的通孔中，因为smt允许增加制造自动化，这降低了成本并提高了焊接质量。

2、然而，对于不适合smt的电子部件，仍然需要tht。这是当需要高机械强度或散热器时的情况。示例性电子部件是大型变压器、包括散热器的功率半导体(例如功率晶体管、激光器和发光二极管(led))或连接器。为了保证thd和电路板之间足够强的连接，在通孔和插入通孔的引脚之间形成的环形间隙需要用焊料填充至少70％。在下文中，环形间隙体积的70％以上的填充度也被称为高填充度。

3、因此，电路板通常使用smt和tht进行封装。在下文中，这种类型的电路板被称为混合封装电路板。

4、为了产生混合封装电路板，wo 03/079 743 a2教导使用所谓的背侧回流方法来将具有热临界外壳的thd焊接到电路板。在该方法中，混合封装电路板特别地通过将电路板的第一侧与smd和thd预组装、通过转动电路板使得电路板的第一侧在电路板的第二侧之下以及通过仅将电路板的第二侧与smd预组装而产生。通过将smd的触点放置在电路板上布置有焊膏的相应位置上，将smd预组装在电路板上。smd可通过粘合剂固定在电路板上。通过将thd的引脚插入到第一侧上的通孔中来预组装thd，使得引脚在布置有焊膏的接触区域中从第二侧突出。为了避免thd在电路板翻转时脱落，thd可通过粘合剂或软锁技术固定到电路板，其中通孔包括轴环部分，以便保持thd的引脚。然后，将电路板插入回流炉中并加热，使得其上安装有thd的电路板的第一侧至少部分地屏蔽影响焊接的热或能量。

5、在de 10 2008 035 405 a1中公开了上述方法的进一步发展。在该方法中，电路板在两个侧面上预组装有smd，并且还在第一侧上预组装有至少一个thd。代替粘合剂或软锁固定装置，在电路板被翻转以便用smd封装第二侧之前，通过选择性地将thd的至少一个引脚焊接到电路板，将至少一个thd固定到电路板的第一侧。然后，将电路板插入回流炉中，以便将smd和thd焊接到电路板。

6、在de 10 2005 043 279 a1中公开了另一种用于制造混合封装电路板的方法。在该方法中，电路板仅封装有smd，并放置在回流炉中，以便将smd焊接到电路板。然后，选择性地将至少一个thd焊接到电路板。

7、为了选择性地将thd的引脚焊接到电路板，在三个正交方向上，即在笛卡尔坐标系中的x、y和z方向上驱动焊料罐，以接触从通孔突出的相应引脚。此外，为了避免氧化并实现适当的焊接，需要将焊剂施加到引脚上。然而，与使用回流炉的焊接方法相比，由于在z方向上的移动，为了使焊料罐分别前进到引脚或从引脚离开，需要更长的时间来将thd焊接到电路板。因此，ep 3 153 270 a1提出使用至少两个焊料罐，该至少两个焊料罐分别在三个正交方向上被单独驱动，以提高焊接速度。然而，仍然存在这样的缺点，即当通过使用焊料罐将thd的引脚选择性地焊接到电路板上时，施加到引脚上的焊料量不能被精确地控制。

技术实现思路

1、因此，本公开的目的是克服现有技术的缺点，并提供一种先进的方法和设备，用于将具有插入通孔的引脚的电子部件焊接到具有通孔的电路板。此外，根据本公开的方法和设备还可用于混合封装电路板的制造。

2、该目的通过根据本发明的方法和设备来解决。该目的还通过根据本发明的计算机程序产品和计算机可读介质来解决。

3、根据本公开的方法通过将液化焊球施加特别是通过喷射到电路板上，来实现该目的，该电路板包括电子部件的引脚插入其中的通孔，使得液化焊球的一部分流入并填充引脚和通孔之间的环形间隙。因此，该方法可用于热临界电子部件。此外，不再需要焊料罐必须前进到引脚或从引脚离开，从而可减少将具有插入到通孔中的引脚的电子部件焊接到具有通孔的电路板所需的持续时间。此外，通过施加液化焊球，可适当地控制施加到通孔的焊料的量。需要注意的是，液化焊球的部分填充了环形间隙体积的至少70％，以保证引脚与通孔的适当接合。还需要提及的是，焊球的体积优选地大于环形间隙的体积，并且在液化焊料流入环形间隙之后，在通孔外部也存在焊料。在液化焊料填充环形间隙之后，该液化焊料固化并在引脚和通孔之间形成永久的导电接头。如上所述，液化焊球特别地被喷射到电路板上。在wo 02/28 588 a1中公开了一种用于施加、特别是喷射液化焊球的方法和装置。其内容在此引入作为参考。

4、根据本公开的一个方面，通孔的直径与通孔的深度的比率可在0.5至3的范围内。优选地，该比率可以是1。此外，通孔的直径可以是引脚直径的1.5倍至3倍。优选地，通孔的直径可以是引脚直径的2倍。此外，引脚在电路板表面上方的高度可以是0或等于或小于通孔直径的0.5倍。此外，通孔外部的焊料的基座的直径可以是通孔直径的1.5倍至2倍。最优选地，焊接后通孔的填充度可等于或大于在引脚和通孔之间形成的环形间隙的体积的0.7倍。利用上述参数，引脚和通孔之间的焊接头使得引脚和通孔的接触区域之间具有适当的机械强度和良好的电连接，这又可连接到电路板上的引线。

5、根据本公开的一个方面，在液化焊球的部分已经填充环形间隙之后并且在焊料凝固之后，可基于施加之前的液化焊球的预定总体积，通过测量通孔外部的凝固焊料的体积来确定环形间隙的填充度。优选地，通过使用三维图像处理来测量通孔外部的凝固焊料的体积。作为示例，可使用3d扫描仪、白光干涉仪或光场照相机来检测通孔外部的焊料的体积。通过从施加之前已知的焊球体积中减去测得的通孔外部的凝固焊料体积，可确定流入环形间隙的焊料体积。需要注意的是，需要从通过使用三维图像处理确定的体积中减去电路板上方的引脚的体积，以确定通孔外部的焊料的体积。此外，引脚和通孔的体积和尺寸是预先已知的，使得环形间隙的体积也可通过从通孔的体积中减去通孔内的引脚的体积来确定。因此，可通过将流入环形间隙的焊料的体积除以环形间隙的体积来确定环形间隙的填充度。因此，该方法能够现场检查焊接头的质量。因此，可减少引脚和通孔之间的导电接头的质量检查的持续时间。相反，填充度通常通过使用x射线或横截面检查来确定。当使用回流焊接或波峰焊接时，诸如焊料罐，x射线和横截面检查是确定环形间隙填充度的唯一方法。因此，根据本公开的方法提供了节省时间和成本效率较低的质量检查，这使得能够检查更多的封装电路板，从而可提高整体生产质量。

6、根据本公开的一个方面，液化焊球可从与电路板的布置有电子部件的一侧相对的一侧施加到电路板上。因此，液化焊球可容易地施加到待焊接的点，即环形间隙。

7、根据本公开的一个方面，液化焊球可向下施加到电路板上。需要注意的是，向下被定义为重力方向。因此，流入环形间隙的液化焊球的部分由重力支撑，使得与例如通过使用焊料罐向上施加液化焊球的情况相比，环形间隙更容易被高度填充。

8、根据本公开的一个方面，液化焊球可以以倾斜角度施加到电路板上。这意味着液化焊球的施加方向相对于电路板(即，电路板的表面)倾斜。优选地，相对于电路板的倾斜角度在30°至60°的范围内。更优选地，相对于电路板的倾斜角度基本上为45°。因此，液化焊球可容易地施加到通孔，使得环形间隙被适当地填充。此外，引脚的长度可单独选择，因为引脚的长度不受焊波的高度或焊料罐的深度的限制。与使用焊料罐相比，焊料不必施加到引脚的尖端，从而可节省焊料材料。尤其是，当使用具有尖端的引脚时，可以以倾斜角度施加液化焊球。以这种方式，可避免激光束从尖端反射。此外，当使用具有尖端的引脚时，通过以倾斜角度施加液化焊球，可避免液化焊球的飞溅。

9、根据本公开的一个方面，液化焊球的施加方向可指向通孔。优选地，施加方向指向引脚离开通孔的点。因此，适当地施加液化焊球，使得可实现环形间隙的高填充度。

10、根据本公开的一个方面，可在施加液化焊球之前向固体焊球供应能量，以便产生液化焊球。因此，施加到电路板(即，施加到环形间隙)的焊料体积是预先已知的，并且可通过相对于环形间隙的体积选择固体焊球的适当体积来实现环形间隙的高填充度。

11、根据本公开的一个方面，能量可以是激光束。优选地，激光束是近红外激光束，该近红外激光束适于提供200w至400w nir范围内的功率。优选地，供应激光束的时间在20至4000ms的范围内。因此，确保液化焊球充分液化，使得液化焊球的一部分适当地流入并填充环形间隙，以实现适当的接合。

12、根据本公开的一个方面，当液化焊球被施加，特别是被喷射到电路板上时，可供应激光束。更具体地，在焊球朝向电路板飞行期间，激光束被施加到液化焊球上。因此，可确保焊球的液化。

13、根据本公开的一个方面，激光束可被不断地或间歇地供应到固体焊球或液化焊球。因此，可确保焊球的液化。

14、根据本公开的一个方面，当液化焊球已经到达电路板上(即，到达电路板的表面上)时，激光束可被施加到液化焊球，以保持其液化。到达时间可根据施加速度和施加液化焊球的距离预先计算，或者可通过图像处理或实验来确定。因此，可确保液化焊球的部分适当地流入并填充环形间隙。

15、根据本公开的一个方面，可在供应能量的同时测量焊球的温度。优选地，当固体或液化焊球的温度超过预定阈值时，可停止能量供应，即激光束供应。优选地，当液化焊球的温度低于预定的下限温度阈值时，可开始或重新开始能量供应，即激光束。因此，可避免焊料燃烧或焊料凝固。因此，确保了液化焊球的部分适当地流入并填充环形间隙，从而可实现引脚和通孔的适当接合。

16、根据本公开的一个方面，固体焊球可具有在0.8mm至2.0mm范围内的直径。优选地，焊球的直径在通孔直径的0.8至1.4倍的范围内。因此，可提供环形间隙的高填充度。

17、根据本公开的可选方面，可在施加液化焊球之前将焊剂施加到通孔。如上所述，焊剂的施加不是明确要求的，但是可提供关于焊料、引脚和通孔的氧化的积极效果。因此，可实现引脚和通孔的适当接合。

18、根据本公开的一个方面，可在施加液化焊球之前激活焊剂。特别地，可通过将焊剂加热到60℃和130℃之间的温度来激活焊剂。优选地，可通过供应能量来激活焊剂，其中更优选地，所供应的能量是激光束。因此，可积极地影响引脚和通孔之间的接合。

19、根据本公开的一个方面，在施加液化焊球之前，可将电路板加热到60℃至90℃范围内的温度。因此，液化焊球在到达电路板的表面之后不会被强烈冷却，因此，液化焊球保持充分液化，使得该液化焊球适当地流入并填充环形间隙。因此，可实现环形间隙的高填充度。

20、根据本公开的一个方面，可在施加液化焊球之前加热引脚。优选地，可通过将激光束导向引脚来加热引脚。更优选地，具有适于引脚(即制造引脚的材料)的吸收特性的波长的光的引脚加热激光束被导向引脚。特别地，引脚加热激光束是蓝色激光束。例如，引脚加热激光束的光可具有在450nm至475nm范围内的波长，特别是450nm。这样，当液化焊球到达引脚时，可延迟液化焊球凝固，使得液化焊球的部分适当地流入并填充环形间隙。因此，可实现环形间隙的高填充度，并且因此可实现引脚与通孔的适当接合。

21、根据本公开的附加方面，可在加热期间测量引脚的温度。在引脚的温度超过预定阈值温度的情况下，停止对引脚的加热。以此方式，避免了引脚或连接到引脚的电子部件的过热。

22、根据本公开的另一方面，可预先确定用于加热引脚的持续时间。例如，可通过进行实验来预先确定持续时间。这样，可避免引脚或与引脚连接的电子部件过热。

23、根据本公开的一个方面，惰性气体可被动地或主动地施加到通孔。惰性气体可以是氮气、氩气、氦气或甲醛气体。因此，避免了焊料的氧化，从而积极地影响了引脚与通孔的焊接。

24、根据本公开的一个方面，电子部件和电路板可彼此隔开，使得在电子部件和电路板之间形成排气通道。这可通过以一定距离的方式保持电子部件和电路板或者通过在电子部件和电路板之间布置间隔物来实现。因此，存在于环形间隙内的气体，例如惰性气体或空气，可从与液化焊球被施加到电路板上的一侧相对的一侧上的通孔的开口排出。因此，液化焊球的部分可更容易地流入并填充环形间隙，以实现高填充度。

25、根据本公开的计算机程序产品包括用于执行根据本公开的方法的指令。因此，指令使计算机或控制单元执行根据本公开的方法。

26、根据本公开的计算机可读介质存储根据本公开的计算机程序产品。因此，计算机的cpu或控制单元可从计算机可读介质读取指令，以便执行根据本公开的方法的步骤。

27、一种用于将具有插入到通孔中的引脚的电子部件焊接到具有通孔的电路板的设备，该设备包括焊球施加装置，用于将液化焊球施加、特别是喷射到电路板上，使得液化焊球的一部分流入并填充引脚和通孔之间的环形间隙。在wo 02/28 588a1中公开了一种用于施加特别是喷射焊球的装置。其内容在此引入作为参考。特别地，焊球施加装置包括可相对于电路板(即环形间隙)移动的毛细管，以及用于将压力气体供应到毛细管中以便将液化焊球施加(特别是喷射)到电路板上的压力气体源。通过使用上述焊球施加装置，不需要使毛细管前进到引脚和通孔或从引脚和通孔离开，从而可提高焊接过程的速度。

28、根据本公开的一个方面，该设备可包括用于控制和驱动焊球施加装置的控制单元和驱动单元。控制单元包括cpu、存储器和输入/输出单元。存储器包括存储计算机程序产品的计算机可读介质，该计算机程序产品包括用于执行根据本公开的方法的指令。驱动单元是用于相对于电路板(即相对于环形间隙)定位焊球施加装置的毛细管的机电装置。

29、根据本公开的一个方面，毛细管可朝向开口再生，使得毛细管的内直径小于用于产生液化焊球的固体焊球的直径。因此，防止了固体焊球从毛细管中掉出。

30、根据本公开的一个方面，毛细管可相对于电路板的表面倾斜。毛细管可倾斜固定角度或可变角度，这可通过使用驱动单元来设置。因此，可容易地将液化焊球施加到电路板上。

31、根据本公开的一个方面，该设备可包括用于向固体焊球供应能量以产生液化焊球的能量供应单元。因此，当压力气体被供应到毛细管中时，固体焊球可充分液化，以便喷射出再生的毛细管。

32、根据本公开的优选方面，能量供应单元可以是激光束，即激光源。优选地，激光束是可提供200w至400w nir的近红外激光束。更优选地，激光束适于被不断地或间歇地供应。激光束的功率和持续时间由控制单元控制，并且激光束可被引导通过毛细管，使得激光束指向与毛细管相同的方向。因此，激光束可适当地施加到固体焊球上以产生液化焊球，并且还可用于保持液化焊球充分液化。由于激光束的方向与毛细管的方向相同，激光束在喷射出毛细管之后仍能到达液化焊球。因此，激光束可在从毛细管到电路板的飞行期间或在液化焊球已经到达电路板上之后施加到液化焊球。因此，可确保液化焊球的部分适当地流入环形间隙中，从而可实现高填充度。

33、根据本公开的一个方面，该设备可包括用于测量液化焊球或固体焊球的温度的温度测量单元。优选地，温度测量单元可由红外传感器构成，可选地由光学红外传感器构成。因此，可将温度从温度测量单元传递到控制单元，并且可适当地控制能量供应单元，特别是激光束，以避免液化焊球燃烧或避免液化焊球在流入并填充环形间隙之前凝固。

34、根据本公开的一个方面，该设备可包括保持单元，该保持单元用于保持电路板和电子部件，使得电子部件的引脚插入到电路板的通孔中。优选地，保持单元可分别夹持电子部件和电路板，并将电子部件的引脚插入通孔中。特别地，保持单元可适于保持电子部件和电路板，使得电子部件布置在电路板的第一侧上，并且从与第一侧相对的第二侧施加液化焊球。更优选地，保持单元适于保持电子部件和电路板，使得液化焊球向下施加。或者，保持单元可适于保持其上预组装有电子部件的电路板。

35、根据本公开的一个方面，该设备可包括体积测量单元，该体积测量单元用于测量通孔外部的凝固焊料的体积。优选地，体积测量单元由诸如3d扫描仪的三维检测装置和控制单元构成，该控制单元接收所捕获的图像并执行三维图像处理，以确定通孔外部的凝固焊料的体积。或者，可使用白光干涉仪或光场照相机作为三维检测装置。因此，通过从固体焊球的总体积中减去测得的通孔外部的凝固焊料的体积，可确定流入环形间隙的凝固焊料的体积。需要注意的是，需要从通过使用三维图像处理确定的体积中减去电路板上方的引脚的体积，以确定通孔外部的焊料的体积。由于引脚和通孔的尺寸和体积是已知的，因此可计算环形间隙的体积。然后，可通过将流入环形间隙的液化焊料的体积除以环形间隙的体积来确定环形间隙的填充度。注意，上述计算可由控制单元执行。因此，根据本公开的设备能够在不需要x射线检查或横截面检查的情况下现场检查环形间隙的填充度。因此，可减少检查焊接头质量所需的时间。

36、根据本公开的一个可选方面，该设备可包括用于将焊剂施加到引脚和通孔的焊剂施加单元。因此，可避免引脚和通孔的氧化，以实现引脚和通孔之间的适当接合。

37、根据本公开的一个优选方面，能量供应单元，特别是激光束，可用于激活焊剂，特别是通过将焊剂加热到高达60℃至130℃的温度。因此，可积极地影响焊接过程。

38、根据本公开的优选方面，该设备可包括用于加热电路板的电路板加热单元，特别是加热到60℃至90℃的温度。电路板加热单元可供应暖空气或者可以是接触电路板的温热部件。接触电路板的温热部件优选地包括在保持单元中。因此，避免了液化焊球在到达电路板的表面时被冷却。因此，确保液化焊球的部分适当地流入并填充环形间隙。

39、根据本公开的一个方面，该设备可包括用于加热引脚的引脚加热单元。引脚加热单元可以是上述激光束，用于液化固体焊球。激光束可通过毛细管指向引脚，并在毛细管中没有放置固体焊球时打开。优选地，引脚加热单元可以是引脚加热激光束，该引脚加热激光束能够发射具有适于引脚(即引脚的材料)的吸收特性的波长的光。已经发现，蓝色激光器，例如波长在450nm至475nm范围内、特别是450nm的激光器，最适于加热引脚。因此，当液化焊球到达引脚时，延迟液化焊球凝固，使得液化焊球的部分适当地流入并填充环形间隙。

40、根据本公开的附加方面，温度测量单元可适于在加热期间测量引脚的温度。引脚的温度阈值可预先确定并存储在控制单元中。控制单元可适于将温度阈值与从温度测量单元获取的温度值进行比较。在控制单元从温度测量单元接收到超过温度阈值的温度值的情况下，控制单元可通过关闭激光束或引脚加热激光束来停止引脚的加热。

41、根据本公开的另一方面，可预先确定引脚被加热的持续时间。持续时间可例如通过实验来确定。以此方式，可避免引脚或连接到引脚的电子部件的过热。

42、根据本公开的一个方面，该设备可包括惰性气体供应单元，该惰性气体供应单元用于主动或被动地向通孔和引脚供应惰性气体。根据替代性方面，该设备可放置在包括惰性气体气氛的腔室或容器中。因此，避免了液化焊料的氧化，从而对焊接工艺产生积极的影响。

43、根据本公开的一个方面，保持单元可适于保持电路板和电子部件，使得电子部件和电路板彼此隔开，从而在电子部件和电路板之间形成排气通道。因此，存在于环形间隙内的气体，即惰性气体或空气，可离开环形间隙，以便当液化焊球到达电路板与流入并填充环形间隙时，减小对液化焊球的阻力。因此，可实现环形间隙的高填充度。