波峰焊设备和方法

专利名称：波峰焊设备和方法
技术领域：
本发明概括地说涉及一种波峰焊(wave soldering)方法，其中基板如印刷电路板在低含氧气氛中与焊波(solder wave)接触。低含氧气氛是惰性气体通过焊波而形成的，它基本上不使焊料溅污基板。
在低含氧气氛中的波峰焊已表现出比在空气或其他高含氧气氛中的波峰焊更好的结果。
存在一定量的惰性气体如氮气会改进可焊性并且减少焊渣。更具体地，氮气提高了焊料渗透待焊元件和基板之间的间隙或接头的能力(即改善了毛细现象)。为了最大限度地获得引入氮气的好处，至关重要的是应使氮气存在于焊波峰上或焊波峰附近，基板和焊料在这里相接触。
如果焊波在焊接操作中经过一些振动，则也可改善焊料的毛细现象。为了避免截留气体存在接头处，需要轻微的振动运动。另一方面，过度的振动会造成焊料溅于基板上，造成焊接效果差并可能产生次品。
确保待焊的基板尽可能不含氧是可取的。在这方面，如果基板预先处理(如预热)和控制焊接所处的气氛，从而避免过量氧气地存在是有利的。
防止因熔融金属的氧化而形成焊渣也是可取的。因此，正如在1993年5月26日申请的U.S.专利申请序号NO.08/067,764中公开的那样，已提出将从(全部或一部分)预热阶段至实际的焊接阶段的整个焊接操作放于防护罩中。
在焊波附近形成焊渣的三个主要区域是焊波的顶部或焊波峰，焊波从波峰开始下降之处，以及焊料罐(solder pot)的罐壁附近。
已有尝试在保护性气氛(一般定义为氧含量低于10％体积)中进行波峰焊。降低焊接操作附近的氧含量可能减少焊渣的产生。传统上，保护性气氛的形成是先将波峰区域封闭在保护性防护罩内，再将惰性气体如氮气充入保护性防护罩的空间。
将氮气连续地供入焊接防护罩的整个空间会大大增加波峰焊的成本。最近，有人尝试提供一种位于待焊的基板和焊波之间的连接处的一片区域化的(局部的)惰性气体覆盖层，用来产生切实可行的保护性气氛，从而减少氮气的用量。在U.S.专利NO.5,203,489中，John H.Gileta等人公开了一种至少部分覆盖焊料槽的盖子或护罩。在焊料槽中的焊料表面上方以及焊波侧面，都至少安装一个注入惰性气体的喷嘴。护罩迫使注入的氮气沿着焊波表面流至焊波与待焊的基板发生接触的地方。
尽管这种系统能有效地减少焊波下降处的焊渣，但是，在焊波峰及焊料罐的罐壁附近并没有得到最佳的针对焊渣的保护效果。
提供一种产生区域化的低含氧气氛的方法和设备是合乎需要的，该设备可调控气氛并且可减少使用的惰性气体量。此外，提供一种波峰焊方法，其中在所有形成焊渣的主要区域，包括那些焊波附近的焊渣都被有效地减少，也是合乎需要的。
本发明广义上涉及一种在基板(例如印刷电路板)与焊波接触处形成区域化的低含氧气氛的方法和设备。运输惰性气体通过焊料，从而形成区域化气氛。本发明的方法和设备能最大限度地减少在焊波附近主要焊渣形成区域处内焊渣的形成，从而能有效地最大限度地提高应用惰性气体的效率。
在本发明的优选方面，可在包括一个或多个基板预处理阶段在内的所有波峰焊过程中产生区域化的低含氧气氛。更具体地，基板在低含氧气氛中被用(助)焊剂处理(fluxed)，处理过的基板至少部分在非低含氧气氛中进行预热处理，接着预热过的基板与焊波在通入惰性的焊波而得到的低氧气氛中进行接触。
因此，要发明方法包括(a)形成至少一个焊波；(b)产生一种通过焊波的有效量惰性气体流，使得至少在焊波上方紧邻处形成低含氧气氛，同时基本上不将焊料溅至待焊的基板上；和(c)通入基板，与焊波在该低含氧气氛中接触。
本发明的方法和设备提供了位于焊接发生处的区域化的低含氧气氛，还提供了焊波附近的气氛的更大的可控性。从而提高了波峰焊法的效率。此外，氧气体积被降至可忽略不计的程度从而在所有主要的形成焊渣的区域减少了焊渣的形成。
本发明基于下述发现可以通过焊波本身输送惰性气体，从而在焊波附近提供低含氧气氛。在本发明的优选形式下，惰性气体以气泡形式产生，气泡通过焊波向上流动，从而在含焊波的焊料面的上方区域形成一片惰性气体。控制气泡的大小和力量，从而基本上不会使焊料溅于基板上，并且控制低含氧气氛的适合度及含量。
基板也可以任选地通过在低含氧气氛中用(助)焊剂处理，然后在至少部分非低含氧气氛(如空气)中预加热而得以预处理。
下列附图用于阐明本发明，不起限制本发明的作用。本发明由作为本申请组成之一的权利要求书限定范围。其中同样的编号指同样的部件。


图1是本发明的一个例子的横截面的前视图，该例子中采用能在焊料槽中产生惰性气体泡的喷射器，从而在紧靠焊波上方处形成区域化的低含氧气氛；图2显示了与图1相似的本发明的一个例子，其中用于产生惰性气体泡的喷射器位于靠近焊波表面处；
图3显示了与图1相似的本发明的一个例子，其中喷射器的位置朝向焊波前方安装；图4是可在本发明中用作喷射器，用于在焊料槽中产生惰性气体泡进而形成区域化的低含氧气氛的多孔管的侧视图；图5是另一种多孔管的侧视图，它具有特别适合当焊料在焊料罐中向上流动时使焊料平滑地通过多孔管的表面；图6是与图1类似的焊接设备的横截面的侧视图，图中显示了焊料槽中增加的用于在焊波槽上方提供区域化的低含氧气氛的喷射器；图7是另一个与图1类似的本发明的例子，显示了作为在焊波上形成区域化的低含氧气氛的辅助装置的焊料防护罩；图8是根据本发明的波峰焊操作的优选例子的示意图，显示了基板的预处理，以及随后在焊波上方形成区域化的低含氧气氛。
本发明涉及一种波峰焊方法和设备，其中至少形成一个焊波，并且在焊波上方提供区域化的低含氧气氛。低含氧气氛至少部分是由位于焊波中的至少一个喷射器提供的，喷射器产生惰性气体气泡，气泡通过焊波直接形成低含氧气氛。在本发明的优选形式中，基板通过在低含氧气氛中经焊剂处理而预处理，然后至少部分在非低含氧气氛中预加热。
本发明涉及基板如印刷电路板的波峰焊。参见附图，首先见图1。其中显示了一个波峰焊设备2，它包括至少部分填充有焊料从而形成焊料槽6的焊料罐4。装有用于形成至少一个焊波10的器具8，焊波10与待焊的基板(未标出)按传统方式接触。正如图中所示，只标出了一个焊波。但是，应理解，可以使用多个焊波，而且用于产生多个焊波的系统对波峰焊领域的一般技术人员而言是熟悉的。
例如，设备8可以是安装在焊料槽6中的传统的泵或振动器。泵8将压力能传递给焊料，使通道12中的焊料上升，形成焊波10。
根据本发明，在焊波10上方提供一薄层或薄膜的低含氧气氛14。正如本文所用，术语“低含氧气氛”应指氧含量小于约10％(体积)的气氛，氧含量小于0.1％(体积)更好，小于100ppm氧含量最好。本发明的最佳例子是紧贴焊波10上方的氧含量小于10ppm。
该薄层或薄膜14的低含氧气氛是通过将惰性气体从某来源(未标出)处运输至位于焊波中的喷射器16而形成的。喷射器16产生惰性气体气泡18，气泡18在焊料槽6中上升，冲破焊波10的表面。当气泡18从焊波10的表面处逃逸时，它们便形成一低含氧气氛的薄膜14。
本发明中可采用的惰性气体可选自氮气，氦，氩，二氧化碳，其混合物等。惰性气体可随意地含有少量(典型地，小于约4％(体积))的活泼气体(如氢)。虽然，任一种惰性气体都能用于本发明，优先使用氮气。
惰性气体气泡18是受控的，从而能形成低含氧气氛14，又不会在焊波10表面产生湍动造成可觉察的焊料的溅出。
若气泡太大和/或气泡冲破焊波表面的力量(即冲破力)太大，则会使焊料溅污基板。例如，Katsuhiko Tsuchikura在U.S.专利NO.4,375,271(该文献在此引用作为参考)中将喷射器置于焊料罐底部远离焊波表面的地方。用这种喷射装置形成的气泡大而且具有足够的力量，从而一定会使焊料溅污基板。在NO.4,375,271专利中产生的气泡来自于安装在远离基板处的喷嘴部件。当气泡到达焊波表面的时候，其大小和力量都足以使焊料溅出，因而不符合本发明的要求。
使气泡离开焊波表面的力量主要取决于气泡从喷射器运行到表面所经过的距离。通常，当从喷射器至表面的距离增大时，气泡冲破焊波表面时的“爆破力”也将增大。因为当气泡升至表面，焊料施加于气泡上的压力会下降，结果气泡膨胀。运行距离越长，气泡膨胀的时间便越长。根据本发明，在焊波表面处气泡施加的力量不足以造成可觉察的焊料溅污基板现象。
如果气泡中的气体因受热而膨胀，则气泡的大小也会变大。为了避免或限制这种方式的气泡尺寸的增大，可以在通过喷射器16喷射之前，预加热用于形成气泡的气体。可以在通入喷射器16之前，用通常的方式，将来自某来源的惰性气体通过预热装置(未标出)而实现惰性气体的预加热。预热装置可以是含有传统的加热线圈的管道。
为了确保溅污现象的消除或者最低限度地减少，可以给焊料罐配备一个任选的线网筛19，其位置使其不干扰基板但很靠近焊波表面，从而能减少上升气泡冲破焊料表面时的速度和/或力量。
因此，如图1所示，喷射器16的位置很靠近焊波表面，从而产生的惰性气体在冲破表面时不具有足够的力量，从而基本上不会溅出焊料。
根据本发明，喷射器16和焊波10之间的距离(即惰性气体气泡的运行距离)可以随焊料槽的深度而变化。通常，将喷射器16安置于焊罐4的底部和焊波10表面之间的至少一半距离处是符合要求的，最好是刚位于焊波10的表面下方。正如图2所示，在本发明的优选形式中，喷射器16的位置靠近焊波10的表面。结果，惰性气体泡18具有相对短的运行到焊波表面10的距离，因此当气泡冲破焊波表面10时通常其爆破力较小。
因此，喷射器16的位置控制了惰性气体气泡18冲破焊波表面10时的力量。喷射器16可以位于通道12的任何地方，只要焊接设备在运行时它浸没于焊料槽6中。如图2所示，喷射器16越靠近焊波表面10，气泡的爆破力越小。
在本发明的另一例子中，可以将喷射器16移向焊波的前端，以便提高惰性气体在基板接触处的浓度。在该例子中，在冲破焊波表面10之后，更多的惰性气体将沿焊波向上流动至焊波顶峰处基板的接触点。参见图3。喷射器16被移向通道口的前侧20。因此，更多的惰性气体被供给焊波10的前侧20。当与基板的接触通常发生时，在该区域的惰性气体会移向焊波的顶峰24。
如前所述，焊接操作可以采用多个焊波。这种情况下，优选通过各个焊波提供惰性气体气泡，特别优选的是与后方焊波相比，使更大量的惰性气体通过前方焊波(即与基板接触的第一个焊波)。在前方焊波中使用更多的惰性气体是为了去除任何可能被裹入基板的气体，从而当基板经过焊接操作时，使得焊料的施涂更均匀。
喷射器16可以是任何装置，只要能接受来自某来源的惰性气体并能在焊波中产生气泡。参见图4和5，显示了喷射器16的两个典型例子，都由多孔管26组成，在其上表面有许多开口28以便在焊波中产生气泡。开口28具有足够大小(即管具有足够的孔隙度)从而使惰性气体如氮气能通过并形成气泡。开口28可以大小一致，也可以大小不同，取决于喷射器16安装时距焊波表面10的距离。
管26中开口28的间隔距离也可以变化。无论如何，设置足够数目的间隔开的开口从而可以释放足量惰性气体，进而形成所需的低含氧气氛是可取的。
图5显示了多孔管26的一个例子，在上面已与图4一起描述过。朝着焊料流动的反方向它具有曲线型的底部30(管26是管形式)。这种喷射器16特别适合减少焊料沿底部30通过到达焊波10时产生的摩擦。曲线型底部30减少了焊料的拖挂，因此是多孔管26的优选结构。
本发明还包括使用浸于在焊料槽中的多个喷射器。额外的喷射器可以装于焊料槽中的关键地方，可以装于通道12的内部或外部，从而补充惰性气体流，形成区域化的低含氧气氛。参见图6，显示了分别采用两个额外喷射器32和34的这样的实例。喷射器32刚好置于焊料槽的表面下和通道12外部，使释放的惰性气体会沿焊波10的表面流至基板发生接触的波峰24处。
喷射器34的安装方式使得惰性气体会向上流至焊波10的后侧36，从而在顶峰24的正后方焊波10与基板脱开处辅助提供区域化的低含氧气氛。在该例子中，提供了额外的保护，防止在焊波与基板接触处以及焊波与基板脱离处焊渣的形成。
本发明使之有可能不用防护罩而提供区域化的低含氧气氛。但是，应理解，可以采用本发明反过来适应那些已有防护罩装置的现有的波峰焊装置。参见图7，在焊波上方按传统方式装有防护罩。本发明的喷射器16的位置和功能保持不变。增加防护罩，虽然增加了波峰焊设备和工艺的总成本，但是也会起减少氧气在焊波与基板接触处的存在的作用。如前所述，可应用本发明来适应在焊料罐上具有防护罩的现有波峰焊装置。防护罩通常配有额外的喷射器(见图8)，从而能将惰性气体按常规方式注入到焊波上方的区域。
本发明的波峰焊方法和设备还包括在焊接操作之前基板的预处理。具体地，基板可以在与焊波接触之前先经(助)焊剂处理并预热。在本发明的优选形式中，在进入焊接操作之前，可以按1993年5月26日申请的U.S.专利申请序号NO.08/067,764(该文献在此引用)所述的方法进行(助)焊剂处理和预热操作。本发明的该方面的例子显示于图8。
参见图8，显示了本发明的一个例子，其中(助)焊剂处理在低含氧气氛中进行，预热至少部分在非低含氧气氛(如空气)中进行。随后，预热的基板与焊波接触，如图1—7所述。
更具体地，峰焊体系包括(助)焊剂处理阶段40，预热阶段42和焊接阶段44。基板46，如印刷电路板，进入(助)焊剂处理阶段40，此处将(助)焊剂48施涂于印刷电路板46的底部以提高可湿性和可焊性。助焊剂处理可以用已知方法如喷涂或发泡进行。可以使用不必清洗的助焊剂，如含有松香(松香酸)，盐酸二甲胺和醇的混合物助焊剂。也可以使用低残基的不必清洗的助焊剂，如那些含有一种或多种弱有机酸如己二酸，琥珀酸和马来酸溶于醇或水的稀释液。
喷涂法助焊剂处理典型地涉及一个在液态助焊剂中旋转的鼓。空气被吹入鼓中，在印刷电路板方向产生助焊剂的喷溅流。发泡法助剂处理是通过浸过于助焊剂中的通气器的孔导入低压的空气而进行的。产生的细气泡通过喷嘴被送到板的表面。这些以及其他助焊剂处理方法的更详细的阐述可以参见R.J.Klein Wassink的“Solder-ing in Electronics”，第二版，9.2章节，第483—489页(1989)。该书在此引用作为参考。
助焊剂处理过的板接着沿运输带50运至预热阶段42，该阶段具有一个在非低含氧气氛中开始预热的第一工序52，和一个在低含氧气氛中完成预热的第二工序54。预热的电路板46接着沿同一的运输带50被输送至焊接阶段44。此处与焊波10按如上结合图1—7进行叙述的方式进行接触。如图8所示，焊接操作包括位于焊波10下的喷射器16和一个具有多个喷射器56附加防护罩38以便为区域化的低含氧气氛提供额外的惰性气体。
助焊剂处理阶段40可以在低含氧气氛中进行。如图8所示，可以在密闭的环境中如由一个防护罩58提供该气氛。防护罩56包括入口60和出口62，以便将电路板46运入和运出与助焊剂48的接触。
一旦助焊剂被施涂于电路板46上，便去除多余的助焊剂。这可以用许多方法完成，典型方法是使用气刀64。接着上述助焊剂和电路板46被送至预热阶段42。
根据本发明的目前的例子，预热在二个工序中进行。第一工序52在非低含氧气氛(如空气)中开始预热。第二工序54配有低含氧气氛。
在第一预热工序52中，预热阶段42配有第一加热器66。第一预加热器66发出约460℃至约485℃的热度。该热度被电路板直接吸收(即辐射热)直至电路板46达到温度约65℃至约125℃。在第一预热工序中电路板46的加热可以完全在空气中，或者部分空气和部分低含氧气氛中进行。
在焊料防护罩38的延伸段68中存在低含氧气氛。延伸段68提供足量的不含氧气的气体(如氮气)，使得延伸段68中的环境是低含氧气氛。延伸段68配有被帘72遮挡的入口70。帘提供一种不完全的物理阻碍物，防止空气进入第二预热工序54。帘72可以是条带形式，用布、橡胶或合适的塑料如聚乙烯制成。
在焊料防护罩38中至少装一个气体喷射器56(图中标示3个)。喷射器56将足量的惰性气体(如氮气)送入，填满焊料防护罩并扩散入延伸段68。
然后，初预热的电路板46被送入预热阶段42的第二预热工序54。在该工序中由第二预热器74完成预热。它在与第一预热器66同样的温度(460—485℃)下工作，将电路板46的温度升至约200℃。第二预热工序54完全在延伸段68的低含氧气氛中进行。因此，电路板46的预热在这样的条件下进行在基本消除与完全在非低含氧气氛如空气中进行预热有关的问题的同时，降低了预热操作的成本。
接着，预热的电路板46通过入口76进入焊接阶段，并如前所述进行焊接，焊接完成后，电路板46通过出口78送出。在波峰焊操作的这个阶段，电路板46在焊料防护罩38的第二延伸段80中开始冷却。在第二延伸段80的出口84处装有与帘72相似的帘82。因此，利用惰性气体喷入到由焊料防护罩38所形成的封闭空间，替第二延伸段80提供了低含氧气氛。实施例1采用通常如图3所示类型的波峰焊装置，将图4或5中所示类型的多孔管装于焊波表面下方约3/8英寸，距通道对应侧3/16英寸，距通道另一侧3/8英寸处。多孔管的直径为3/8英寸并且具有多个间隔开的孔隙度为10微米的开口。将具有约1/16网孔的筛置于焊波下方约1/8英寸至1/4英寸之间。
将来自液氮源的氮气以50立方英尺/小时速率通过多孔管，在紧贴焊波10上方处产生低含氧气氛。将印刷电路板从焊波上方通过。发现焊接出色，而且在焊渣形成的主要区域未发现超过最低限度的焊渣。
权利要求
1.一种波峰焊方法，包括形成至少一个焊波和运送待焊的基板与焊波进行接触，该方法的特征在于，产生通过焊波的有效量惰性气体的气流，使得至少在紧靠焊波上方的区域形成低含氧气氛，同时基本上不会将焊料溅于待焊的基板上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，焊波是在一个从装有焊料的焊料罐底部延伸出的通道中产生的，该方法包括通过至少一个喷射装置产生气泡形式的惰性气体流，其中至少一个所述的喷射装置装于通道中，且距焊波的距离小于距焊料罐底部的距离。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括预热惰性气体，以及用喷射装置产生预热的惰性气体流。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，还包括在由惰性气体形成气泡处至基板处之间安置一个筛以降低气泡的速度或冲破力。
5.如权利要求2，3或4所述的方法，其特征在于，还包括将第一喷射装置的位置偏置于通道的一侧。
6.如权利要求1—5所述的方法，其特征在于，还包括在防护罩下进行焊接过程，以及将惰性气体供入防护罩和焊波之间的空间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在低含氧气氛中用助焊剂处理基板，和至少部分在非低含氧气氛中预加热已用助焊剂处理过的基板。
8.一种波峰焊设备，它包括一用于形成至少一个焊波的装置，和运送基板与焊波在低含氧气氛中接触的装置，该设备的特征在于，包括至少一个喷射装置，它用于产生通过焊波的惰性气体流，使得在紧靠焊波上方的区域形成低含氧气氛，同时基本上不会将焊料溅于待焊的基板上。
9.如权利要求8所述的波峰焊设备，其特征在于，还包括在喷射装置产生惰性气体流之前的用于加热惰性气体的装置。
10.如权利要求8或9所述的波峰焊设备，其特征在于，焊波是在一个从装有焊料的罐底部延伸出的通道中产生的，该设备包括至少一个喷射装置，其中至少一个所述的喷射装置被装于通道中且距焊波的距离比距焊料罐底部的距离近，而且包括可有可无的位于喷射装置和基板之间的筛以降低来自喷射装置的惰性气体的速度或冲破力。
全文摘要
公开了一种波峰焊方法和设备，其中在焊波与待焊的基板发生接触处，将惰性气体气泡化并使之通过焊波而提供区域化的低含氧气氛。
文档编号B23K3/06GK1115560SQ95105638
公开日1996年1月24日 申请日期1995年5月30日 优先权日1994年5月31日
发明者H·S·纳亚尔, S·M·亚当斯, N·萨克塞纳, B·A·瓦西斯库 申请人:波克股份有限公司