专利名称：气刀冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及回流焊接，更具体来说，涉及在焊接之后立即冷却被焊接的产品。
印刷电路板在焊接之后被冷却，以便将被焊接的物品的温度降至焊料熔化温度以下。在回流焊接中，被焊接物品首先被覆盖含有助焊剂的焊膏，然后在至少一个加热区中加热，使焊料熔化并使助焊剂液化，从而使焊料可流动并覆盖焊缝或被焊的区域。在加热之后，被焊接物品被送入一冷却部分，在那里焊料被冷却至熔化温度以下，从而使焊料在电路板组件上硬化。在大多数情形中，在焊料上也有一些在较冷的部分中形成的液态或固态的助焊剂。
回流焊接设备的一个实例公开在授予Deambrosio的美国专利第5,125,556号中，冷却组件的一个实例公开在授于Parent等人的美国专利第4,912,857号中。这种冷却组件基本是一个单独的部分，内有通过风扇或鼓风机通过热交换器的移动的环境气体。环境气体的再循环在热交换器中及在流动致动器中会引起与助焊剂沉积有关的问题。这些沉积可引起热交换器和流动致动器的堵塞，一定时间后可使冷却性能变劣。这样就使保养和停机时间增加。
已有人提出过多种在冷却部分中减少助焊剂沉积的方法。一种补救措施是采用过滤系统，其中，在回流加热区中的气体在进入冷却区前要经过一种过滤介质。这种技术并非总是有效，因为在蒸气相对助焊剂成难于滤出。因此，过滤系统可以减慢助焊剂沉积的积蓄，但是并未解决这个问题。
另一提出的技术方案是采用为整个回流设备而设的清结循环。在这种系统中，加热区和冷却区被加热至一个温度，使炉中的助焊剂沉积蒸发。但是，这种方法具有若干问题，其一是由于加热区的大的热质量，因而需要高的加热能量，这既成本高昂又很费时间。有一种三步法，即，加热、烘烤和冷却整个设备。这就要求关闭回流设备。另一个问题在于，再循环的冷却剂必须完全从冷却区中使用的热交换器换出，否则在提高的清洁温度下会因高压而发生破裂。这是需关注的要点，因为排出系统的故障可能导致人身伤害。
在大多数回流焊接设备冷却部分中，环境气体的高度循环经过热交换器以冷却气体。然后将被焊接的物品送过冷却后的气体。在这种冷却系统中最常用的两种气体是空气和氮气。氮气形成惰性的工艺环境，在氮气氛中可得到光洁得多的焊缝，这是由于氧化不会发生在焊料表面的缘故。
本发明的目的是提供一种用于回流焊接中的冷却系统，它可以减少助焊剂在冷却部分中的热交换器和气流致动器上的沉积。这个目的是通过下述方式实现的提供至少一个专门指向送过冷却部分的被焊接物品的气流，从而减少了用于冷却使焊料硬化的气体流量，这是由于气流是专门指向被焊接的物品的。气流是在气刀中产生的，清洁循环是为下述目的提供的；即，为了将气刀加热至助焊剂蒸发以上的温度，以便将气刀上的助焊剂沉积除去。
这里使用的术语“气刀”是指任何可提供适当气流的装置，或冷却物体的冲击流冷却系统。气刀应看作一种气流致动器，如用来提供冲击气流的槽缝喷嘴、圆喷嘴或喷嘴阵列。
本发明提供了一种用于回流焊接设备的气刀冷却系统，该设备具有一加热部分和跟随其后的冷却部分，一个承载被焊接产品的输送器通过所述设备，所述气刀冷却系统包括至少一个在冷却部分中的气刀，其定位使一气流指向在输送器上的被焊接产品，以便冷却该产品，并且包括与所述气刀有关的加热器，该加热器在预定的清洁循环启动，以便将气刀加热至高于助焊剂沉积从被焊接产品蒸发的温度的一个温度。
本发明也提供一种冷却在输送器上从回流焊接设备的加热部分送往冷却部分的被焊接产品的方法，它包括以下步骤将至少一个气流指向在冷却部分中的被焊接产品，以便冷却该产品；不时地提供清洁循环，在该循环中，气体被加热至高于助焊剂沉积从被焊接产品蒸发温度的一个温度。
在以下附图中表示
具体实施例方式
图1的侧视图示意地表示按照本发明的回流焊接设备的冷却部分的一个实施例，图2的立体图表示按照本发明一实施例的气刀，图3的框图表示用于操纵按照本发明的气刀冷却系统的控制系统。
图1中表示按照一个实施例的回流焊接设备10，其中，被焊接的印刷电路板组件12或其它物品在输送器14上经过加热部分16被送至冷却部分18。在加热部分16中画出红外加热器20，但是，在回流焊接设备中并不限于这种加热器，可以使用加热气体强制对流系统或其它任何适当的加热系统来加热在输送器14上送过加热部分16的物品12。
在冷却部分18中，一热交换器22安装在多个上部气刀24上方，这些气刀将气流吹向在输送器14上经过的被焊接物品12的顶部。如图所示，一个下部气刀25位于输送器14下面，使气流指向被焊接物品的下侧面。热交换器22冷却并稳定冷却部分18中的环境气温。当有重型产品负荷通过冷却部分18时需要上述稳定作用。在冷却部分18中，被焊接的物品12被冷却，放出的热量被散逸。一个单独的冷却系统将一循环冷却剂通过入口26送入热交换器22并通出口28送出，冷却剂可以为空气或其它气体、水或水/乙二醇混合物或其它冷却剂混合物。在其它类型的回流焊接装置中，热交换器可以利用带有散热片或电子冷却或其它适当冷却装置的对流式冷却。热交换器22可设置在下部气刀25下面，在输送器14之下或在整个冷却部分之外。热交换器冷却系统是与来自气刀24，25的气流完全分离的。在某些应用场合无需热交换器22。
由于气刀24，25所产生的是有方向的气流而不是利用鼓风机的更一般性的气体循环，因而冷凝或助焊剂沉积引起的热交换器22的堵塞问题不会发生，因为工艺气体并不通过热交换器循环。
送往气刀24，25的气流来自单独的气源，一般并不再次循环。压缩气源可以是空气压缩机、压缩气瓶、氮气罐或其它适当的气源。气体是大致在室温或稍低的温度下提供的，因而在通过送往气刀24，25的进气管线30之前并未被冷却。
如图2所示，气刀24具有一个电加热器32，其位于气刀24的背面以加热气刀24。流过气刀24的气体也有一些加热作用。清洁循环的气刀24，25的温度必须高于助焊剂的蒸发温度，因而使助焊剂沉积蒸发，这就防止了在气刀24，25上的助焊剂的蓄积。清洁循环在一足够的时间内发生以便蒸发掉助焊剂残余，从而使冷却部分的保养比现有类型的回流焊接装置的冷却部分简单得多，在现有的回流焊接装置的冷却部分中必须要有广泛的加热循环才可除去助焊剂沉积。
蒸发的助焊剂沉积一般从焊接设备10每端的排气中排出。由于送向气刀24，25的气体来自单独的气源，因而存在连续的气流排出冷却部分18。这种连续的气流部分地排出了助焊剂蒸气，使其可借助焊接设备10端部的排气从系统中清除。一些助焊剂蒸气可能凝结在焊接设备的壁上，一些助焊剂也可能再冷凝结在气刀24，25上。但是，由于气刀24，25的面积相对于设备的总表面积来说是小的，因而只存在少许的助焊剂沉积的蓄积。
气刀24，25的数量和位置是由需要的热传递量决定的。气刀通过图3所示的流量控制器输送气体。至少一个气刀具有一个热电偶33，在图3中称其为温度传感器。热电偶33对加热器提供闭环控制。
虽然图中有两个上部气刀24和一个下部气刀25，但是在某些类型的回流焊接设备中只需要一个气刀，其最好将气流指向被焊接产品的顶面。
热交换器的目的是在冷却部分中保持需要的温度。在工作中来自外部气源的冷气体从气刀24，25指向被焊接物品12。与一般的传统冷却部分相比，通过气刀的气流量有所减少。
图3表示一个控制器装置，其用于控制正常工艺冷却及清洁循环的气流量。对于正常的工艺冷却来说，气体供应流过打开的第一阀34、一减压阀36，然后通过管线30进入气刀24，25。提供第二气体供应的第二阀38在正常冷却中是闭合的。在清洁循环中，第一阀34闭合，第二阀38打开，压缩气体供应流过第二减压阀40，该阀使清洁循环的气体流量与正常工艺冷却流量相比有所减少。当清洁循环开始时，控制器42也启动在气刀24，25中的加热器32，加热器32的温度由热电偶33控制。加热器32在高于助焊剂蒸发温度下加热气刀24，25，从而使气刀上的助焊剂沉积蒸发。
每个气刀的气体流量在输入压力30至120psi(207KPa-827KPa)下，最好在100至250CFH(英尺3/小时)(2.83m3/小时至70.8m3/小时)。氮气是推荐使用的气体，不过也可以使用其它适用的气体。在某些情况中空气可在冷却部分中循环。工艺流量是以需要的热交换量为基础调节的，即，冷却速率是由气体流量和气体温度控制的。清洁循环是间隔进行的，该间隔适于防止助焊剂在气刀上的积蓄。当该循环进行时，气体流量切换至低流量的情形，气刀上的加热器接通。因此，气刀温度上升，并保持在高于助焊剂残留的蒸发温度的预定水平上。清洁循环进行足够的时间以清除助焊剂残留，然后，电子控制器关断加热器并将流量切换至用于冷却的工艺高流量状态。
通过实验证明气刀的热学性能相当于或优于现有冷却装置的热学性能。尺寸为5″×7″(12.7×17.8cm)的低复杂度印刷电路板的平均液相线时间为44.25秒，与标准冷却组件有3℃的Δt。使用本发明的气刀组件，液相线时间减少至5℃的Δt时平均为37.0秒。标准冷却组件的平均液相线时间为83.2秒，Δt为47℃，而本发明的气刀组件的平均液相线时间为80.8秒，Δt为32℃。
为了检测冲击在焊缝上的气刀的高速气流的效果，进行了实验。检测是使用两个气刀组件进行的，其输入压力为44和80psi(303和552KPa)，流量为250和660CFH(7和17m3/小时)。为了对照，不使用气刀也对电路板进行了焊接。估计的响应是焊接桥(solder bridges)数和被移动的零件数。
数据的统计分析并未表明在零件运动和气刀之间的任何相互关系。
在气刀组件中，气流并不穿过热交换器而循环，因此，在热交换器中基本不出现助焊剂沉积。气刀24，25基本提供了在冷却部分中的最冷表面，因而助焊剂沉积是在其上形成的。
对上述实施例可作各种变化而并不超出权利要求书限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于回流焊接设备的气刀冷却系统，该设备具有一加热部分和跟随其后的冷却部分，一个承载被焊接产品的输送器通过所述设备，所述气刀冷却系统包括至少一个在冷却部分中的气刀，其定位使一气流指向在输送器上的被焊接产品，以便冷却该产品，并且包括与所述气刀有关的加热器，该加热器在预定的清洁循环启动，以便将气刀加热至高于助焊剂沉积从被焊接产品的蒸发的温度的一个温度。
2.根据权利要求1所述的气刀冷却系统，其特征在于至少一个气刀设置在输送器上方，将气流指向被焊接产品的顶部，至少一个气刀设置在输送器下面，将气流指向被焊接产品的下侧面。
3.根据权利要求1所述的气刀冷却系统，其特征在于所述加热器安装在气刀上。
4.根据权利要求3所述的气刀冷却系统，其特征在于包括一个在气刀上的温度传感器，并包括一个将气刀温度控制在预定水平上的控制系统。
5.根据权利要求1所述的气刀冷却系统，其特征在于来自气刀的气流，其正常工艺流量高于清洁循环的流量。
6.根据权利要求5所述的气刀冷却系统，其特征在于包括用于正常工艺流量和用于清洁循环的分开的流量控制阀。
7.根据权利要求1所述的气刀冷却系统，其特征在于气流是氮气。
8.根据权利要求1所述的气刀冷却系统，其特征在于气流是空气。
9.根据权利要求1所述的气刀冷却系统，其特征在于邻近于气刀设有一热交换器，以便在冷却部分中稳定工艺温度。
10.一种冷却在输送器上从回流焊接设备的加热部分送往冷却部分的被焊接产品的方法，它包括以下步骤将至少一个气流指向在冷却部分中的被焊接产品，以便冷却该产品；不时地提供清洁循环，在该循环中，气体被加热至高于助焊剂沉积从被焊接产品蒸发温度的一个温度。
11.根据权利要求10所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于气流是从气刀射向在输送器上经过的被焊接产品的，气刀被加热至高于助焊剂沉积从被焊接产品蒸发温度的温度。
12.根据权利要求10所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于至少提供两个气流，一个气流来自设在输送器上方，将气体指向被焊接产品顶部的气刀，一个气流来自位于输送器下方，将气体指向被焊接产品下侧面的气刀。
13.根据权利要求12所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于加热器设置在气刀上，以便将气刀加热至高于助焊剂蒸发温度。
14.根据权利要求13所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于设置一温度传感器和一温度控制器，以便将气刀温度控制在预定的水平上。
15.根据权利要求10所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于正常工艺流的气流量高于用于清洁循环的气流量。
16.根据权利要求10所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于气体是氮气。
17.根据权利要求10所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于气体是空气。
18.根据权利要求10所述的冷却被焊接产品的方法，其特征在于包括一个热交换器，以便在冷却部分中稳定工艺温度。
全文摘要
回流焊接的气刀冷却系统直接将气流射向产品,从而冷却被焊接的产品(12),因此使用较少的冷却气体。加热器(32)与冷却系统相配合以清除助焊剂沉积。冷却系统安装在回流(焊接)设备的冷却部分(18)中,包括至少一个将气流指向在输送器(14)上送过冷却部分(18)的被焊接产品(12)。加热器(32)与气刀(24,25)相配合,在预定的清洁循环被启动,以便将气刀(24,25)加热至高于助焊剂沉积从被焊接产品(12)蒸发温度的一个温度。
文档编号B23K1/008GK1188438SQ96194978
公开日1998年7月22日 申请日期1996年5月15日 优先权日1995年6月23日
发明者乔尔·B·贝利, 萨比·阿夫拉曼斯库, 塔德·福曼拉 申请人:伊莱克特维特美国公司