專利名稱：層流井的制作方法
技術領域：
0001下文涉及焊接，且特別應用于通孔安裝(Pin-Through-Hole, PTH)返
修過程中所使用的焊料噴泉流井。
背景技術：
0002很多電子元件，比如連接器，具有一系列插腳用于通過設置在印刷電 路板(Printed Circuit Board, PCB )上的通孔安裝孔壁(PTH Barrel)將這種元 件連接到該PCB上。PTH孔壁大體呈"工字4侖"形狀，其包括具有中孔的環形 套筒及安裝至該套筒的上環部和下環部，該套筒上的中孔貫通該PCB的厚度， 該上環部和下環部覆蓋于該PCB上鄰近該套筒的上表面和下表面的一部分之 上。 一個PTH孔壁的環部和套筒之間的接觸面通常被稱為孔壁嫩Barrel Knee )。 這些PTH孔壁通常由銅制成。
0003為安裝元件至該PCB,如業界已知，該元件的各個插腳分別與PTH 孔壁對齊，這些插腳被放入對應的孔壁的中孔中，然后這些插腳被焊接至孔壁。 為了減少焊接插腳的時間，可使用波峰焊機實現初步固定該元件至該PCB上。 然而，通常這些焊點中的某些需要返修，進行返修處理。返修焊點可利用焊料 噴泉(Solder Fountain)來完成。
0004
一個焊料噴泉包括含有一些熔化焊料的焊料爐和將這些熔化的焊料通 過流井抽吸上來的泵，該流井提供用于返修該PTH孔壁焊點的液態焊料峰。未 使用的焊料利用溢出機構再循環至焊料爐。該泵通常是可調的，從而可控制焊 料的流速。為了讓焊料峰中的焊料達到某一特定溫度，熔化的焊料的溫度也可控制。0005如業界已知，焊料是一種可熔合金，通常由錫和鉛制成，焊料被熔化 以連接金屬性表面。 一般而言，使用鉛已愈發不受歡迎，從而引起對無鉛焊料 的大量關注。這種無鉛焊料包含錫、銅、銀，有些含有鈕、銦、鋅，或者其它 不同含量的金屬。傳統焊料的這種無鉛替換物具有更高的熔點，且通常導致需 要重新設計電子組件(比如PCB)中的某些元件和材料。根據工作和生產環境 的不同，無鉛焊料的焊點可能產生機械性較弱的焊點，使用這種焊料可能導致 可靠性降低。
0006PTH返修實踐中特別關注的是銅(Cu)熔解。Cu熔解通常發生在返 修過程中PTH孔壁的Cu環部與熔化的焊料合金發生接觸的時候。Cu熔解導致 孔壁的破壞，從而該環部可能從該套筒上脫離或在某些情況下被完全熔解。不 僅在無鉛焊料合金中普遍出現Cu熔解，在共熔含鉛焊料合金中也會出現這種 現象，不過通常程度比較輕微。合金成分和無鉛焊料的對應的更高熔點的共同 改變需要熔化的焊料保持較高的操作溫度，因此通常加速Cu熔解的速度和程 度。孔壁膝通常最容易發生Cu熔解。結果，無鉛焊料可接受的接觸時間大體 上比含鉛焊料低很多。例如，研究表明盡管在很多情況下暴露在含鉛焊料下的 銅孔壁膝在該孔壁膝完全熔解之前能夠承受大約60-90秒的接觸時間，然而同 一測試儀的測試結果表明使用SAC405無鉛合金的銅孔壁膝只能承受大約30秒 的接觸時間。
0007因此，下文的一個目的為消除或減輕上述不足之處。
發明內容
0008據觀測，焊料紊流，特別是在傳統流井的開口處，與PCB上的PTH 孔壁的較高Cu熔解度有關，尤其是那些與該開口對齊的孔壁。 一個更趨于層 流的坪料流可產生以更均勻地分布該焊料流，并因此減少靠近該流井開口的Cu 熔解率，特別是在PTH返修過程中。
0009
一方面，本發明提供一種焊料噴泉的流井，該流井包括從該焊料噴泉接 收焊料流的開口、提供焊料面的開放面及在該開口和該表面之間的分流元件，該 分流元件構造成用以改變從該開口流過的焊料流的方向。
0010另一方面，本發明提供一種分流元件，該分流元件包括引導從該流井上 的開口中流過的焊料流的元件及將該分流元件固定于該開口之上的附裝機構。
0011再一方面，本發明提供一種利用焊料噴泉焊接電路板的方法，該方法包 括提供流井，該流井具有開口、開放面及置于該開口和開放面之間的分流元件； 供給焊料進入該流井；利用該分流元件改變從該開口流過的焊料的方向；以及在 該開放面上提供焊料面。。
0012以下將以將結合附圖的方式對本發明的一個實施例進行描述，其中0013圖1為焊料噴泉機的透視圖。
0014圖2為圖l所示的流井正視圖，表示PCB的截面圖。
0015圖3A為在插入插腳之前圖2所示的PCB的放大截面圖。
0016圖3B為插入插腳并焊接之后圖2所示的PCB的放大截面圖。
0017圖4為層流井的分解透視圖。
0018圖5為圖4中所示的層流井沿線V-V的截面圖。
0019圖6為圖4中所示的流井的俯視圖。
0020圖7為圖4中所示的流井基座的仰^L圖。
0021圖8為使用傳統流井的Cu熔解結果的放大圖片。
0022圖9為使用圖4中所示的流井的Cu熔解結果的放大圖片。
0023圖IO為表示對焊料紊流和焊料層流而言的Cu熔解率的曲線圖。0024圖11為圖2中所示的連接器中心處對焊料紊流和焊料層流而言的平均 Cu厚度的比較圖。
0025圖12為圖2中所示的連接器處對焊料紊流和焊料層流而言的平均Cu 厚度的比較圖。
0026圖13為圖2中所示的連接器邊緣靠近縱向中線處對焊料紊流和焊料層 流而言的平均Cu厚度的比較圖。
0027圖14為另一實施例的透視圖。
0028圖15為另一實施例中沿圖14中XV-XV線的截面圖
具體實施例方式
0029參看圖1，焊料噴泉機整體用數字IO表示。該焊料噴泉10具有支撐 保護殼14的底座12。該保護殼14環繞含有一些熔化焊料18在內的焊料爐
(Solder Pot) 16。流井20從該焊料爐16向上延伸。該焊料爐16內的泵22經 由流井20抽吸熔化的焊料18，產生焊料峰24。該噴泉10還包括控制箱26, 該控制箱26用于控制該焊料噴泉10的操作，例如泵的流速。該焊料峰24溢出 并經由具有中孔29的倒置的錐臺28返回焊料爐16,該錐臺28覆蓋于該焊料 爐16上。
0030如圖2中最佳表示，PCB30具有一系列銅制PTH孔壁32，這些孔壁
插入插腳34的示例性孔壁32的截面圖在圖3A中示出。該孔壁32包括環形套 筒38、下環部40及上環部42。下環部40和套筒38之間的結合部定義為左孔 壁膝46和右孔壁膝44。如圖3B中所示，當插腳34^皮i文入對應的孔壁32內時， 與孔壁32接^"、度扭漆^拔古祐仏惶拔拔法拔哭w $ p「R" F" A法'煤.占-48t'0031在電子制造中，特別是電子制造服務(Electronics Manufacturing Services, EMS)中，通常存在修補/返修焊接在PCB 30上的有缺陷的PTH連 接器36的需求。為了修補/返修有缺陷的連接器36，使用焊料噴泉30(或小錫 爐(Mini Pot))。該焊料噴泉10通過經由流井20抽吸少量熔化焊料18的方 式以產生如前所述的焊料峰24來返修PTH連接器36。該流井20的尺寸設計 成基本與圖2中最佳表示的正在返修的連接器36對應。
0032
一旦焊料噴泉10的返修過程在PCB30上開始，通常在該板被無法修 復地損毀之前該PCB上只能執行固定次數的焊接，即每一次焊接增加損毀該 PTH孔壁32甚至層壓板30本身的風險。因此，期望以盡可能少的次數的焊接 完成返修。如果PCB30暴露在熔化的焊料18下相對長的累計接觸時間(例如 對含鋁合金而言是90+秒，對無鉛合金而言是30+秒)，在返修時或幾年后需 要返修的情況下，該PCB30可能無法修復。
0033已經發現，當使用傳統流井(圖未示)時，置于正在返修的連接器36 的中心附近的孔壁32在其孔壁膝44、46處相較靠近相同連接器36邊緣的孔壁 32而言呈現出更高的Cu熔解度(且因此損毀)。
0034用于焊料噴泉10的傳統流井使用單個圓形或橢圓形的開口從焊料爐 16中抽吸熔化的焊料18至流井底座。在返修過程中該焊料與PCB 30直接接觸， 并從該流井的兩端溢出。業界已經確定從單一開口流出的焊料與焊料的較高流 速(并因此產生焊料紊流)有關，這又與"中部的，，PTH孔壁32的較高Cu熔 解度有關，這些的影響下文將更詳細解釋。中部的孔壁32直接置于該開口之上， 因而，在熔化的焊料向外擴散產生焊料峰24時中間的孔壁32基本能經歷100% 的熔化的焊料流。
0035為了減少該連接器36中間部分的Cu熔解，業界已經確定，基于上述 相關性的認識，應該使用更順滑的流向流井的熔化焊料層流。為了減少焊料紊
9流并產生焊料層流，在焊料流與PCB30接觸之前，使用分流元件(例如擋板、 擴散器等)來M該焊料流。
0036在圖4-7所示的優選實施例中，單一開口供給熔化焊料給焊料噴泉10 的流井變成提供多個開口以改向或阻礙從該開口或其周圍流過的焊料流。這些 多個開口被構造成用以將從單一開口流出的焊料流的基本豎直方向改變為一個 更水平的矢量并因此產生層流矢量，以在與孔壁32和PCB 30接觸之前^:焊 料18的力。焊料流整體上因而更順滑，如下文中更詳細的解釋，這已被指出是 為了減少Cu熔解度。
0037參照圖4，產生更順滑的焊料層流的流井50包括適配器52和基座54, 該適配器52連接該流井50至泵22的出口 (圖未示)，該基座54提供焊料峰 24。
0038該適配器52包括開槽套筒56，該開槽套筒56的尺寸和形狀設計為正 好套在該泵22的出口。該套筒56包括一系列槽58以讓適配器52緊密套裝于 出口的末端。該適配器52在與具有槽58的末端相對的另一端上具有凸緣60。 該凸緣60包括一系列孔62以安裝該適配器52至基座54,該凸緣60上開設開 口 90以允許焊料18流入基座54。
0039該基座54具有一對側壁68、 70,該側壁68、 70凈皮在其端部的一對端 壁72、 74間隔開。該端壁72、 74的高度小于側壁68、 70的高度以讓焊料溢出 基座54并再循環至焊料爐16。側壁68具有自其中部延伸而出的第一凸緣64 ， 側壁70具有自其中部延伸而出的第二凸緣66。與凸緣64、 66對齊的是阻擋件 76,該阻擋件76位于基座54的底部以形成分流件。利用一對傾斜的通道84、 86，該阻擋件76引導焊料經過適配器52流向基座54的兩端。第一底部80由 端壁74至傾斜通道84向內傾斜，第二底部82由端壁72至傾斜通道86向內傾 斜。該凸緣62、 66具有一系列孔78。為了讓適配器52安裝于該基座54上， 孔78與該適配器52上的孔62對齊。
100040傾斜通道84、 86的下端相鄰近但彼此分開，/人而傾斜通道84、 86的 上端形成于該阻擋件76的兩相對側。該傾斜通道84、 86的下端置于該開口90 之上。因此，與單獨/人該開口 90流出的方向相比，流進開口90的焊料以更水 平的方式被引導至沿該阻擋件76旁的兩個方向流動。該變向流產生一個更順滑 的焊料層流。
0041PTH返^f務過程中的Cu熔解的結果在傳統的單開口流井與圖4中所示 的流井50之間進行觀察和比較，該流井50提供一個更順滑的焊料層流。實驗 發現，與從單一開口流出的紊流流速相比，更順滑的焊料層流的流速產生較低 的整體Cu熔解度，尤其是該開口 90附近的Cu熔解度。
0042在不同接觸時間下，將傳統流井的相對紊亂的流的流速與流井50的相 對順滑的流的流速進行比較。熔化焊料18的恒定變量包括焊料爐的溫度265。C 和PCB的預熱溫度150°C。使用的接觸時間是基于之前的知識，即在大約30 秒內紊流流速將經歷將近100%的Cu溶解(孔壁膝44、 46處完全熔解)。圖 10中的曲線圖比較了傳統紊流井的熔解率(粗線)和層流井50的預期熔解率
(細線)。已經確定，在很多情況下，傳統流井的Cu熔解率為大約0.030密耳 /秒(mils/sec )。
0043為了根據上述實驗確定Cu熔解的結果，取PCB30的截面以允許檢查 該連接器36的中部和端部處的孔壁32。測量環部40處和膝44、 46處Cu的厚 度。該孔壁32的膝的最初厚度大約為1.15密耳。
0044已發現，利用流井50實現的更順滑的層流的流速產生大約0.02密耳/ 秒的Cu熔解率，這相對傳統的更紊亂的紊流改善了大約33%。以上實驗結果 在圖11-13中示出。以下結果使用20秒和25秒之間的接觸時間。
0045在圖11中，對同一板上的兩個不同連接器(即C2和C3)分別比較 層流和紊流的情況下的平均Cu厚度。測量在靠近這兩個連接器的中間進行。 平均Cu厚度通過取該板和孔壁處于橫斷位置時測量到的左膝46和右膝44的厚度的平均值而得。對C2連接器而言，流井50的平均Cu厚度為大約0.80密 爾，傳統紊流流井的平均Cu厚度為大約0.26密爾。對C3連接器而言，流井 50的平均Cu厚度為大約0.88密爾，傳統紊流流井的平均Cu厚度實際為0。
0046圖12比較在各個連接器的邊緣處測量的層流和紊流的情況下的平均 Cu厚度。對C2連接器而言，流井50的平均Cu厚度為大約0.78密爾，傳統紊 流流井的平均Cu厚度為大約0.85密爾。對C3連接器而言，流井50的平均Cu 厚度為大約0.80密爾，傳統紊流流井的平均Cu厚度為大約0.86密爾。
0047圖13比較在各個連接器的邊緣但靠近縱向中線處測量的平均Cu厚 度，其呈現與圖12中相似的結果。
0048從圖11-13中可看出，相較更順滑的層流井50而言，傳統流井在連接 器的邊緣處表現出略少Cu熔解。以上可能是將焊料流從流井50的中心處向流 井50的端部改向/人而在連接器36端部產生相對高的流速的結果。
0049然而，可以看出，尤其是從圖ll中，流井50中更平衡的焊料流很大 程度上減少連接器中心部的Cu熔解。結果，當使用流井50時整體的Cu熔解 更均勻地分布在該連接器的長度方向上，盡管連接器端部的Cu熔解與傳統的 流井相比較高。這種均勻分布阻止連接器的中心處的劇烈Cu熔解，如圖11中 所示，使用傳統的紊流流井可發生完全熔解(例如圖8，以下詳解)。
0050傳統流井中的Cu熔解的結果如圖8中所示，層流井50中Cu熔解的 結果如圖9中所示。孔壁膝44的完全熔解如圖8中所示，流井50的結果的"最 佳情況，，如圖9中所示，其中Cu厚度很大程度上不受PTH返修過程的影響。
0051在圖14所示的另一實施例中，傳統流井IOO適于包括一個單獨的并可 分離的阻擋機構或附件110，該阻擋件110當做用于產生更趨于層流的分流件。 該流井100包括開口 102和附裝機構，該開口 102讓焊料流過，該附裝機構采 用一對孔104的方式來安裝該阻擋件110至該流井100。該阻擋件110由一對 支柱106、 108支撐，并利用一對螺絲112固定于該流井100，從而將該附裝件110定位于該開口 102之上。結果，該阻擋件110改向該焊料流以產生與上述 實施例相似的更水平且更順滑的層流。本實施例特別適用于改進原有的流井元件。
0052在圖15所示的另一實施例中，傳統流井200的底部可被改進以包括具 有附裝機構的分流元件，例如該流井200被修改成包括一對孔204以將穿孔板 201固定在一對支柱206之上。如圖15所示，可使用任何穿孔排列，例如板212a 的單行排列和板212b的雙行排列。流過出口 210和開口 208的焊料穿過這些穿 孔流出，以在流井200內提供更均勻和更順滑的層流。
0053應當理解，除了傾斜通道84、 86之外，在其它實施例(圖未示)中， 板212a、 212b也可與圖4中的實施例結合使用。
0054因此可看出，紊流焊料流，特別在傳統流井的開口處，與PCB上的 PTH孔壁的較高Cu熔解度有關，尤其是那些基本與該開口對齊的孔壁。通過 添加分流元件，比如修改或改進后的流井中的擋板或擴散器，可以產生以更均 勻地分布該焊料流的更順滑的層流，從而降低流井開口附近的Cu熔解率，特 別是在PTH返修過程中。可以看出，原有的流井可被改進或定制的流井可被制 成以包括分流元件。應當理解，分流元件可包括在使用時使該流井內的焊料分 布成可產生更少焊料紊流的任何裝置或流井的改進。
0055盡管本發明已參照一些具體的實施例來描述，但本領域的技術人員在 不脫離本發明的精神與本發明的權利要求所記載的范圍的前提下可作出各種修 改。
1權利要求
1.一種焊料噴泉的流井，該流井包括從該焊料噴泉接收焊料流的開口；提供焊料面的開放面；及在該開口和該表面之間的分流元件，該分流元件構造成用以改變從該開口流過的焊料流的方向。
2. 如權利要求1所述的流井，其中該分流元件包括阻擋機構，該阻擋機構構 造成用以引導該焊料流至該開口的兩側。
3. 如權利要求2所述的流井，其中該阻擋機構形成于該流井的底部，作為改 變該焊料流流向該開口兩側的一對通道。
4. 如權利要求3所述的流井，其中該通道相對該底部傾斜。
5. 如權利要求2所述的流井，其中該阻擋機構包括固定在該開口上方并與之 隔開的斧反。
6. 如權利要求5所述的流井，其中該板用多個柱與該開口隔開。
7. 如權利要求1所述的流井，其中該分流元件為包括多個穿孔的擴散板。
8. 如權利要求7所述的流井，包括該擴散板沿該流井的整個長度方向延伸。
9. 如權利要求7所述的流井，其中該擴散板用多個柱與該開口隔開。
10. 如權利要求7所述的流井，其中該多個穿孔沿該擴散板的長度方向排列成 一行或多行。
11. 如權利要求1所述的流井，其中該分流元件加裝至已有的流井上。
12. 如權利要求1所述的流井，其中該流井的底部包括朝向該開口傾斜的相背 表面。
13. 如權利要求1所述的流井，包括將悍料返回至該焊料噴泉的溢出機構。
14.如權利要求1所述的流井，包括固定該流井至該焊料噴泉的適配器。
15. 如權利要求14所述的流井，其中該流井利用從該流井的底部向外延伸而 出的一對凸緣安裝于該適配器上。
16. 如權利要求1所述的流井，包含在焊料噴泉中。
17. —種流井的分流元件，該分流元件包括引導>^人該流井上的開口中流過的 焊料流的元件；及將該分流元件固定于該開口之上的附裝機構。
18. 如權利要求17所述的分流元件，其中該元件為包括多個穿孔的擴散板， 該擴散板之上。
19. 如權利要求18所述的分流元件，其中該擴散板的尺寸設計成沿該流井的 整個長度方向延伸。
20. 如權利要求18所述的分流元件，其中該擴散板利用多個柱與該開口隔開。
21. 如權利要求18所述的分流元件，其中該多個穿孔沿該擴散板的長度方向 排列成一行或多行。
22. 如權利要求17所述的分流元件，其中該元件為阻擋板，該阻擋板的尺寸 設計成4黃3爭該開口延伸。
23. 如權利要求21所述的分流元件，其中該阻擋板用多個柱與該開口隔開。
24. 如權利要求22所述的分流元件，其中該阻擋板沿其長度方向彎曲，形成 一個朝上的頂點。
25. —種利用焊料噴泉焊接電路板的方法，該方法包括提供流井，該流井具 有開口、開放面及置于該開口和開放面之間的分流元件；供給焊料進入該流井； 利用該分流元件改變從該開口流過的焊料的方向；以及在該開放面上提供焊料面。
26. 如權利要求25所述的方法，其中上述改變方向包括利用阻擋機構分布該焊料至該開口的兩側。
27. 如權利要求25所述的方法，其中上述改變方向包括利用擴散板將焊料分 布在該開力文面上。
28. 如權利要求25所述的方法，進一步包括利用該流井內的溢出機構再循環 該焊料。
全文摘要
據觀測，焊料紊流，特別是在傳統流井的開口處，與PCB上的PTH孔壁的較高Cu熔解度有關，尤其是那些與該開口對齊的孔壁。一個更趨于層流的焊料流可產生以更均勻地分布該焊料流，并因此減少靠近該流井開口的Cu熔解率，特別是在PTH返修過程中。一方面，本發明提供一種焊料噴泉的流井，該流井包括從該焊料噴泉接收焊料流的開口、提供焊料面的開放面及在該開口和該表面之間的分流元件，該分流元件構造成用以改變從該開口流過的焊料流的方向。
文檔編號B23K3/06GK101557900SQ200780026206
公開日2009年10月14日 申請日期2007年5月15日 優先權日2006年5月16日
發明者克雷格·J·漢密爾頓 申請人:塞拉斯提卡國際公司