專利名稱：釬焊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種釬焊方法及裝置，特別是有關制造電路板的釬焊方法及裝置。
制造電路板是眾所周知的工業作業。一般是向一塊板上印刷電路，在選好的位置處鉆孔以便讓預定的電路元件插入其中并被焊到電路板上的導電體上。焊接操作一般是自動或半自動地完成的。電路板被依次放在輸送機上該輸送機載著電路板前進，穿過罩住釬焊站的長焊室。當電路板被送過焊室時進行釬焊。
有兩種主要的工業釬焊方法回流釬焊和波峰釬焊。在回流釬焊中，小型電子元件平裝在印刷電路板上，乳狀或膏狀的粘稠釬料已事先通過諸如網板印刷、模板印刷或分配的方式涂在電路板上。而后對印刷電路板施加足夠高的溫度，通常比釬料合金的熔點或液化點高出50℃，以使合金液化并與元件接觸。這樣一旦上述印刷電路板隨后得到冷卻，元件便被釬料牢固地固定在電路板上。熱量可以通過諸如紅外輻射、蒸汽、加熱輸送帶或者對流傳熱裝置供給。釬料傳統上包括一種粉狀軟金屬合金，彌散于液體介質中。該介質中包括一種焊劑、一種有機溶劑和一種濃化劑，將它們有選擇地按所需要的稠度進行混合。
波峰釬焊不同于回流釬焊，其釬料不是在電路板被送過釬焊室之前供至板上的，而是在該釬焊室內設置一個盛有熔融釬料的容器，并且設置成與一臺泵相連，以便產生一個或多個釬料波。電路板被依次送過焊室并通過與一個或多個釬料波之間保持一定位置關系，使得適當量的釬料按需要涂于元件上，并且通過冷卻形成合適的焊接連接。板上一般要預先在所需位置涂上一層熔劑，以便使釬料能夠附著在這些位置處的表面上。
近年來，人們把很多研究及發展的焦點集中在優化形成釬焊連接的氣氛上。例如，在傳統的波峰釬焊中，當熔融的釬料暴露在氧分子中時，釬料便會被氧化。氧化了的釬料會形成一個表面氧化層，該表面層在電路板通過釬焊室之前一般用涂在電路板上的焊劑除去。除去氧化層就能使準備釬焊的元件浸濕。由于釬料波具有一個不斷破裂的熔融釬料表面層，因此氧化物和釬料的殘渣，通稱焊渣便被收容在盛釬料的容器中。焊渣的產生會因釬料的損失以及需要加強維護而大大增加波峰釬焊工藝成本。例如它需要一次又一次地將焊渣從容器中除去，并需要修復由于焊渣的磨損而損壞的波峰釬焊裝置的機械部分。另外，如果釬料中帶有有毒元素，如鉛，焊渣本身還會損害健康。
人們因此提出用一種氣氛將釬料波的整個表面覆蓋起來，該氣氛與釬料間的反應不如空氣活潑。然而，在該領域中有很多說法要求在釬焊氣氛中有氧氣存在。特別是美國專利US4610391涉及了一種在主要含有空氣的氣氛中對工件進行波峰釬焊的工藝改進，其中(Ⅰ)它具有一第一釬料波部分，其流體運動可被觀察到該部分包括一個活性焊渣形成區域;(Ⅱ)它具有一第二釬料波部分，它是釬料波最后與工件進行接融的部分。其改進包括將至少50%的活性焊渣形成區域的氣氛改為惰性氣體，但阻止與第二部分表面接融的氣氛變成惰性的。這樣就用到了兩種氣體擴散器。第一氣體擴散器朝釬料波的前部供給惰性氣體，如氮氣。第二氣體擴散器朝著波的后部供給混合氣，一般要包括18-50%體積比的氧氣(其余一般為氮氣)。
在EP-A-3610507中公開的是在有釬焊劑時，最好將釬料波周圍氧保持在百萬分之10，000到20，000體積的范圍內。而EP-A-O 330867公開的是在波峰釬焊工藝中該氧氣的體積濃度可低至百萬分之10，它使用了不用對電路板或其它元件做預先上熔劑的處理的工藝。
EP-A-389218公開了一種在低氧化氣氛中進行回流釬焊的工藝，最好是一種含氧量不高于百萬分之1500體積濃度的氣氛。
在EP-A-0330867A中沒有接受這一說法，認為當釬焊氣氛包含有百萬分之10體積濃度的氧的條件下仍可進行波峰釬焊，而不必對印刷電路板進行焊劑預處理。但生產廠家仍然喜歡在電路板上進行焊劑預處理。原因有兩條，第一，即使用一個基本上純凈的氮氣源(所含氧的體積濃度不大于百萬分之5)形成釬焊氣氛，也很難可靠及反復地在釬焊室中保持一個含氧量低于百萬分之10體積濃度的氣氛;第二，即使在低氧環境中也仍可發現一些焊渣形成。
雖然釬焊劑可以應付釬焊氣氛中氧的存在，但是我們仍相信需要減少侵入釬焊氣氛中的空氣。在釬焊室的入口及出口設置防護屏以限制空氣的進入是公知的。當氮氣供入焊室內部時，這種防護屏形成了一種對進入的空氣的自然屏障。每個防護屏一般由一系列橡膠線或橡膠絲、薄金屬片或玻璃纖維構成。防護屏一般全部封裝住釬焊室的入口和出口，但可以隨電路板的進入而移開以便讓其進出釬焊室。我們驚奇地發現，即使防護屏重量很輕，它們與進入釬焊室的電路板之間的接觸也足以移動一些元件，從而損害它們的焊接質量并進而損害完成后的電路板的質量。通過取消防護屏并增加用以形成釬焊氣氛的氮氣流量雖然可以解決上述問題，但是若要求在釬焊氣氛中保持低的氧氣濃度，這種作法將會導致人們不希望的極高的氮氣消耗。我們進一步相信，即使電路板預先進行了焊劑處理也需要在釬焊氣氛中保持氧氣的低濃度。
因此，在本領域中需要一種改進的釬焊方法及裝置，它有助于只含低濃度氧氣的釬焊氣氛的形成，卻能夠解決傳統防護屏產生的上述問題。本發明的目的便是滿足這種需要。
本發明提供了一種釬焊方法，包括以下步驟將要焊接的電路板(或其它工件)送過一個帶有入口和出口的釬焊室;將非氧化性氣體供入釬焊室以在其中形成一個相對無氧化作用的焊接氣氛;在釬焊室的入口和出口處設置活門或防護屏，其特征是電路板(或其它工件)通過入口送入釬焊室時與該處設置的活門或防護屏不發生接觸。
本發明也提供了一種釬焊裝置，包括一個具有一入口和一出口的釬焊室;一臺將要焊的電路板送過該室的輸送機;一個非氧化性氣體的入口，從而可在靠近進行釬焊作出的區域形成相對無氧化的氣氛;一活門或防護屏位于釬焊室的出口處，而一活門或防護屏位于釬焊室的入口處，活門或防護屏設置成限制空氣侵入釬焊室的形式，其特征在于釬焊室入口處的活門或防護屏所具有的形狀或能夠進行的操作應使它們在使用時保證要焊接的電路板或其它工件進入釬焊室時不與入口處活門或防護屏接觸。
術語“相對無氧化的氣氛”的意思是指一種對釬料的氧化作用較空氣小的氣氛。該相對無氧化氣氛最好含氧量不多于百萬分之200體積濃度。這里使用的術語“非氧化性氣體”的意思是指一種含有雜質氧的濃度低于相對無氧化的氣氛的氣體或氣體混合物。
本發明的方法及裝置，特別適合用于波峰釬焊，特別是當電路板包含有預先用回流釬焊法加工好的焊接連接時更加適用，但是也適用于回流釬焊。
釬焊室進口處的活門與進入焊室的電路板間的接融可以通過本發明的裝置得到避免，該裝置具有一個檢測將要進入焊室的電路板位置的裝置。該裝置可操作地與抬起或以其它方式開啟活門的裝置相連系以保證電路板進入時不與活門接融，以及在電路板一旦通過活門后立即降下(或以其它方式關閉)活門的裝置。
然而，最好是將焊室入口處的活門或防護屏的底緣制成通常與組裝后要施焊的電路板的輪廓(即正視圖)互補的形狀，這樣電路板便可以從其底緣穿過而不碰到活門或防護屏。焊室入口處的防護屏或活門的位置及高度最好使得成形的底緣與組裝后電路板的間隙小于5mm。這樣，從底緣下面侵入焊室中的空氣流量就會比在入口處不裝活門或防護屏的要低。從而在向波峰釬焊裝置焊室中的電路板上提供的釬料周圍的氣氛可以保持低濃度的氧氣，而不需要向焊室輸入過量氮氣或其它非氧化性氣體。本發明的波峰釬焊最好是在電路板送入焊室之前，在每塊電路板要施以焊接的地方涂以釬焊劑，可以采用傳統的釬焊劑(例如MULTICORE焊劑)，并可采用傳統技術涂敷。即使涂上了這樣的焊劑，焊室中所產生的釬料波周圍氧的體積濃度最好也要保持在低于百萬分之100，甚至百萬分之50的程度。為了在釬焊的區域達到氧的這一低濃度，就需要使用適當的高純度氮氣源。現代工業上從空氣中精餾氮氣的分離廠生產出的產品所含的氧氣雜質所占體積量不多于百萬分之5，適合于用作本發明方法中的氮氣源。
通過采用本發明的用氮氣作為非氧化性氣體的方法，我們實現了在釬料波區域含氧量體積低于百萬分之50的氣氛，氮氣的總流量每小時不大于250個焊室容積。
雖然非氧化氣體最好為氮氣，但也可以使用惰性氣體，例如氬氣。在焊接溫度(一般低于250℃)下的另一種非氧化性氣體是二氧化碳。
輸入釬焊室釬料波周圍的所需非氧化氣體應具有不會損害焊接連接的形成的不高的流速，因此這些非氧化性氣體最好通過一個帶有很多微小氣體分配孔的擴散器輸入。
非氧化氣體可以從與供入的釬料周圍相間隔的位置輸入焊室。若想要在釬料波周圍保持很低濃度的氧氣，如低于百萬分之40體積，那么就要在焊室鄰近活門或防護屏入口及鄰近它們的出口活門或防護屏處輸入非氣化性氣體。再有，我們驚奇地發現在工業上的波峰釬焊裝置中，當每個電路板離開焊爐時，仍有一些焊接連接沒有完全固化。因而如果在元件與活門或防護屏之間存在實體接觸，那么在每塊板通過出口活門或防護屏時元件便會被移動。有兩種解決這一問題的可供選擇的方案，第一種是防止在活門或防護屏與離開焊室的每塊電路板之間產生接觸。因此出口處的活門或防護屏便要布置成與入口處的活門或入口處的活門或防護屏相同的形式。另一種是將非氧化性氣體如氮氣的氣流直接吹向釬焊后的連接部分以便在焊料波與出口之間的焊室區域提供附加的冷卻。
可以通過較簡單的改動，包括安裝合適的防護屏將傳統的釬焊室改用在本發明的方法中。
本發明的方法及裝置可以形成堅固的釬焊連接并且僅伴隨有很少的焊渣形成。
根據本發明的方法及裝置將結合附圖所示的實施例詳細進行說明，其中
圖1A-1E是描述用于波峰釬焊的電路板的制備簡圖;
圖2是本發明的波峰釬焊裝置的側視簡圖;
圖3是用在圖2所示裝置中的一個防護屏的正視簡圖;
圖4是用在圖2所示裝置中的一個氣體分配器的簡圖(仰視);
圖5是表示沿著釬焊室部分長度的氧氣濃度變化曲線圖;
圖6和7是表示電路板送過釬焊室時安置在電路板上元件的溫度變化;
圖8所示是圖3所示防護屏的一個替代方案。
附圖未按比例繪制。
參見附圖，圖1A中顯示了一塊可采用來制做電路板的基板2，該基板2是由絕緣材料，例如玻璃纖維、浸漬酚醛樹脂的紙制成。
參見圖1B，在基板2上需要插入電氣元件的地方鉆上孔4。而后在基板2上覆以銅片，為需形成的電路提供相應的導體(見圖1C)。具體地說，銅片6應穿過每個孔4并位于其周圍。而后在銅片6的表面涂上適當的釬焊劑(例如TAMURA或者MULTICORE焊劑)。然后電氣元件，例如電阻、電容和/或電感如圖10所示插入并穿過孔4。組裝后的電路板再進行波峰釬焊，以便在位置10處形成焊接連接，如圖1E所示。
如圖1E所示的電路板的波峰釬焊是在如圖2所示的裝置中進行的。該典型的裝置包括一臺可買到的傳統波峰釬焊機，例如商標為EUROPAK的釬焊機，并對它作了某些改造，包括在入口和出口處設置防護屏以及設置將氮氣供入釬焊室的裝置。
參見圖2，所述焊接裝置20包括一臺輸送機22，用以將組裝好的電路板(圖2中未示出)送過釬焊室24。其設置使得釬料的一個波峰能夠浸濕元件與電路板之間的接點，從而釬料固化后形成持久的連接。任何傳統釬料均可使用。典型的釬料包括錫鉛合金(例如市售的商標為MULICORE Non Eutectic的釬料)。波峰26通過適當的泵裝置28形成，而該裝置最好是設置在盛有一定量的熔融釬料的容器30里。加熱裝置(未示出)可設置在容器30中以保持釬料處于熔融狀態。泵送裝置28可以是阿基米德螺桿式泵。
氣體分配器32和34安置在釬焊室24中，以在波峰的周圍形成無氧化氣氛。分配器32是一個長的在室24中延伸的中空件，通常與其縱軸線垂直，并且具有一個由多孔材料構成的下表面，從氣源供入的非氧化性氣體，例如氮氣，可通過它，進行擴散。分配器32一般位于釬料波26前部上方。分配器34則最好也是長的中空件。如圖4所示，在其下表面36上具有一排氣體分配孔38。分配器34位于釬料波26的后方且孔38在和電路板穿過其下部時面向電路板。運轉中，分配器32和34均與非氧化性氣體例如氮氣源相連通，并能將氮氣供入室24的內部，幫助在釬料波26周圍形成相對無氧化氣氛。另外，分配器34將非氧化性氣流沿下游方向吹向焊后的元件以幫助冷卻這些元件。分配器34如圖2所示被設置在釬料波26和室24的出口23中間。分配器34也可以設置在釬料波26的上部。
為了限制空氣通過入口21和出口23進入焊室24，在入口21處提供了一個防護屏40。并在出口23處提供了一個防護屏41。防護屏40如附圖3所示，包括一塊薄板或薄片42，它帶有與其上緣44相鄰的孔46，以便其能夠用螺栓固定在入口21處的室24前面。下緣48與要進行焊接的電路板的正視圖互補。防護屏40的高度選擇成使得底緣48與元件之間的間隙不大于3mm。因而從底緣48進入到室24中的空氣流量遠低于在入口處沒有任何防護屏時的流量。為了形成板42的成形底緣，電路板的正視圖可按比例繪制出來，并用繪制好的圖案做樣板，將金屬或非金屬材料的板剪切成形。
防護屏40最好是可從室24上方便拆下的。這在一批大量生產的電路板具有相同的第一種外部形狀，而另一批大量生產的電路板又具有與之不同的外部形狀時所希望的。不同的防護屏21具有與每一輪生產的產品相適應的成形底緣48(見圖3)，防護屏隨產品輪次的變化而更換。
防護屏41如圖2所示可以是傳統形式，由纖維或彈性材料制成的絲或線構成，或者如上述圖3所示的形式。如果需要可以在出口23處設置多個這樣的防護屏。
工作時，為了給裝置20的釬焊作業做準備，容器31一次注入熔融的焊料(或者就地熔化的焊料)，而室24用分配器32和34輸入氮氣進行凈化，輸氣時間足以將其中氧的濃度降到預定的低值。而后啟動泵28以產生波峰26并開動輸送機。要焊的電路板再按順序置于輸送帶上并被送過釬焊室24。每個電路板依次與波峰26進行適當的釬焊接觸，從而形成所需的釬焊連接。這種連接通過由分配器34供入的氮氣冷卻，在電路板離開室24出口23前已得到固化。氮氣從一個位于室24之外的氣源供入分配器32和34中。氣源最好是一個真空隔絕的容器，充滿了含氧量小于百萬分之5體積的液態氮。該容器裝有一個蒸發器，以便在液氮通過時將其汽化。
在室24的入口處使用如圖3所示形式的防護屏并以每分鐘517升的總流量將氮氣充入室24時就能夠實現在波峰26周圍的含氧量低于50ppm的目標。室24具有一個大約為5立方英尺的自由空間。
按照本發明的方法及裝置減少室24中含氧量的效果從圖5所繪制的曲線圖中反映出來。在該曲線圖中，離開入口21的距離在橫座標上表示，百萬分率體積含氧量由曲線圖的縱座標表示。圖中曲線B顯示出了室24的入口21處未裝防護屏時的工作狀況。曲線A顯示出了室24的入口21處設置了圖3所示形式防護屏時所得的結果。可以看出，按本發明工作的焊室例如在距離入口21四英尺處，含氧量體積低于百萬分之50，而在去掉防護屏時，含氧量體積則高達百萬分之200。
圖2所示裝置在工作中分配器34冷卻釬焊后元件的效果由圖6和7顯示出來。在圖6和7的曲線中，時間由橫座標表示，溫度由縱座標表示。圖6表示元件穿過一臺如圖2所示類型的裝置時元件的溫度，兩分配器32和34采用的均是從多孔表面向室24中擴散氮氣的那種類型。元件在出口防護屏處的溫度為200℃。釬料在183℃-188℃的范圍熔化。因而，釬料在電路板離開裝置前沒有充分凝固，這樣就存在元件由于碰到出口23處的傳統防護屏而被移動的危險。為了解決這一問題，可以在出口23處象在入口21處那樣也設置一塊如圖3所示形式的防護屏。如圖4所示形式的分配器34則可用來直接向在室中釬料波26和出口23之間剛焊好的元件吹出氮氣。其工作情況顯示在圖7中。所測得的焊后元件在出口處的溫度為162℃，即低于釬料熔化的溫度范圍。這表明用冷卻氮氣流降低焊后元件的溫度非常有效。
各種附加及改進方案也可用于上述本發明的焊接方法及裝置上。例如，在爐的進口21和/或出口23處不用單片防護層40而是采用一組間隔設置的防護屏40，每個均具有圖3所示的形式。再有，如圖8所示，氮氣或其它非氧化性氣體可以通過位于一對防護屏40之間的分配器50供入。用這種防護屏裝置還可能在焊料波26周圍更進一步降低氧的含量。另一種附加或選擇的可能是在爐上安裝活門，以在裝置處于待料期間完全防止空氣的進入。例如活門可設于焊接室內部(一個升高的位置)允許電路板從而下方通過，而在非加工期間可以向下擺動密封往釬焊室。在更進一步的改進方案中，如果輸送機22下側與室24之間的密封在進口21或出口23處或兩處都不充分，可以在這些位置設置適當的密封條或其它裝置，以便在焊接期間進一步減少進入室24中的空氣量。
權利要求
1.一種釬焊方法，包括以下步驟將要焊接的電路板(或其它工件)送過一個帶有入口及出口的釬焊室；將非氧化性氣體輸入釬焊室以在其中形成一個相對無氧化性的釬焊氣氛；在該室的入口和出口處設置活門或防護屏，其特征在于電路板(或其它工件)通過入口送入釬焊室時與該處設置的活門或防護屏不發生接觸。
2.如權利要求1所述的釬焊方法是波峰釬焊法，其特征在于所述釬焊室入口處的活門可以開啟和關閉，以使每塊電路板依次通過而不與其發生接觸。
3.如權利要求1所述的釬焊方法是波峰釬焊法，其特征在于活門或防護屏的底緣制成通常與組裝后要施焊的電路板的正視圖互補的形狀，這樣電路板便可以從其底緣穿過而不碰到活門或防護屏。
4.如權利要求3所述的釬焊方法，其特征在于所述底緣與每塊組裝后的電路板間的間隙小于5mm。
5.如權利要求2至4之一所述的釬焊方法，其特征在于流入釬焊室中的非氧化性氣體的流量低于每小時250個焊室容積。
6.如權利要求2至5之一所述的釬焊方法，其特征在于它還包括以下步驟將非氧化性氣體直接吹向焊室中釬料波和焊室的出口之間或釬料波本身上部的釬焊連接處。
7.一種釬焊裝置，包括一個具有入口和出口的釬焊室，一臺將要焊的電路板送過該室的輸送機，一個非氧化性氣體的入口，通過它可在進行焊接作業的區域周圍形成相對無氧化的氣氛，一個活門防護屏位于焊接室的出口處，而有一個活門或防護屏位于焊接室的入口處，活門或防護屏設置成限制空氣進入焊室的形式，其特征在于在焊室入口處的活門或防護屏的形狀或可進行的操作使得工作時保證要焊接的電路板或其它工件進入焊室時不與入口處的活門或防護屏接觸。
8.如權利要求7所述的釬焊裝置，其特征在于它包括檢測電路板即將進入焊室的位置的裝置，該裝置可操作地與抬起或以其它方式開啟入口處的活門的裝置相連接，以便保證電路板進入時不與活門接觸，以及在電路板一旦通過活門后立即降下(或以其它方式關閉)活門或者允許這種降下發生的裝置。
9.如權利要求7所述的釬焊裝置，其特征在于焊室入口處的活門或防護屏的底緣制成通常與組裝后要施焊的電路板的輪廓互補的形狀，這樣電路板便可以從其底緣穿過，而不碰到活門或防護屏。
10.如權利要求9所述的釬焊裝置，其特征在于焊室入口處的防護屏或活門的位置及高度使得成形的底緣與組裝后的電路板間的間隙小于5mm。
11.如權利要求7至10之一所述的釬焊裝置，其特征在于它還包括直接向釬焊的元件吹非氧化性氣體的裝置。
全文摘要
釬焊裝置20，包括一臺輸送機22，用以將組裝后的電路板送過焊室24。在該焊室24中形成一個釬料波26。焊室24在其入口21處有一防護屏40，在其出口處有一防護屏41。氣體分配器32和34裝于該焊室24中并能將氮氣輸入焊室24，以在釬料波周圍形成無氧化的氣氛。工作中，釬料波26浸濕元件與電路板之間的連接點，以在釬料固化后形成永久連接。防護屏的底緣制成與組裝后要施焊的電路板的正視圖互補的形狀，并使得電路板剛好從其下穿過而不與之發生接觸。
文檔編號B23K101/42GK1074156SQ9211249
公開日1993年7月14日 申請日期1992年10月3日 優先權日1991年10月3日
發明者C·J·普雷修斯, R·托馬斯 申請人:英國氧氣集團有限公司