焊頭、焊烙鐵和焊接系統的製作方法

2023-04-23 14:59:06

專利名稱：焊頭、焊烙鐵和焊接系統的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及焊接系統和焊烙鐵，特別涉及一種不被熔
融焊料潤溼的焊頭。
背景技術：
潤溼可通過將液體的液滴或液珠放在表面上來憑經驗觀 察。水珠的形狀定性地表示液體和表面之間的潤溼性質。如果液珠變 平更像薄烤餅，那麼液體潤溼了表面。如果液珠幾乎保持球形形狀， 像最近上過蠟的汽車表面上的水，則液體沒有潤溼表面。因而，沒有 潤溼焊頭的表面的熔融焊料將在重力或某一其它力的影響下趨向於從 該表面中流出。相反，潤溼焊頭的表面的熔融焊料將趨向於附著或粘 附到該表面。如前所述，熔融焊料趨向於潤溼鐵和鐵鎳合金焊頭。定量地，可測量形成在熔融焊料的液滴與焊頭的表面之間 的接觸角以確定焊頭上的熔融焊料的潤溼性。接觸角是在熔融焊料和 焊頭表面之間的接觸面與熔融焊料液滴的表面之間被測量。因此，所 測得的大於90度的接觸角表示熔融焊料沒有潤溼焊頭。也就是說，熔 融焊料的液滴是稍稍球形的。另一方面，小於90度的接觸角表示熔融 焊料潤溼了焊頭的表面。換言之，熔融焊料的液滴變平並趨向於粘附 或附著於焊頭的表面。因此，當利用可潤溼的焊頭焊接時，熔融焊料 粘附到焊頭。
現有焊頭的一個問題是傳送到接頭的焊料的量的可變性。 特別是，該問題在高容量的焊接工藝中會出現，諸如焊接電子設備等 中的電連接。儘管傳送的焊料的量取決於許多因素，但是一個主要因 素是附著或粘附到焊頭的焊料的量。換言之，傳送到接頭的焊料的量 與焊料從一個接頭到下一個接頭粘附到焊頭上的量直接相關。不僅傳送到接頭的焊料的量的變化是一個問題，而且對於 操作者而言，難以或不能確定從焊頭到接頭傳遞的熱。到工件的熱傳 遞取決於工件與焊頭之間的熔融焊料的量。因而，焊頭上的熔融焊料 的可變的量導致傳遞到工件的熱的變化。在許多情形中，太多的熱將 損壞部件，而另一方面，太少的熱或太少的焊料或者太少的熱和太少 的焊料可能產生不充分地成形的接頭。如果接頭成形地不充分，則許
多其它問題由於現有技術焊頭的可潤溼特徵而相繼發生。例如，由於 端頭被撤回時熔融焊料粘附到焊頭上，所以已知的是在連續連接之間 形成焊料毛刺和焊橋。本發明提供一種包括非溼式焊料接觸層的焊頭。該非溼式
焊料接觸層適於將熱傳導到焊料，從而熔化焊料並且與熔融焊料接觸。
非溼式焊料接觸層包括不可被熔融焊料潤溼的材料。在另一實施例中， 在熔融焊料的液滴與非溼式焊料接觸層之間測量的接觸角大於大約90度。根據本發明，還提供了一種用於控制應用於形成接頭的焊 料的量的方法。控制該方法包括提供焊料到分配器，提供與第二工 件接觸的第一工件，將所分配量的焊料從分配器分配到接近第一工件 和選擇性的第二工件的焊頭的位置，利用通過焊頭傳導的熱將焊料加 熱到至少焊料的熔化溫度的溫度，當焊料處於熔融狀態時從焊料撤回 焊頭，由此焊頭基本上沒有熔融焊料。通過審閱下面結合附圖所做的詳細說明，本發明的這些和 其它目的、優點和特徵對本領域技術人員而言將變得較容易明顯。


附圖被包含在說明書中並且構成該說明書的一部分，附圖
示出本發明的實施例，並與以上給出的本發明的總體描述以及以下給 出的詳細描述一起，用於解釋本發明。圖3是焊頭的另一實施例的局部剖視圖。
具體實施例方式在又一實施例中，如圖2中所示，系統10包括與分配器 26可操作的連通的開關28。該開關28可用於啟動分配器26以分配受 控量的焊料18。開關28可設置為使得操作者可通常利用手指或者腳人 工地啟動開關28，或者可選擇地通過與傳感器(諸如使用電容的傳感 器)配合的自動控制來啟動開關。例如，操作者可起初將焊頭22接近 工件14、 16定位，例如電路板和線材，如所示。 一旦焊頭22處於理 想位置，操作者可通過操作帶有腳踏板開關的分配器26在焊頭22上 或者在焊頭22附近分配受控量的焊料18。雖然圖2可感到像例如手持 焊烙鐵的手動焊接系統，但是系統IO可以是自動的，例如，附連到機 器人定位系統上
正如前面所簡要描述的，該非溼式焊料接觸層32包括不 被熔融焊料19或者熔融焊料和焊劑的組合物潤溼的材料。該非溼式焊 料接觸層32可包括鉻或者鉻合金、鈦或者鈦合金、鈮或者鈮合金、鉬、鎢、金屬氮化物，例如氮化鈦、氮化鉻、或氮化鋁、金屬磷酸鹽化合 物，例如磷酸鋁化合物、金屬氧化物，例如氧化鋁、難熔金屬，例如鉑、 或者難熔金屬合金，例如鉑-銠合金、或者不熔金屬(即在正常操作溫 度下熔化的錫基本上不會滲入的金屬)。例如， 一種被出售的商標為
CERABLAKTM的、人們可購買到的磷酸鹽化合物可用於形成非溼式焊 料接觸層32，並且可從Evanston， Illinois的Applied Thin公司購買。不 可潤溼材料指的是不被熔融焊料19 (帶有或者不帶有焊劑)潤溼的材 料，目卩，熔融焊料19不易粘附在其上。所述材料是不可潤溼材料的一 個跡象是與非溼式焊料接觸層32接觸的熔融焊料19的液滴的接觸角 大於大約卯度。另一跡象是位於焊頭22上的熔融焊料19基本上以水 珠的形式從表面流出。非溼式焊料接觸層32可包括單獨的不可潤溼金 屬組分，或者可包括合金或者具有不可潤溼的總體特徵的組分的其它 組合。根據一個實施例，非溼式焊料接觸層32基本上由鉻、鈦、 氮化鉻、氮化鈦或者它們的組合組成。"基本上由…組成"指的是沒 有其它組分有意的增添到形成非溼式焊料接觸層32的材料中。然而， 來自原料的其它組分或者製造過程的雜質含量可被考慮。在另一實施例中，非溼式焊料接觸層32主要由鉻組成。 鉻可以通過本領域中已知的方法鍍在支撐結構30上。在該實施例中， 非溼式焊料接觸層32的厚度T,是至少大約50微英寸(大約1.3，)， 例如大約50微英寸到大約3000微英寸(大約1.3，到大約76.2，)。 鉻的更薄塗層可顯示出過量的孔隙度或者破裂的可能，它們使得熔融 焊料直接接觸支撐結構30。另一方面，更厚的塗層起初會降低傳遞到 焊料18和工件14、 16的熱。本領域技術人員可以理解，製造非溼式 焊料接觸層32的材料可指示非溼式焊料接觸層32的厚度。另外，在 那些實施例中，其中能量產生系統20是感應系統或者電源，非溼式焊 料接觸層32可足夠厚以提供熱質量，使得來自與焊料18和工件14、 16接觸的壓力不易於使非溼式焊料接觸層32變形或者降低非溼式焊料接觸層32的溫度。換言之，非溼式焊料接觸層32的構造應當提供機
械剛度，以及具有用於特定焊接工藝的足夠熱質量。焊料18可以是可購買的不同焊接合金中的一個，例如來 自East Providence, Rhode Island的EFD公司。焊料18可構造為線材， 例如圖1和2中所示，或者構造成作為第一組分的糊劑和作為第二組 分的焊劑。焊劑,例如水溶、不乾淨、中度活性松香或者活性松香可添 加到線材或糊劑中，以促進工件14、 16的潤溼。焊料18可包括一種或多種金屬。通過示例，焊料18可包 括錫、鉛、銀、鉍、銅或者銻或者合金或者它們的組合物。上述組分 的各種組合物的合金每一個都可具有特定應用。然而，普遍應用的焊 料合金包括，例如錫-鉛合金，如60Sn-40Pb和63Sn-37Pb。然而，"不 含鉛"的焊接合金是本領域中已知的，例如錫-銅和錫-銻基合金焊料。在隨後的焊接期間並參照圖2A，將非溼式焊料接觸層32 加熱到至少為焊料18的熔化溫度的溫度，並且通常不高於大約840V (450°c)，其被認定為焊接和更高溫度的銅焊工藝之間的邊界。例如， 錫-鉛焊料的熔化溫度是大約361.4V(18ac)，無鉛錫合金中的一些(例 如20Sn80Au)具有高達536V (280°c)的熔化溫度。結果，當焊料 18接觸非溼式焊料接觸層32時，焊料18熔化。因此，熔融焊料19接 觸非溼式焊料接觸層32以及工件14、 16。然而，不同於現有技術的焊 頭，熔融焊料19不會潤溼非溼式焊料接觸層32。換言之，與非溼式焊 料接觸層32接觸的熔融焊料19的液滴的接觸角大於大約90度，例如， 接近180度。由此，熔融焊料19不易於粘接到非溼式焊料接觸層32 上。現在參照圖3，在另一個實施例中，焊頭22包括覆蓋支撐 結構30的至少一部分的保護層34。非溼式焊料接觸層32與保護層34 熱連通，並且覆蓋支撐結構30的至少一部分。在一個實施例中，保護 層34可位於支撐結構30和非溼式焊料接觸層32之間並且與它們直接 並連續接觸。保護層34適於將熱從支撐結構30傳遞到非溼式焊料接 觸層32。如圖2中所示，保護層34還適於防止熔融焊料19直接接觸 支撐結構30。由此，在使用中，具有包括支撐結構30和非溼式焊料接 觸層32的焊頭22的焊接系統10應用受控量的焊料18在第一工件14 和第二工件16之間形成接頭12。最後，本發明的方法包括向與焊頭 22可操作的連通的分配器26提供焊料18。分配器26接近工件14、 16 中的一個或者兩個向焊頭22分配所分配量的焊料18。該方法還包括由 通過焊頭22傳導的熱加熱分配焊料18到至少它的熔化溫度，以提供 與非溼式焊料接觸層32和工件14、 16中的一個或者兩個相接觸的熔 融焊料19。接著焊頭22被撤回，留下分配的焊料冷卻並且在工件14、 16之間形成接頭12，幾乎沒有分配的焊料粘接到撤回的焊頭22上， 即撤回的焊頭22基本無熔融焊料19。該工藝可以在新工件上重複，每 個形成的接頭包含有大致相等量的焊料。
雖然已經通過不同優選實施例的描述說明本發明，並且雖然已經 較詳細地描述了這些實施例，但是申請人的意圖不是將所附的權利要 求的範圍限制到或者以任何方式限定到這樣的細節上。另外的優點和 改進對於本領域技術人員而言將顯而易見。依據用戶的需求和偏好， 本發明的各個特徵可以單獨使用或者以多種結合使用。
權利要求
1. 一種焊頭，包括非溼式焊料接觸層，其適於將熱傳導到焊料，從而熔化所述焊料並且與所述熔融焊料接觸，其中，所述非溼式焊料接觸層包括不可被所述熔融焊料潤溼的材料。
2. 根據權利要求1的焊頭，其中，所述非溼式焊料接觸層包括不 熔金屬、金屬氮化物、金屬氧化物、金屬磷酸鹽、難熔金屬或者它們 的組合中的至少一種。
3. 根據權利要求1的焊頭，其中，所述非溼式焊料接觸層包括鉻、 鈦、鈮、鉬、鎢、氮化鉻、氮化鋁、氮化鈦、磷酸鋁化合物或難熔金 屬或者它們的組合中的至少一種。
4. 根據權利要求l的焊頭，其中所述非溼式焊料接觸層基本上由 鉻、氮化鉻、鈦、氮化鈦或者它們的組合組成。
5. 根據權利要求l的焊頭，進一步包括支撐結構，其中所述非溼式焊料接觸層覆蓋所述支撐結構的至少一部分，並且與所述支撐結構 熱連通，所述支撐結構適於為所述非溼式焊料接觸層提供熱。
6. 根據權利要求5的焊頭，進一步包括在所述支撐結構與所述非 溼式焊料接觸層之間的保護層，所述保護層適於將來自所述支撐結構 的熱傳導到所述非溼式焊料接觸層。
7. 根據權利要求6的焊頭，其中所述保護層包含鐵。
8. —種焊烙鐵，包括非溼式焊料接觸層，其適於將熱傳導到焯料，從而熔化所述焊料，並且與所述熔融焊料接觸，其中，所述非溼式焊料接觸層包括不可被 所述熔融焊料潤溼的材料；以及能量產生系統，其與所述非溼式焊料接觸層可操作連通，其中， 所述能量產生系統適於促進熱的產生以熔化所述焊料。
9. 根據權利要求8的焊烙鐵，其中，所述能量產生系統包括感應 系統，所述感應系統適於感應加熱所述非溼式焊料接觸層。
10. 根據權利要求8的焊烙鐵，其中，所述能量產生系統包括與 所述非溼式焊料接觸層電連通的電源，使當電流通過所述非溼式焊料 接觸層時產生熱。
11. 根據權利要求8的焊烙鐵，進一步包括支撐結構，其中，所 述非溼式焊料接觸層覆蓋所述支撐結構的至少一部分，並且其中所述 能量產生系統與所述支撐結構連通，使得將來自所述支撐結構的熱傳 導到所述非溼式焊料接觸層。
12. 根據權利要求ll的焊烙鐵，其中，所述能量產生系統是適於 感應加熱所述支撐結構的感應系統。
13. 根據權利要求11的焊烙鐵，其中，所述能量產生系統包括與 所述支撐結構電連通的電源，使得當電流通過所述支撐結構時產生熱。
14. 根據權利要求11的焊烙鐵，其中，所述支撐結構是熱傳導芯， 並且其中所述能量產生系統是與所述熱傳導芯處於熱連通的熱產生系 統，使得熱從所述熱產生系統通過所述熱傳導芯流到所述非溼式焊料 接觸層。
15. —種焊接系統，其用於熔化焊料以在第一工件和第二工件之 間形成接頭，所述系統包括能量產生系統；焊頭，其與所述能量產生系統可操作連通，所述焊頭包括非溼式 焊料接觸層，所述非溼式焊料接觸層適於將熱傳導到焊料，以熔化所 述焊料並且與所述熔融焊料接觸，其中，所述非溼式焊料接觸層包括 不可被所述熔融焊料潤溼的材料；以及分配器，其適於將受控量的所述焊料分配到接近所述焊頭或所述 第一工件以及可選的所述第二工件的位置。
16. 根據權利要求15的焊接系統，其中，所述能量產生系統包括 適於在所述焊頭中感應加熱的感應系統。
17. 根據權利要求15的焊接系統，其中，所述能量產生系統包括 與所述非溼式焊料接觸層電連通的電源，使得當電流通過所述焊頭時 產生熱。
18. 根據權利要求15的焊接系統，進一步包括支撐結構，其中， 所述非溼式焊料接觸層覆蓋所述支撐結構的至少一部分，並且其中所 述能量產生系統與所述支撐結構可操作連通，使得將來自所述支撐結 構的熱傳導到所述非溼式焊料接觸層。
19. 根據權利要求18的焊接系統，其中，所述能量產生系統是適 於感應加熱所述支撐結構的感應系統。
20. 根據權利要求18的焊接系統，其中，所述能量產生系統包括 與所述支撐結構電連通的電源，使得當電流通過所述支撐結構時產生 熱。
21. 根據權利要求18的焊接系統，其中，所述支撐結構是熱傳導 芯，並且其中，所述能量產生系統是與所述熱傳導芯熱連通的熱產生 系統，使得熱從所述熱產生系統通過所述熱傳導芯流到所述非溼式焊料接觸層。
22. —種控制應用於形成接頭的焊料的量的方法，所述方法包括 提供焊料到分配器，其中，所述分配器與包含非溼式焊料接觸層的焊頭可操作連通；提供與第二工件接觸的第一工件；將所分配量的所述焊料從所述分配器分配到接近所述第一工件和 可選的所述第二工件的所述焊頭的位置；利用通過所述焊頭傳導的熱將所述焊料加熱到至少所述焊料的熔 化溫度的溫度，由此所述焊料在與所述非溼式焊料接觸層、所述第一工件、和可選的所述第二工件接觸的同時處於熔融狀態；以及當所述焊料處於所述熔融狀態時從所述焊料中撤回所述焊頭，其 中，所述焊頭基本上沒有所述熔融焊料。
23. 根據權利要求22的方法，其中，在撤回所述焊頭後並且在所 述熔融焊料冷卻時，第一接頭形成在所述第一工件與所述第二工件之間，所述第一接頭具有與所分配的所述焊料的量基本相等的第一量的 焊料。
24. 根據權利要求22的方法，進一步包括 提供與第四工件接觸的第三工件；從分配器向接近所述第三工件和可選的所述第四工件的所述焊頭 的第二位置分配第二分配量的所述焊料；利用通過所述焊頭傳導的熱將所述焊料加熱到至少所述焊料的熔 化溫度的溫度，由此所述焊料在與所述非溼式焊料接觸層、所述第三 工件、和可選的所述第四工件接觸時處於所述熔融狀態；以及當所述焊料處於所述熔融狀態時從所述焊料中撤回所述焊頭，其 中，所述焊頭基本上沒有所述熔融焊料，並且其中在所述熔融焊料冷 卻時，第二接頭形成在所述第三工件與所述第四工件之間，所述第二 接頭具有與所述第一接頭內的所述第一量的焊料基本相等的第二量的焊料。
25.根據權利要求22的方法，其中，提供所述焊料包括提供包含作為第一組分的焊劑和作為第二組分的焊料合金的焊料糊劑。
全文摘要
本發明涉及焊頭、焊烙鐵和焊接體系統。本發明描述了一種用於熔化焊料從而在第一工件和第二工件之間形成接頭的焊接系統。該系統可包括能量產生系統、焊頭和適於分配受控量的焊料的分配器。該焊頭包括與所述能量產生系統可操作地連通的非溼式焊料接觸層。該能量產生系統可包括感應、電子或與焊頭連通的熱產生系統。該非溼式焊料接觸層包括不被熔融焊料潤溼的材料。該系統允許控制接頭內焊料的量。
文檔編號B23K3/02GK101444865SQ20081017882
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月1日 優先權日2007年11月30日
發明者凱文·W·高格勒, 凱斯·惠勒, 小約翰·A·維瓦裡, 麥可·S·福蒂 申請人:諾信公司