密集焊接系統的製作方法

2023-09-21 09:04:45 2

專利名稱:密集焊接系統的製作方法
本發明涉及一種將電器元件和電子元件焊接到線路底板上去的系統。更具體地講，本發明是涉及把電器元件和電子元件以一次通過的方式，密集焊接在線路底板或類似物的上下兩面上改進的設備方法。本發明特別用於將表面固定的元件，如電路片之類，焊接到線路板的上下表面上;本發明將闡述有關這一應用。
然而，很明顯，本發明也可用於焊接只在上表面，僅具有通常穿孔固定元件，下表面僅具有表面固定的元件或二者的結合的線路板;還可用於焊接上表面既有通常的穿孔固定元件也有表面固定的元件，而下表面有表面固定的元件的線路板。
為適應小型電子儀器設備的最新要求，趨向使用小薄片型電子器件，如，用表面固定的元件和/或元件載體，固定在印刷線路板上以代替通常的分立型引線元件。表面固定元件技術的出現，對於線路板設計者已經能夠提供驚人效果，同時，為生產設計者提出了新挑戰。除了經常注意到的元件尺寸和幾何形狀的利用之外，線路板設計者在這樣的排佈中，有能力把元件分布在印刷線路板的上下兩面。
為把表面固定元件密集焊接到單面的線路板上，本技術領域：
已經提出了各種各樣的建議。有一項涉及到把元件固定在線路板的下表面上，例如，先使用環氧樹脂粘合劑或類似物質，然後用熔融的焊料使線路板的下表面和已固定的元件相結合，這是通過將線路板下表面和已固定的元件與熔融焊料實體相接觸的方式，例如，使其通過駐波形式的焊料波峰。美國專利4，465，219(Kenshi Kondo)描述過這樣一個過程。
也有人建議，使用焊膏，或焊接預加工物質等把表面固定的元件焊接到線路板的上表面上。在這項先有技術中，表面固定元件與合適的焊接預加工物料或焊膏一起裝在線路板的上表面的適當位置，然後，將線路板和所載元件加熱到足以軟熔焊料的溫度。在輻射爐或類似設備中烘烤線路板和元件就能夠使焊料加熱到軟熔。
另外，也可按照所謂的汽相焊接即凝聚焊接方法，將線路板和元件浸在加熱到焊料的熔點以上的熱蒸汽中。美國專利Nos.3，866，307和4，321，031中曾介紹過這種方法，並給出過示例。熱輻射軟熔焊接和汽相(凝聚)焊接在一定程度上已經得到了工業上的採用，儘管每項技術都有一定的缺陷。一方面，這些技術都比較慢，並且這兩項技術都容易使元件過熱而導致損壞熱敏元件。而且，熱輻射軟熔焊接對於射線遮蔽敏感，因此對於高密集度的應用不可能完全令人滿意。此外，凝聚焊接中使用的產生蒸汽的液體相當昂貴，並且液體的熱分解產物對健康有害。
這此以前的工藝方式，儘管有上述及其它的缺點;仍用於把表面固定元件焊接到線路板的單表面上;但是到目前為止，還沒有一種工藝方式對於焊接密集分布在印刷線路板的雙表面(相反的)上的元件可用一次通過的方式完成。
因此，本發明的一個主要目的是提供一種密集焊接系統，包括設備和方法，它克服了現有技術中的上述問題。
為將元件以一次通過的方式密集焊接到線路板的雙表面(相反的)上，提供一種改進的設備和方法是本發明的另一個目的。
其它的目的是顯而易見的，並將逐步在後面敘述。
因此，本發明包括涉及幾個步驟和這些步驟中的一個或多個相互之間的相關次序的工藝方法;以及具有特徵性及各部分之間特定關係的設備;這些將在下文的詳細說明中，在權利要求
指定的應用範圍中舉例闡述。
在本發明下述的詳細說明中，術語「元件」指的是所謂的無導線元件，但也包括具有金屬導電端子或引線的元件。術語「元件引線」指的是電器元件和電子元件的金屬導電端子部分，它與印刷線路板圖形聯結，即元件引線，端子，插頭，管腳，等等。這裡所用的術語「接合區」指的是在印刷線路板上的金屬圖形的這一部分，在此處，元件或元件引線用焊料與其聯接。這裡所用的關於線路板的術語「上表面」和「下表面」被簡單的定義為線路板的相對兩個板表面;術語「上部」和「下部」只表示根據本發明的方法線路板在焊接設備上進行焊接加工時的空間方位。這裡所用的術語「密集焊接」實際上指本領域中已知的幾種焊接技術中的任何一種，其中，(a)從熔化焊料本體將熔融焊料施用到線路板上，包括但不限於下述例舉的方法，振動焊，浸漬焊，澆焊，噴焊，分級焊和刮焊，(b)依靠在線路板上預先施用的預定形焊料或焊膏軟熔，使大多數焊點基本上同時形成。
本發明提供一種包括方法和設備新的系統，利用該系統，可將分布在印刷線路板兩個表面上的元件，一次通過性地密集焊接，機械地或電氣地聯接到印刷線路板上。更具體地講，根據本發明的工藝方法，一塊在上下表面布置了元件的線路板首先須經第一次密集焊接過程，在這一過程中，由於它通過了駐波形式的焊料波峰，板的下表面和其上的元件與熔化的焊料實體經過接觸。第一密集焊接也傳遞大量的熱能給線路板，這些熱能通過熱傳導到板的上表面。然後，給板的上表面提供另外的熱能以軟熔在板上表面上的預先施用的焊膏或預成形焊料。本發明的設備包括一個助焊區，在此處將助焊劑施用於線路板的下表面;一個預熱區，在該區活化助焊劑，並為焊接準備好線路板;一個第一次密集焊接區，在這裡印刷線路板的下表面同熔化的焊料池接觸;及一個第二次密集焊接區，在該區印刷線路板上表面上預先施用的焊膏或預成形焊料被加熱至軟熔。在本發明的優選實施方案中，第一焊接區包括一個由二個形成波動的焊料池組成的波焊機構，其中包括能形成雙向波的第一噴嘴和一個形成基本上是單向波的第二噴嘴;第二密集焊接區由一個有兩個噴嘴的對流加熱結構組成，可使加熱氣流垂直向下至線路板的上表面。在本發明中特別優先選用的實施中，熱流體包括熱空氣。設備的最後部分是在第一密集焊接區和第二密集焊接區之間依次定時地傳送線路板的裝置。
為了更充分地了解本發明的目的，應當結合附圖參見下面的詳細說明。
圖1是流程圖，表示本發明方法中的各種步驟;
圖2是一邊的正視圖，圖解表明本發明的密集焊接系統。
圖3是一個本發明的設備中第一焊接區部分，優先選用方式的放大圖。
圖4是本發明的設備中第二焊接區部分優先選用方式的放大圖。
圖5是一測量數具圖，表示按照本發明正在焊接過程中的線路板的上表面的時間溫度曲線。
在幾張圖中，相同數字表示相同的部分。
參考圖1和圖2，印刷線路板20裝在插入區22，在板的預定位置上帶有多於一個的電器元件和電子元件24，26。線路板20是一塊絕緣布線路板，在該板下表面28上有一條或多條印刷金屬導體。元件24以已知的方法用一種粘合劑，如抗熱的環氧樹脂粘合劑或類似物質暫時地粘在板下表面28的適當位置上。同樣，表面固定元件或同類元件26，也依靠施用於元件引出頭和線路圖接合區上的焊膏或類似物暫時粘在板的上表面30上。如果需要，元件26也可用環氧樹脂粘合劑或同類物粘在線路板上。
下一步是在助焊區40，用所謂的助焊劑處理線路板的下表面。助焊劑可以是本領域已知的任何助焊劑，並且可包括，例如水-白松香，活性松香或可溶於水的助焊劑。在助焊劑區40可用本領域已知的任何方法使用助焊劑，例如噴射，泡沫，刷，或用助焊劑波。
然後，線路板從助焊劑區40送至預加熱區42，在此處線路板預熱使助焊劑流動，並且驅除大部分助焊劑溶劑，以在線路板和元件引線上形成活性的焊劑層。預熱42可以用熱輻射或熱對流加熱，也可用輻射和對流結合的方法加熱，如本領域已熟知的那樣。
經助焊劑處理並預熱後的線路板隨後送到第一密集焊接區46，在本發明優先選用的方案中，此處是包括二個波焊接池和噴嘴的整體結構。參考圖2和圖3。密集焊接區46包括一個一般的槽，通常指50，用以容納並提供熔化的焊料52。
槽50的底部和/或側面可用常規的加熱方法加熱，或常規的加熱器浸在焊料中加熱，以保持提供熔化狀態的焊料52。
標號分別為60和62的第一和第二焊接池和噴嘴機構安置在槽50的內部。典型的第一個焊接池和噴嘴機構60包括底壁64，二傾斜的邊壁66，68，一對基本垂直相對的端壁70，僅示出它們中的一個。端壁70和端壁66和68的上端相互之間有間隔，形成一個窄長的矩形噴嘴或窄縫72，它伸到槽50內熔化的焊料液面上的適當距離，即在水平面上方1英寸。
優先選用的焊料池還包括一對可調節的擋板76A和B，它與池邊壁66和68隔開以控制從噴嘴60的焊料溢流，例如按照美國專利3，398，873(Kennth G. Boynton)的技術。通過聯結在焊料槽和噴嘴結構60的底部位的進口管和變速泵(圖中未示出)，使在池中的焊料上升，並且以其動量具有較大的垂直分量的窄條焊波的形式從噴嘴72溢流出來。
第二個焊接池和噴嘴機構62是按照美國專利4，208，002(Matthias F Comerford，er al.)的技術製造的焊接池和噴嘴裝置。因此，第二焊接池和噴嘴機構62包括向上傾斜延伸的前壁80和後壁82，及一對垂直延伸的邊壁聯結形成噴嘴腔88，其形狀為向上伸出開口端，且斷面面積隋之增加的空腔。一個形成Z字形的隔板90至於噴嘴腔88中，用它分配池中用泵向上打的熔化的焊料，使之形成寬且流暢的基本上的單向焊料波。第二可變速泵(沒有示出)與第一變速泵獨立調節。它通過安置在池和噴嘴機構62的較低端的吸入管94聯通，用泵將熔化的焊料打入池中，焊料在池中上升並從噴嘴88中溢出，形成一基本上單問的焊料駐波。它的流向(箭頭96)與線路板和傳輸帶的運行方向相反，如箭頭98所指，優先選用按照美國專利3，058，441(Waeker)的技術，為油相互混合操作所安排的池和噴嘴裝置。
緊跟第一密集焊接區46之後是除去過量焊料區100，可選擇性地採用，但最還是使用該區。過量焊料清除區100在操作順序中緊隨著第一密集區42，將它設計成，能使線路板下表面上的，任何相互聯結點上的，元件引線上的，和/或線路板所載文件本身上的過量焊料，在它們以短路，焊料塊和/或虛焊的形式凝固之前清除和/或重置，例如按照美國專利4，410，126(Harold T，o′Rourke)的方法處理。焊料清除區100包括一個或多個熱流噴嘴，氣流刀，氣流縫隙、噴嘴或類似物，圖中標號為102，從中噴出的熱氣流，優先選用熱空氣，直接噴向板的底表面。惰性氣體可用作為氣流，但優先選用的氣流是熱空氣。熱空氣還可以形成表面固定元件的輪廓的圖形噴射，並且用它重置在板上的熔化焊料以保證包括相鄰基片元件之間的凹處的整個線路板上有良好的焊料覆蓋。焊料清除區100也可使用水平的傳輸帶，它的某些優點將在下文敘述。熱氣流刀102應當這樣定向，使得熱空氣的噴射方向正對著線路板運行的方向。通常，噴嘴102安置在與水平面有大約30°至80°之間的角度上;優先選用與水平面有大約50°至65°之間的角度。精確的角度可依靠線路板運行的角度改變。在基本上是水平的傳輸線的情況下，噴嘴102優先選用與水平線成60°的角度。
空氣應當預熱到至少等於焊料的液態溫度，優先選用的溫度是在大約90°-200℃(從噴嘴102的出口測量)，高於焊料的液態溫度。對於63/37合金焊料，空氣應當加熱至大約395℃的溫度(在噴嘴102的出口測量)。
如在美國專利4，410，126(Harold T.O′Rourke)中所披露，氣流(熱空氣)衝擊線路板底面上的，相互聯接部分上的，元件引線和/或元件本體上的，仍然處於熔化狀態的焊料，它應當有足夠的速度以重置和/或清除過量焊料，使得焊料凝固形成短路或虛焊的可能性最小;但速度不應當大到會防礙還很大程度是液態的焊料聯接點的程度。通常，在空氣加熱到大約395℃的溫度時，空氣將具有大約是1-2米/秒的流速(在噴嘴102的出口處測量)。適當的溫度/壓力參數將由經驗決定。如果希望有一個較小的量，那麼可按美國專利4，410，126(O′Rourke)中所述，用將液體吸入的方法，在氣流中混入高達20%(重量)的液滴，例如焊油和/或液態助焊劑液滴。
正如估計的那樣，線路板20和元件穿過兩次焊接波並通過選擇的熱空氣流刀，將足夠的熱能傳給線路板的底表面。然而，因為線路板本身不是良好的傳熱體，板底表面得到的熱能只是緩慢地穿過線路板到板的上表面。在酚醛構成的線路板兩面，並且板厚度約為62密爾(mil)的情況下，已經可看到，在線路板從第二焊接波中出現至線路板的上表面溫度達到最大值之間，有15-20秒時間的延遲。況且，依靠從焊接波和選擇的熱空氣流刀中輸入的熱量板的上表面最終達到的溫度本身對熔化上表面的焊膏和/或預成形焊料是不夠的。
本發明可使從波焊接中輸入的熱能得到最大限度的利用，再添加足夠的熱能，提高線路板上表面的溫度，使其高到足以軟熔線路板上表面上的焊膏和/或預成形焊料。這可在線路板上表面焊料軟熔區110完成，如下文詳細闡述。
如上文所述，在板從第二次焊接波中出現至板的上表面溫度達到最大值之間有一時間延遲。為了在這一延遲時間內，使線路板上的熱能損失最小，在密集波焊接區46和軟熔區110之間最好設置一個焊接後保持區111。該區最好包括安裝在線路板的通道上面的一個或多個加熱器112。焊後加熱器112的主要功能是當熱量從線路板的下表面穿過板到板的上表面時，保持線路板的溫度環境，同時也可給正被處理的線路板添加一些熱量。如本領域所公知，焊後加熱器可是幅射加熱器或傳導加熱器，或二者結合的加熱器。焊後加熱器112優先選用包括一個或多個拋物面的紅外加熱器，固定在線路板上表面的上方。
依序緊接在焊後加熱器112後面為軟熔區110。軟熔區可由幅射爐組成，但優先選用的是由一個或多個熱氣流刀，噴氣嘴，噴氣縫，噴嘴或類似物組成，如114和116所示，從中噴出的低壓熱氣流直接到板的上表面。氣流刀114和116在結構上和氣流噴嘴102相同，並安排它能射出熱氣流到板的上表面上，優先選用熱空氣流刀。在一定的情況下，可使用單個的空氣流刀;然而，已經發現，通過使用典型的單個空氣流刀，所達到的溫度最大值不能使線路板上表面的溫度上升到使其充分軟熔的溫度。在另一方面，已經發現在線路板的上方，結合使用兩個鄰近的熱空氣流刀，例如相踞4.5英寸，並且它們與線路板的距離在1/4-1/8英寸範圍內，在線路板上表面上形成的溫度最大值，意外地高到是以使其充分軟熔。這在圖5中示出，圖5說明本發明的焊接過程中，線路板的上表面的時間/溫度曲線。
空氣流刀114和116需要把空氣預熱到250-425℃範圍內，這樣才能提供所期望的溫度峰值。不同於在系統中鄰近波焊接區46的防虛焊噴嘴102，通過噴嘴114和116的氣流速度應當調節得相當低，典型值可以是從噴嘴102噴出空氣的速度的1/10至1/15。根據線路板的厚度，環境溫度，預成形焊料或焊膏的熔點，氣體或空氣的比熱，氣體對線路板的熱傳導係數，線路板的尺寸和形狀，元件密度，沉積的預成形焊料或焊膏的量，傳送帶的速度和焊接區62和軟熔區110之間的距離，空氣流量，空氣溫度，空氣壓力和線路板從波焊接區出現到由熱空氣流開始接觸線路板上表面之間的時間可以在很寬的範圍內改變。如上所述，根據經驗已確定線路板從波焊接中出來到上表面溫度達到最大值之間有15～20秒的時間延遲。因此，應當選擇傳送的速度和焊接區62到軟熔區110之間的距離，以利用上表面溫度的最大值的優勢。
焊膏可是任何商業出售的焊膏。優先選用的焊膏是懸浮在助焊材料和載體中的350目焊料粉。最好是但不是必需是，所用焊膏和在波焊接區使用的焊料有相同的化學組成，這樣才能使在焊接線路板的上下兩面上的焊料結構相同。市售多種焊膏，可用於本發明。
設備的最後部分是傳送系統120。它是普通的結構，其典型結構包括一對間隔傳送軌122和124和適當的傳動裝置(沒有示出)。最好傳送系統110基本上在水平方面上運行，這才能使焊接過程中的線路板由傳送器120沿著水平方向線路運載。氣流刀102在第二焊接池和噴嘴62後馬上提供，這樣就保證即使是水平的形式中也無虛焊。在水平形式操作中，線路板上表面上的元件位置改變的可能性最小。使用水平傳送系統還簡化裝卸轉換。
本發明的特徵和優點是在一次通過性焊結系統中，密集焊接線路板兩面的焊接能力。這一成果實際上提高了經濟效益，另外，將線路板組件的溫度循環限定為單循環。
不脫離這裡所述的發明特徵，在上述發明中可有各種變化。例如，在密度特別高的線路板的情況下，如果需要附加熱氣流，在軟熔區110可使用三個或更多的熱氣流刀。還有，軟熔區110可包括幅射加熱器或輻射和傳遞相結合的加熱器。如果需要，在軟熔區110後面，還可提供最後的冷卻噴嘴。
不違背本發明的精神和範圍，按照本發明還有其它變化。事實上，上述說明書或附圖中所示的全部內容是說明解釋，而不是範圍的限制。
權利要求
1.用於密集焊接粘在線路板上並布置在線路板的下表面和上表面上的電器元件和電子元件的裝置，其特徵在於該裝置包括密集焊接區(46)將一定量的熔化焊料沉積到線路板的下表面和粘結到其上的任何元件上，由此將所說元件電氣和機械地聯接到線路板的下表面上；焊料軟熔區(110)加熱上述線路板的上表面以便充分軟熔上表面的預成形焊料和/或焊膏，由此將上表面上的任何元件電氣和機械地聯結到線路板的上表面上；在密集焊接區和焊料軟熔區之間按定時順序依次運送線路板的裝置(120)，上述定時順序調節到使攜帶線路板進入軟熔區的時刻是或接近熱傳遞過線路板且使其上表面溫度已經達到其最大值的時刻。
2.按照權利要求
1所述的裝置，其特徵在於包括加熱裝置(112)，優先選用在密集焊接區(46)和焊料軟熔區(110)之間至少安裝一個輻射加熱器，以便保持線路板在焊接區之間傳送時的溫度。
3.按照權利要求
1或2所述的裝置，其特徵在於還包括密集焊接區之後的過量焊料清除區(100);所述的過量焊料清除區包括至少一個噴氣嘴(102)，置於線路板的通道下面，並適於在焊料完全固化之前，把氣流直接噴到線路板的下表面和下表面上的元件新沉積的焊料上;一個壓縮氣流源，優先選用壓縮空氣;及聯接所述的壓縮氣流源和所述的噴氣嘴的裝置;所述的過量焊料清除區適合於，在線路板的下表面和其上元件上沉積的焊料以焊料凌塊和/或虛焊的形式完全凝固之前，重置或清除部分熔化的焊料。
4.按照權利要求
1至3中任何一項所述的裝置，其特徵在於，在所說的軟熔區包括至少一個設置在線路板的通道上面的噴氣嘴(114，116)並且適用於把氣流直接噴到線路板的上表面;一個壓縮氣流源，優先選用壓縮空氣;及聯接氣流源和噴氣嘴的裝置;以及將所說氣流加熱到足夠的溫度，使其能升高線路板上表面的溫度至軟熔線路板上面的任何預成形焊料或焊膏的裝置。
5.按照權利要求
4所述的裝置，其特徵在於包括至少兩個基本上垂直朝下的噴氣嘴(114，116)依次沿著所述的通道排列。
6.按照權利要求
4所述的裝置，其特徵在於，它包括把所說的氣體加熱到350℃至425℃的範圍內的裝置。
7.按照權利要求
1至6任何一項所述的裝置，其特徵在於，在密集焊接區中包括一個由第一和第二波焊構成的焊料池組成的組合結構(46)。
8.按照權利要求
7中所述的裝置，其特徵在於第一焊接池(60)中包括一個池和噴嘴，它們能產生具有較大垂直分量的動量的窄焊料波;所述的第二焊接池(62)包括一個池和一個噴嘴，噴嘴可產生基本上單向的流動方向與線路板的運行方向相對的焊料波。
9.用焊料密集焊接布置在線路板兩面的電路元件和電子元件的方法，其特徵在於包括如下步驟將一定量的熔化焊料沉積在線路板的下表面和下表面上的元件上，並且允許其上的焊料凝固;將所說的線路板保持在一定的條件下，由此允許線路板的下表面的熱能穿過線路板上升到所說的線路板的上表面，並且由於熱傳導使該板的上表面基本上達到溫度的最大值;此後立即加熱線路板上表面，使其溫度能充分軟熔其上面的任何預成形焊料或焊膏。
10.按照權利要求
9所述方法，其特徵在於，緊隨著在線路板下表面上施用熔化焊料後的15～20秒之內，進行加熱軟熔。
11.按照權利要求
9或10所述方法，其特徵在於，為使線路板上熱能損失最小，在一定的條件下保持線路板期間，包括將線路板保持在一個加熱的或絕熱的環境中的步驟。
專利摘要
闡述一種改進線的路板的焊接設備和方法，其特徵在於以一次通過的方式密集焊接布置在線路板或同類物的上下兩表面的電器和電子元件。
文檔編號H05K3/30GK86101014SQ86101014
公開日1986年9月24日 申請日期1986年2月20日
發明者馬思斯·F·科莫福德 申請人:霍利斯自動化公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan