CN100340141C - 管脚结构制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备管脚结构的方法，当一个电子元件通过回流加工法安装在印刷电路板上时，印刷电路板上熔化了的焊料膏被强制性地冷却以使焊料膏固化，冷却速度为1.5℃/秒或更高。

Description

管脚结构制造方法
发明领域
本发明涉及一种管脚结构的制造方法，所述管脚结构具有许多通过焊接安装在印刷电路板(以下称作PCB)上的电子元件，还涉及一种管脚结构。更为具体地说，本发明涉及一种具有通过回流焊接焊接在PCB的至少一面上的电子元件的管脚结构的制造方法，还涉及一种管脚结构。
发明背景
焊接一般用于将许多电子元件安装在PCB上。下面，将通过示意图描述通过焊接安装电子元件的方法。
首先参照图1A-1F，用一个例子来说明通过回流焊接将电子元件安装到PCB的两个表面上的过程。
首先，用一块只在对应于焊接区的位置有开口的印刷掩膜(未示出)将焊料膏81印在PCB 80的某位置(未示出)上。其次，将表面安装元件82如芯片元件、QFP(四列扁平封装件)、SOP(小外形封装件)等放置在印刷到焊接区上的焊料膏81上(图1B)。
然后，通过使带有表面安装元件82的PCB 80通过高温炉将焊料膏81熔化来焊接带有PCB 80的铜箔的表面安装元件82的引线(图1C)。通过上述各步骤，表面安装元件82通过回流被焊接在PCB 80的一个面上。
接下来，翻转PCB 80，将焊料膏83印在PCB 80的没有安装电子元件的另一面上(图1D)。表面安装元件84通过在图1A、1B中描述的相似步骤被放置在焊料膏83上(图1E)。随后，采用图1C(图1F)描述的相似方法通过使PCB 80通过熔炉来焊接表面安装元件84。
不能经受上面提到的回流加工中熔炉高温的电子元件，需要在回流加工结束后进行手工焊接。
参照图2，用一个例子说明在PCB的一面上用回流方法焊接电子元件，然后用流动方法在PCB的另一面上焊接电子元件的回流/流动复合方法。
首先，按照与图1A、1B相似的步骤，印刷焊料膏81(图2A)，将表面安装元件82放置在PCB 80的一面上的焊料膏81上(图2B)。然后，按与图1C(图2C)类似的步骤使PCB 80通过一个熔炉来焊接表面安装元件82。通过上述各步骤，就已使表面安装元件82通过回流而焊接在PCB80的一面上。
接着，从安装有安装元件82的PCB 80的一面上，将电子元件85(以下称作穿孔件85)的引线穿过PCB 80的通孔来负载穿孔件85(图2D)。
随后使其上载有穿孔件85的PCB 80通过熔炉内的一个焊锡槽。然后将熔化的焊锡86从焊锡槽中喷向PCB 80另一面上的穿孔件85的引线，以将穿孔件85的引线与PCB 80的铜箔焊在一起(图2E)。
不能经受上面提到回流加工中熔炉高温的电子元件，以及通过流动加工安装有困难的电子元件，需要在流动加工结束后进行手工焊接。
在常规的将电子元件安装到PCB上的工艺中，一般使用Sn-Pb焊料作为焊料膏。由于Sn-Pb焊料包含有毒的重金属Pb，若包含这些PCB的电子器件使用后没有进行适当的处理，就会对环境产生不利影响。由于这个原因，最近有在PCB上使用无Pb的焊接材料的需求，以便防止环境污染。
通常，Sn-Ag焊料是众所周知的无铅焊料。由于Sn-Ag焊料显示出相对稳定的特性，当用Sn-Ag焊料将电子元件安装到PCB上时，与用Sn-Pb焊料一样可靠。Sn-Ag焊料所存在的一个问题是，其熔点大约为220℃，较熔点大约为183℃的Sn-Pb焊料要高。因此，很难直接利用使用Sn-Pb焊料的安装设备和安装方法用Sn-Ag焊料来焊接电子元件。特别是，由于一般电子元件具有约为230℃的耐热温度，若将Sn-Ag焊料在回流炉中进行熔化来焊接电子元件，电子元件的温度有可能达240℃或更高。因此，用Sn-Ag焊料安装大量电子元件意味着电子元件需要能够经受更高的温度。
另一种无Pb焊料是Sn-Zn焊料，它不像Sn-Ag焊料那样具有高熔点，它的熔点略低于200℃。因此，当Sn-Zn焊料被用来安装电子元件时，能够使用传统的设备和电子元件。
然而，与传统Sn-Pb焊料相比，前述Sn-Zn焊料的缺点是Zn非常容易氧化，并且润湿性差。这使得如果利用传统设备和安装方法，用Sn-Zn焊料安装电子元件，很难保证与以前相似的焊接质量和可靠性。
作为一种改善Sn-Zn焊料润湿性的方法，通常是在Sn-Zn焊料中加入Bi。应用这种Sn-Zn-Bi焊料进行回流加工的技术已在某些地方公开了。
然而，当Sn-Zn-Bi焊料采用具有用目前最普通的Sn-Pb电镀涂覆的引线的电子元件进行回流时，传统的回流加工将造成Sn-Zn-Pb和Sn-Pb-Bi的偏析，这是由于在焊接区和焊料的界面的周围区域Sn-Pb电镀的主要成份Pb与Sn-Zn-Bi焊料的组分Sn-Zn-Bi发生反应，导致低强度/低熔点合金层的形成。结果，在这些界面区域中低强度/低熔点合金会给安装质量和可靠性带来负面影响。特别是，在前述双面回流加工的第二次回流加工过程中，以及回流/流动复合过程的流动加工中，在其上已事先安装电子元件的一侧，诸如Sn-Zn-Pb和Sn-Pb-Bi等低强度/低熔点合金的偏析会进一步发展。因此，在前述双面回流方法的第二次回流加工中，以及回流/流动复合方法的流动加工中会出现如下现象：在冷却焊料的冷却步骤中，低强度/低熔点合金在焊接区和焊料界面上独自保持未固化。当弯或扭PCB时，这会增加界面区域中电子元件的结合的部分分层或完全破坏的可能性。这种现象在放置于例如QFP、SOP或相似电子元件的四个角处的引线中是很突出的，非常易于受到弯或扭PCB时产生的应力的影响。
发明概述
本发明的目的在于提供一种生产管脚结构的方法，此方法能够防止在焊接区和焊料界面附近低强度/低熔点合金层的形成，从而充分保证焊料结合的质量和可靠性，本发明的目的还在于提供所述的管脚结构。
为达到上述目的，按照本发明的制造管脚结构的方法，能够对印刷电路板上熔化的焊料膏以1.5℃/秒或更高的速度进行强制冷却和固化。
以这种方式，在印刷电路板焊接区和焊料之间的界面的周围区域，在低强度/低熔点合金偏板前，焊料膏能够以均匀的组成固化。这就抑制了印刷电路板上焊接区和焊料之间的界面的周围区域低强度/低熔点合金层的形成，保证了焊料结合的质量和可靠性。例如，当Sn-Zn-Bi合金被用作焊料膏时，从改善无铅Sn-Zn焊料润湿性的观点看，对于焊接一个具有用含铅镀膜覆盖的引线的电子元件来说，可能防止Sn-Zn-Pb(其熔点为177℃)和Sn-Pb-Bi(熔点98℃)的偏析。
当含3％或更少量Bi的Sn-Zn-Bi合金被用作焊料时，可能进一步抑制Sn-Pb-Bi的偏析。此外，当含有少于3wt％的Bi时，Sn-Pb-Bi焊料的柔韧性能被提高，因此也可能改善对环境变化如室温的耐久性。
此外，当两种或更多种焊料粉末被混入用于本发明的焊料膏时，所得到的焊料膏显示出在液态和固态间有很大的温度差别，因此使得抑制芯片堆积缺陷(chip build-up defect)成为可能。
为进行印刷电路板的双面回流加工(包括先在一面进行第一次回流，然后在另一面进行第二次回流)，在印刷板两面的焊料被以1.5℃/秒或更高的冷却速度从熔融状态强制冷却和凝固。在这种场合下，甚至在电路板经历了第二次回流之后，也能防止印刷板已通过第一步回流安装电子元件的那一面上焊接区和焊料的界面周边区域的Sn-Zn-Pb cnl Sn-Pb-Bi的偏析，因此使得有可能保证基于焊料的结合的质量和可靠性。
为进行回流/流动复合加工(包括在电路板一面的回流步骤和另一面的流动步骤)，流动步骤期间，当印刷电路板一面上的焊料被维持在170℃或更低的温度时进行流动加工。此时，可以防止，印刷板上已在回流步骤中安装电子元件的那一面上，回流步骤中形成的很少量Sn-Zn-Pb在流动加工步骤中被再次熔化。因此，甚至在电路板经过了流动加工以后，它也可能保证在印刷电路板一面上焊接的质量和可靠性。
通过下面描述并参照描述本发明实例的附图，本发明上面及其它目的，特点及优势将会变得更加明显。
附图的简单描述
图1A是解释双面回流加工过程的示意图(现有技术)；
图1B是解释双面回流加工过程的示意图(现有技术)；
图1C是解释双面回流加工过程的示意图(现有技术)；
图1D是解释双面回流加工过程的示意图(现有技术)；
图1E是解释双面回流加工过程的示意图(现有技术)；
图1F是解释双面回流加工过程的示意图(现有技术)；
图2A是解释回流/流动复合过程的示意图(现有技术)；
图2B是解释回流/流动复合过程的示意图(现有技术)；
图2C是解释回流/流动复合过程的示意图(现有技术)；
图2D是解释回流/流动复合过程的示意图(现有技术)；
图2E是解释回流/流动复合过程的示意图(现有技术)；
图3是用于本发明第一、第二实施方案的回流加工装置图；
图4是图3中回流加工装置内温度变化曲线图；
图5是解释通过焊接连结的电子元件一部分引线的组成的示意图；
图6是图5中通过焊接连结的电子元件部分引线的放大图；
图7是用于本发明第二种实施方案中的流动加工装置的示意图；
图8是解释在回流/流动复合加工过程中的流动加工期间，调节已在通过回流加工安装在PCB一个面上的通过焊接连接的电子元件的一部分温度的一种示范方法的示意图；
图9A是解释在回流/流动复合加工过程中的流动加工期间，调节已在通过回流加工安装在PCB一个面上的通过焊接连接的电子元件的一部分温度的另一种示范方法的示意图；和
图9B是解释在回流/流动复合加工过程中的流动加工期间，调节已在通过回流加工安装在PCB一个面上的通过焊接连接的电子元件的一部分温度的再一种示范方法的示意图。
优选实施方案的描述
第一种实施方案
在第一种实施方案中，管脚结构是通过双面回流加工过程制造，以将电子元件通过回流加工焊接在PCB两面上。
用于第一种实施方案的回流加工的回流装置对具有许多电子元件的PCB进行回流加工，所述的电子元件安装在已在前面步骤中印在焊接区上的焊料上。回流装置将Sn-Zn-Bi合金，即含有Bi的Sn-Zn合金，作为焊料。一个带有覆盖有含铅镀层的引线的电子元件用作安装在PCB上的电子元件之一。
正如图3所示，用于第一种实施方案回流加工的回流装置1包含有熔炉6，熔炉6用于在PCB 3上进行回流加工。在熔炉6的一端面处有入口7以在PCB 3上进行回流加工，在另一端面上有出口8以除去回流加工后的PCB 3。要确保熔炉6内部的气密性。
回流装置1也包含输送机构11以在熔炉6内输送PCB 3；加热元件12以加热和熔化PCB 3上的焊料；和冷却元件13以使PCB 3上被加热和熔化的焊料膏冷却和凝固。
输送机构11有其上载有PCB 3的输送器15；和一个驱动机构(未显示)用来沿输送路径以预定的输送速度按图3中箭头指示方向驱动输送器15。对于输送器15的输送路径是在熔炉6内从入口7移动到出口8。输送机构11，例如，以大约0.7米/分钟的输送速度输送PCB 3。
加热元件12和冷却元件13在熔炉6内部沿输送路径分别安置。各加热元件12安置在靠近入口7处的在中间隔有输送路径的彼此相对的位置。各冷却元件13安置在靠近出口8处的在中间隔有输送路径的彼此相对的位置。
每个加工元件12都沿着输送机构11的输送路径的顺序设有预热器16和加热器17，预热器16用于将焊料膏预先加热到预设温度并维持该加热的焊料膏，加热器17用于将焊料膏加热到其熔点或更高温度以熔化焊料膏。
每个冷却元件13都有冷却扇18用以将冷却气送给PCB 3；一个冷却回路(未示出)用以冷却由冷却扇18送来的冷空气。冷却回路设置成能够循环事先确定的制冷剂。然后，冷却元件13被设置用来以1.5℃/秒或更高速度使PCB 3上被加热到约210℃或更高温度的焊料膏冷却和凝固。
下面，对用图3所示回流装置1进行的双面回流加工作一描述。相应地，参照图4，对回流装置1内的焊料膏温度变化加以描述。图4中，垂直轴代表靠近PCB 3上电子元件引线的焊料膏温度(℃)，水平轴代表时间(秒)。此外，图4中，实线L1表示使用第一种实施方案的回流装置1时焊料膏的温度变化曲线，虚线L2表示使用传统回流装置时焊料的温度变化曲线。
首先，其上印刷有焊料膏并在其一面上安装有电子元件的PCB 3被引入回流装置1的熔炉6中。
引入熔炉6的PCB 3被输送机构11沿输送路径输送，PCB 3上的焊料膏被加热元件12所加热。
正如图4中实线L1所示，当用熔点略低于200℃的Sn-Zn-Bi焊料，例如作为被印在PCB 3的焊料膏时，PCB 3上被输送机构11从入口7引进熔炉6的焊料膏，例如，PCB 3进入135至145秒(时间t1)后，被用加热元件12的预热器16加热到大约150℃-170℃(温度X1)。PCB 3上被加热到大约温度X1的焊料膏被预热器16维持在此温度80-100秒。
然后，从PCB进入后的215-245秒(时间t2)后，预热完成。维持在温度X1的PCB 3被输送机构11进一步输送。PCB进入265-305秒(时间t3)后，PCB 3上的焊料膏被加热元件12的加热器17加热到大约210℃(温度X3)或更高而熔化。
随后，PCB 3被输送机构11进一步输送，PCB 3上熔化的焊料膏在大约13秒内(冷却时间T)被冷却扇18冷却至约190℃(温度X2)或更低温度。在这种情况下，冷却元件13使PCB 3上的焊料膏以1.5℃/秒或更高的速度冷却和凝固。
在PCB 3上，熔化的焊料膏被冷却元件13冷却至熔点或更低温度并凝固，从而安装电子元件。冷却的PCB 3在引入278-318秒(时间t4)后从出口8移走，在室温下放置预定时间。PCB 3防止了焊接区和焊料界面处低强度/低熔点合金层的形成，低强度/低熔点合金层的形成是由于由Pb(引线上镀膜成分之一)制成的Sn-Zn-Pb(熔点177℃)、Sn-Pb-Bi(熔点98℃)和Sn-Zn-Bi(Sn-Zn-Bi焊料的成分)产生的偏析造成的。结果，电子元件被牢固结合在PCB 3上。
另一方面，如图4中虚线L2所示，传统的回流加工中冷却元件13以大约0.5℃-0.8℃/秒的冷却速度使PCB 3上的焊料膏冷却并凝固。在其上以这样的速度冷却、凝固焊料的PCB 3上，在焊接区和焊料之间的界面上有Sn-Zn-Pb和Sn-Pb-Bi偏析，导致界面处低强度/低熔点合金层的形成。
具体地说，第一种实施方案的回流加工以传统回流加工大约2-3倍的速度使焊料膏冷却和凝固，这能从代表冷却速度的冷却曲线L1的斜度看出来，它比传统回流加工的冷却曲线L2的斜度更陡。由于这个原因，Pb从安装在PCB 3上电子元件引线上镀膜进行扩散，这样在焊接区与焊料界面处Sn-Zn-Pb和Sn-Pb-Bi偏析之前，焊料膏能以均匀组成加以凝固。
由于这防止了焊接区和焊料界面上由于Sn-Zn-Pb和Sn-Pb-Bi偏析而形成的低强度/低熔点合金层，在PCB 3的一个面上安装的电子元件用焊料以确保的足够强度进行焊接，因此防止了有缺陷的焊接。
随后，回流装置1的熔炉6接受PCB 3，PCB 3具有在上一步中通过回流加工在其一面上安装的电子元件，还具有被放置在印到另一面上的焊料膏上的电子元件。
接下来，以与前面提到的在回流装置1的熔炉6内PCB 3的一个面上进行的回流加工相似的方式，对PCB的另一面进行回流加工。因此，安装在PCB 3的另一面上的电子元件也通过焊料以足够强度结合，因此防止了有缺陷的焊接。
在这种情况下，在PCB 3的一个面上事先通过回流安装的电子元件的引线上的焊料膏也用冷却元件13以1.5℃/秒或更高速度快速冷却。因此，即使PCB 3的一个面上的焊料膏又被加热元件12加热熔化，焊料膏也能够快速冷却和凝固。这样，事先安装在PCB 3的一个面上的电子元件能够用焊料以足够强度结合，甚至在PCB 3经受了另一面回流加工之后也能防止有缺陷的焊接。
应该注意的是，由于在PCB 3的一个面上第一次回流加工过程中其上安装的电子元件的影响，在PCB 3的另一面上进行第二次回流加工的过程中，全部PCB 3与第一次回流加工过程中PCB 3相比有了更大的热容，从而使焊料膏温度更不易冷却。由于这个原因，假如第一次回流加工与第二回流加工中冷却元件13简单地相同设置，第二回流加工中的冷却速度将会更低。因此，需要设定冷却元件13以使在第二次回流加工中的冷却速度比第一次回流加工中的冷却速度要高。
在第一种实现方案的回流加工中，冷却元件13的冷却速度被设置在1.5℃/秒甚至更高，以防止Sn-Zn-Pb(熔点177℃)和Sn-Pb-Bi(熔点98℃)的偏析。其中，通过将Sn-Zn-Bi焊料中的Bi含量减少到低于3wt％，可以进一步抑制Sn-Pb-Bi的偏析。
现在参照图5和图6，对于，当含3wt％Bi的Sn-Zn-Bi焊料用作焊料膏并且Sn-Pb合金被用作覆盖电子元件引线的镀膜时，如何通过焊接来连接电子元件引线加以描述。
参照图5，它显示了通过第一次回流加工安装在PCB一个面上的电子元件的通过焊接进行连接的引线的组成。图5显示了在PCB的另一面上进行第二次回流加工前的组成。为确定Sn-Zn-Bi焊料中Bi最佳含量，这里使用的回流装置是一个传统回流装置，该装置以0.5℃-0.8℃/秒速度使熔融的焊料膏冷却和凝固。此外，在图5中，最上面的图展示了一个通过焊接连接的电子元件引线局部放大断面图，一个标有“SEM”的图是在最上面图中虚线包围部分(PAD)的进一步放大断面图。标有元素名，例如“Pb”的图片显示了在标为“SEM”的图中所示区域内有无相关元素存在，其中有相关元素存在的地方会在图中呈现白色。
如图5所示，除了Sn、Zn、Pb存在于通过焊接连接的电子元件的引线部分外，从Bi被探测出的事实，即使是极少量Sn-Pb-Bi和Sn-Zn-Pb的偏析也能够发现。应该注意，在图5中，Cu、Fe、Ni也被探测出，显示出Cu(PCB铜箔的组分)，Fe、Ni(电子元件引线的组分)已被探测到。
参照图6，显示了在PCB另一面进行第二次回流加工后焊接的电子元件的引线部分的放大照片。
如图6所示，在第一次回流加工中已被安装在PCB一面上的电子元件通过焊接连接的引线部分，在PCB另一面进行第二次回流加工后出现了分层。
如上所述，当选择Bi含量为3wt％的Sn-Zn-Bi焊料时，Sn-Pb-Bi出现了偏析，而Sn-Zn-Pb则没有发生偏析。从Bi在这一过程中只有极少量被探测出的事实，Bi含量的优选范围是少于3wt％，以进一步抑制Sn-Pb-Bi的偏析。
然而，如表1所示，当Bi含量较小时，Sn-Zn-Bi焊料显示出较小的的液态和固态间的温差。
                    表1
  组成   液态   固态   温差
  Sn-9Zn   199   199   0
  Sn-8Zn-1Bi   199   192   7
  Sn-8Zn-3Bi   197   187   10
例如，假设当含有两个电极的电子元件通过回流焊接时，由于在PCB上温度的不同在两个电极中的其中一个上的焊料首先开始熔化。这样，由于另一电极被熔化了的焊料的表面张力而拉起，电子元件被举起来，因此产生所谓的芯片堆积缺陷。因此液态和固态的较大温差对抑制芯片堆积是有益的，因为较少量的焊料开始熔化从而降低了焊料的表面张力。
应当记住的是，在第一种实施方案中，当制造Sn-Zn-Bi基焊料膏以将Bi的含量调节到在Sn-Zn-Bi焊料中的含量小于3％重量时并且增加液态和固态之间的温差时，将两种或多种焊料粉末混合成膏状。
具体地，为了制备含有2％Bi的Sn-Zn-Bi基焊料膏，两种类型的焊料粉末混合成膏状，例如，以下述重量比制备焊料膏：
1.Sn-8Zn-3Bi：67％重量；以及
2.Sn-9Zn：33％重量。
另一方面，为了制备含有1％Bi的Sn-Zn-Bi基焊料膏，将两种类型的焊料粉末混合成膏状，例如，以下述重量比制备焊料膏：
1.Sn-8Zn-3Bi：33％重量；以及
2.Sn-9Zn：67％重量。
尽管上述例子中制备的焊料膏含有1％或2％的Bi，它们显示出与Sn-8Zn-3Bi的液态和固态之间的温差相同的温差，从而使得在开始熔化时降低焊料的用量。由于这可降低焊料的表面张力，这就可能抑制芯片堆积缺陷。应当知道，上述组合物和重量比仅仅是为了举例，与之类似的效果也可以用其他组合物或重量比制备出来。
如上所述，第一种实施方案把回流装置1的冷却元件13的冷却速度限定在1.5℃/秒或更高，以便在Sn-Zn-Pb(熔点为177℃)，和Sn-Pb-Bi(熔点为98℃)偏析之前能把熔化的焊料膏迅速冷却下来并固化。
因此，第一种实施方案抑制了由于Sn-Pb-Bi和Sn-Zn-Pb在焊接区和焊料的界面上的偏析而形成的低强度/低熔点合金层，结果得以保证对PCB 3上的电子元件的基于焊接的连接的质量和可靠性。
当含有少于3％重量Bi的Sn-Zn-Bi基焊料用作焊料膏时，进一步抑制Sn-Pb-Bi的偏析是可能的。另一方面，当Sn-Zn-Bi基的焊料有高含量的Bi时，所得到的焊料变得又硬又脆而失去其柔性，导致对环境变化的耐久力降低。然而，焊料的柔性当焊料含有少于3％重量的Bi时会得到提高，结果可以提高对环境变化比如室温变化的耐久力。
当两种或多种焊料粉末混入含有小于3％重量Bi的Sn-Zn-Bi基焊料膏中时，所得到的焊料膏显示出液态和固态之间的较大温差，从而可能抑制芯片堆积缺陷。
尽管上面的实施方案已用于双面回流过程来通过回流把电子元件安装在PCB的两面上，本发明也适用于在单面回流过程以通过回流把电子元件仅仅安装在PCB的一个面上。
此外，尽管上述实施方案已用于电子元件的连接，所说电子元件有被含有Pb如Sn-Pb的电镀膜包住的引线，本发明也可以用于其他电子元件的连接，所说电子元件可能在涂布焊料膏的位置含有Pb。
第一种实施方案
在第二种实施方案中，管脚结构是通过回流/流动组合过程而制造的，以在PCB 3的一面上通过回流来焊接电子元件并随后在PCB 3的另一面上通过流动加工来焊接电子元件。
用于第二种实施方案的流动加工的流动设备用于PCB的流动加工，PCB上有通孔，各种电子元件的引线可以插入通孔以便把电子元件装在PCB上。作为用于流动加工的焊料，从无Pb观点出发，优选使用Sn-Ag基合金，Sn-Cu基合金，Sn-Zn基合金等。另外，用作安装在PCB上的电子元件的是那些具有覆有含Pb电镀膜的引线的电子元件。
如图7所示，按照第二种实施方案用于流动加工的流动设备20包含为在PCB 3上进行流动加工的炉子21。炉子21在一端有入口22，由此PCB 3被引入炉子21以进行流动加工；在另一端有出口23，由此流动过的PCB 3被从炉子21中除去。
流动设备20还包括用于炉子21内传送PCB 3的传送机构24；用于喷洒熔化的焊料并储存焊料朝向PCB 3的焊料槽25；以及用于冷却和把熔化的焊料固化在PCB 3上的冷却元件26。
传送机构24包括载着PCB 3的传送器27；以及一个驱动机构(图上没显示)，用于在图7上箭头b揭示的方向并在预定驱动速度下沿着传送路线驱动输送器27。为输送器27提供传送路线以在炉子21内从入口22移动到出口23。这种传送机构24传送PCB 3，例如，在传送速度大约为1.0m/分钟下。
焊料槽25安排在炉子21内的传送路线之下。焊料槽25包括喷嘴28和29，这样熔化的焊料用双波模式喷洒在PCB 3上，双波模式由来自喷嘴28的焊料喷射流(主喷射流)和来自喷嘴29的焊料喷射流(辅喷射流)组成。
冷却装置26安排在炉子21内沿着传送路线靠近出口23的地方。这一冷却装置26可以使用例如冷却风扇来实施，但是也可以使用其他方式只要它能把冷空气送到PCB 3上。
在第二种实施方案的用于回流加工的回流装置和焊料膏类似于那些用于前述实施方案中的那些。
在下面，将使用图3中的回流装置1和图4中的流动装置20对回流/流动组合过程进行描述。
首先，具有放在前一步骤中印刷在其一面上的焊料膏上的电子部件的PCB 3被引入图3的回流装置1的炉子6中。
引入到炉子6中的PCB 3被传送装置11沿着传送路线而传送，在PCB3上的焊料膏被加热到其熔点或更高并被加热装置12熔化。
PCB 3被传送装置11进一步传送，在PCB 3上熔化的焊料膏被冷却装置13冷却下来并固化，冷却速度为1.5℃/秒或更高，以把电子元件安装在PCB 3上。
这样，Sn-Pb-Bi(其熔点为98℃)和Sn-Zn-Pb(其熔点为177℃)的偏析在PCB 3的一面上被抑制下来。另外，当含有少于3％重量的Bi的Sn-Zn-Bi基的焊料用作焊料时，Sn-Pb-Bi的偏析被进一步抑制。此外，当两种或多种焊料粉末混合到Sn-Zn-Bi基的焊料膏中时，芯片堆积缺陷可以被抑制。
随后，在图7中所示的流动装置20的炉子21接受了PCB 3，PCB 3在前述步骤中通过回流在其一面上安装了电子元件，并把其它电子元件安装在另一面上，把其引线从PCB 3的这一面上通过通孔插入。
引入到炉子21中的PCB 3在炉子21内沿着传送路线在焊料槽25之上被传送装置24所传送。
然后，熔化的焊料从焊料槽25的喷嘴28和29喷射到PCB 3上，同时在通过回流在PCB 3的一面上安装了电子元件通过焊接连接起来的那些部分中将温度维持在170℃或更低。
在PCB的一面上通过回流安装了电子元件，通过调节上述回流加工的冷却速度可抑制Sn-Zn-Pb(其熔点为177℃)的偏析，但并不能完全消除，结果存在痕量的Sn-Zn-Pb。因此，把通过流动加工在PCB 3的一面上预先安装了电子元件的通过焊接连接起来的那些部分中的温度维持在170℃或更低以防止在PCB 3的一面上极少量地存在的Sn-Zn-Pb重新熔化。这可以保证在PCB 3的一面上电子元件的通过焊接连接的部分的质量和可靠性。如上所述，通过使用含有少于3％重量的Bi的Sn-Zn-Bi基焊料，Sn-Pb-Bi(其熔点为98℃)的偏析可能得到抑制。
随后，PCB 3被传送装置24进一步传送，在PCB 3上熔化的焊料被冷却装置26冷却到熔点或更低并固化，进而将电子元件安装在PCB 3上。
现在参照图8和9，对在回流/流动复合过程中的流动加工中，调节通过焊接连接到PCB 3的一面上的部分到达上述温度的方法加以描述。
图8所示的流动装置30与图7所示的流动装置20的不同点是另外配置了冷却装置31，它可从上部冷却PCB 3。冷却装置31可以是，例如，冷却扇，但是可以使用任何其他方法只要它能把冷空气送到PCB 3。图8中与图7类似的部分用同样的数字表示，并省略了对它们的描述。
在图8所示的例子中，当冷却装置31从上部吹冷空气到电子元件通过焊接而连接的部分时进行流动加工的，电子元件已经通过回流被预先安装在PCB 3的一面上。这可以防止由于来自焊料槽25喷射的焊料的热而使通过焊接连接的部分的温度升高。和回流装置的炉子不一样，流动装置的炉子内并不保证气密性。因此，N2气优选地用作冷却空气以防止焊料槽25中储存的焊料被冷却空气所氧化。
在图9A，9B所示的例子中，流动加工是在用绝热材料进行的，所述绝热材料放在PCB 3的另一面上以从另一面包住安装的元件70，元件70是预先在PCB 3的一面上安装的。这样，从焊料槽25的喷嘴中喷射出来的焊料的热量就不会传导到通过焊接连接的部分。
例如，在图9A所示的例子中，掩膜带72粘附在PCB 3的另一面上作为绝热材料以包住表面安装元件70，流动加工就在这种状态下进行。适合于掩膜带72的材料是有大的热容或低的热传导率的材料。例如，纸带，铅带等可用于这些目的。
在图9B所示的例子中，流动加工是用放在盘子73上的PCB 3进行的，盘子73用作绝热材料。适合于用作盘子73的材料是有大的热容或低的热传导率的材料。盘子73有开口以相应于PCB 3的通孔，通过它通孔元件71的引线可以延伸。绝热材料除了可以是上述的掩膜带和盘子外还可以是任何其它材料，只要它们能限制从焊料槽25喷射出来的焊料的热的传导。
取代上述方法的其它方法包括：增加传送装置24传送PCB 3的速度(例如，与标准传送速度1.0m/秒相比，增加到大约1.5m/秒)，或者将一般用在流动加工中的使用两个喷嘴28，29的双波峰模式修改为只使用第二个喷射流(从喷嘴29的喷射流)的单波峰模式。上述方法可以单独使用也可以组合使用。
如上所述，第二种实施方案将在PCB 3的一面的回流加工中回流装置1的冷却装置13的冷却速度确定为1.5℃/秒或更高，从而抑制由于Sn-Zn-Pb(其熔点为177℃)和Sn-Pb-Bi(其熔点为98℃)的偏析而形成低强度/低熔点合金层。这保证了用于预先安装在PCB 3一面上的电子元件的基于焊料的连接的质量和可靠性。
此外，当含有少于3％重量的Bi的Sn-Zn-Bi基焊料用作为焊料膏时，还可以进一步抑制Sn-Pb-Bi的偏析。此外，当两种或多种焊料粉末混入Sn-Zn-Bi基焊料中时，芯片堆积缺陷得以抑制。
此外，第二种实施方案中在流动加工时通过回流预先安装在PCB 3的一面上的电子元件通过焊接而连接的部分的温度保持在170℃或更低，可能防止在PCB 3的一面上存在的非常少量的Sn-Zn-Pb再次熔化。这保证了预先安装在PCB 3一面上的电子元件基于焊料的连接的质量和可靠性，即使在PCB 3在另一面经受了随后的流动加工后也是如此。
尽管上面的实施方案已用于连接电子元件，电子元件具有被含有Pb比如Sn-Pb的电镀膜包着的引线，本发明也适用于连接其它可能在施加焊料膏的地方含有Pb的电子元件。
尽管本发明的优选实施方案用具体术语进行了描述，这样的描述只是为了举例说明，应当知道可以进行变换和变化而不偏离权利要求书的精神和范围。

Claims (15)

1.一种管脚结构的制备方法，所述管脚结构具有印刷电路板和通过焊接安装在所述印刷电路板上的电子元件，所述电子元件在引线的镀膜中含有Pb，所述方法包括下述步骤：
a)把焊料膏施加在所述印刷电路板上，把所述电子元件通过所述焊料膏装在印刷电路板上，所述焊料膏包含Sn-Zn基合金并含有3％以下的Bi；
b)把施加在所述印刷电路板上的所述焊料膏加热并熔化；
c)在其中包含在所述电子元件的所述引线的所述镀膜中的Pb通过熔化焊料膏而开始熔入焊料膏的状态下，在冷却速度1.5℃/秒或更高下强制冷却所述熔化的焊料膏以使所述熔化的焊料膏固化。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中步骤b)包括把所述焊料膏加热到210℃或更高。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中步骤c)包括把所述焊料膏冷却到190℃或更低。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述焊料膏含有两种或更多种混合成膏状的焊料粉末。
5.根据权利要求1所述的制备方法，它还包括下述步骤：
当第一个电子元件通过所述步骤a)，步骤b)和步骤c)安装在所述印刷电路板的一面上后，通过所述步骤a)，步骤b)和步骤c)再把第二个电子元件安装在所述印刷电路板的另一面上，
其中用于第二个电子元件的步骤c)包括强制性地把所述印刷电路板的两面上的焊料都冷却下来以使焊料固化，所说的焊料在用于所述第二个电子元件的所述步骤b)中已被熔化。
6.根据权利要求1所述的制备方法，它还包括下述步骤：
当第一个电子元件通过所述步骤a)，步骤b)和步骤c)安装在所述印刷电路板的一面上后，通过把第二个电子元件的引线从所述印刷电路板的一面插入并穿过所述印刷线路板的通孔；以及
通过流动安装所述第二个电子元件，同时保持施加在所述印刷电路板的一面上的焊料的温度为170℃或更低。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中所述的流动过程包括通过将冷空气送到施加在所述印刷线路板的一面上的焊料上来调节所述焊料的温度。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中所述冷空气包括N2气。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其中所说流动过程包括通过把绝热材料放在另一面上来从所述印刷电路板的另一面覆盖安装在所述印刷电路板的一面上的电子元件来调节所述焊料的温度。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中所说绝热材料包括粘合到所述印刷电路板上的掩膜带。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其中所说绝热材料包括其上放有所述印刷电路板的托盘。
12.一种管脚结构，它包括：
印刷电路板；以及
通过固化的焊料膏结合到所述印刷电路板上的电子元件，所述电子元件在引线的镀膜中含有Pb，所述焊料膏包含Sn-Zn基合金并含有3％以下的Bi，在其中包含在所述电子元件的所述引线的所述镀膜中的Pb通过熔化焊料膏而开始熔入焊料膏的状态下，以1.5℃/秒或更高的冷却速度将所述焊料膏从熔化状态冷却下来。
13.根据权利要求12所述的管脚结构，其中所述焊料膏含有两种或更多种混合成膏状的焊料粉末。
14.根据权利要求12所述的管脚结构，它包括：
第一个电子元件，其用所述焊料膏结合到所述印刷电路板的一面上，所述焊料膏以所说冷却速度从熔化状态冷却下来并固化；以及
第二个电子元件，其在所述第一个电子元件结合到所述印刷电路板的一面上后，通过所述焊料膏结合到印刷电路板的另一面上，所述焊料膏以所说冷却速度从熔化状态冷却下来并固化，
其中当在所述印刷电路板的另一面上的所述焊料膏以所说冷却速度冷却下来时，所述印刷电路板的一面上的所述焊料膏以所说冷却速度一起冷却下来。
15.根据权利要求12所述的管脚结构，它包括：
第一个电子元件，其用所述焊料膏结合到所述印刷电路板的一面上，所述焊料以所说冷却速度从熔化状态冷却下来并固化；以及
第二个电子元件，其安装在所述印刷电路板的另一面上，当所述第一个电子元件结合到所述印刷电路板的所述一面上后，所述第二个电子元件装在所述另一面上，其引线从所述印刷电路板的所述一面插入并穿过通孔，和所述第二个电子元件通过流动法结合到所述另一面上，同时保持所述一面上的焊料的温度为170℃或更低。
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