CN102275024B - 焊接过程中提供惰性化气体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接过程中提供惰性化气体的装置和方法，具体描述了一种在对工件实施焊接过程中提供惰性化气体的装置和方法。一方面，提供了一种装置，该装置放置于焊料储器之上并且包括与惰性化气体流体连通的多个多孔导管。另一方面，提供了一种方法，用于为波峰焊装置提供惰性化气体，尤其包括以下步骤：将一装置放置在焊料储器的至少一个边缘之上，其中所述装置包括包含有与惰性化气体源流体连通的一个或多个开口的多个导管。再一方面，所述导管中的至少一个包括非粘性涂敷层或由诸如套筒的多孔非粘性材料构成。

Description

焊接过程中提供惰性化气体的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求如下申请的优先权受益权：2010年3月12日提交的美国临时申请No.61/313,376；2010年3月12日提交的美国临时申请No.61/313,372；2010年4月5日提交的美国临时申请No.61/321,011；2010年4月5日提交的美国临时申请No.61/320,939；2010年4月13日提交的美国临时申请No.61/323,607；以及2010年7月19日提交的美国临时申请No.61/365,607。

背景技术

在此描述一种在焊接过程中提供惰性化气体的装置和方法。更具体地，在此描述在采用氮气和/或其它惰性化气体的波峰焊(wave soldering)过程中提供惰性化气体的装置和方法。

诸如印刷线路板或电路板的工件具有需要焊料涂敷以及连结的越来越小的可润湿表面。波峰焊的典型操作涉及焊浴，待焊的印刷电路板或工件被传送通过该焊浴。传统的自动波峰焊装置包括设置用于处理印刷电路板的焊接站、预热器、以及焊剂施加器。所述印刷电路板沿移动轨道或传送带传送，其侧边由抓指支撑。通过将所述电路板与焊剂泡沫或喷雾接触以施加焊剂。然后使所述电路板通过预热区域以使所述焊剂还原待焊接金属表面上的氧化物。然后将所述电路板与单熔融焊料波或多熔融焊料波在空气或在惰性化气体气氛中接触。

惰性化气体气氛通常是氮气(N₂)和/或其它惰性化气体，时常称之为氮气惰性化。在惰性气体和/或氮气气氛中焊接使得在焊料表面形成的氧化物或浮渣最少。已知浮渣和/或氧化物层的存在会在焊接接缝处引起漏焊(skip)、桥接(bridge)或其它缺陷。接近运行期间波峰焊装置生成的焊料波的是多孔管或导管，所述多孔管或管道平行于焊料波延伸，并且用于传送惰性化气体和/或氮气以提供相对低的氧气气氛，尤其在待焊接的工件下面。

对于无铅波峰焊，包含氮气的惰性化气体气氛的价值因为以下原因而进一步增大。由于通常采用的无铅焊料的熔点升高，采用普通无铅焊料的工艺温度要显著高于传统的锡铅焊料。而工艺温度的提高促进了浮渣的形成。此外，无铅焊料的成本通常要远高于传统的锡铅焊料，并且伴随浮渣形成带来的焊料浪费的经济损失要比无铅波峰焊更严重。另外，与传统锡铅焊料相比较，无铅焊料的润湿性能本来就不佳。因此，所形成焊接接缝的质量对于无铅焊料表面上的氧化情况更加敏感。

众所周知，波峰焊中的惰性化能够显著减少熔融焊料表面上的浮渣形成。减少浮渣的形成不仅节约焊料及减少维护需求，而且还改善焊料的润湿性及保证所形成焊接接缝的质量。为了在现有的波峰焊机中施加惰性气氛，一种通常的方法是在熔融焊料储器中插入一内部安装有扩散器的笼状保护壳。能够形成穿过所述焊料储器的惰性化气体覆盖层，因而减小了焊料氧化的趋势。

扩散器通常由多孔导管制成以向焊接站内引入如氮气和/或其它惰性化气体的惰性化气体。然而所述多孔导管在波峰焊过程中容易被焊料喷溅物或焊剂蒸气凝结物堵塞。一旦所述扩散器导管受堵，惰性化效率将大大降低。目前清洁所述扩散器导管的方法(例如采用注有清洁溶液的超声浴)都难度极大且耗时。对导管的清洁必须定期进行并且会对所述导管造成物理损伤。为避免这些问题，一旦堵塞，通常都对所述扩散器导管进行更换而不是清洁。这提高了最终用户的总成本。

因此，为促进波峰焊中用氮气和/或其它惰性化气体进行惰性化的应用，期望装置、方法或这两者能满足以下至少一个或多个目标。首先，期望惰性化装置及方法能减少氮气或其它惰性化气体的消耗，例如但不限于12立方米每小时(m³/hr)或更少以满足应用该技术的成本利益。第二，期望惰性化装置及方法能减小熔融焊料表面上方的氧气浓度，例如但不限于，2500ppm或更小。第三，期望惰性化装置及方法能采用易于安装和维护以最小化翻新费用的装置。此外，期望装置或方法能减少或消除所述多孔扩散器导管的堵塞，以保证稳定且长时间持续的惰性化性能。

发明内容

本文描述的装置和方法实现至少一个或多个上文提及的采用氮气和/或其它惰性化气体来惰性化的目标，其比目前使用的可比方法和装置更加节约成本且对用户更友好。

在一实施例中，提供了一种在工件焊接过程中提供惰性化气体的装置，该装置包括：在所述装置底面上的至少一个沟槽，用以放置到包含有熔融焊料的焊料储器的至少一个边缘上，其中所述沟槽的至少一个侧壁和所述装置的至少一个壁限定位于焊料储器外的腔室；在所述装置顶面上的至少一个开口，从所述焊料储器发射出的至少一个焊料波穿过所述至少一个开口并且接触沿移动轨道运动的工件；以及包括与惰性化气体源流体连通的一个或多个开口的多个导管，其中所述导管中的至少一个置存在所述腔室内，其中所述装置位于所述焊料储器之上以及待焊工件之下，因而形成一气氛，并且其中，在所述待焊工件和所述至少一个焊料波的波峰之间基本上不存在间隙。在一特定实施例中，所述装置进一步包括导热凸起，其中该凸起的至少一部分接触所述熔融焊料及至少一个导管。在该实施例或另一实施例中，可选盖设置在所述装置之上，工件移动通过所述盖，其中所述盖进一步包括与通风系统连通的通气口。

另一方面，提供了一种在工件波峰焊期间提供惰性化气体气氛的方法，该方法包括：提供波峰焊机器，该机器包括：其中包含有熔融焊料的焊料储器、至少一个喷嘴、由熔融焊浴向上穿过所述喷嘴生成至少一个焊料波的至少一个泵；将一装置设置在焊料储器嘴的至少一个边缘之上，其中所述装置包括在顶面上的至少一个开口、用以放置在所述焊料储器的至少一个边缘之上的至少一个沟槽、以及包括与惰性化气体源流体连通的一个或多个开口的多个导管，其中待焊工件与所述装置的顶面限定一气氛，并且其中，在所述待焊工件和所述至少一个焊料波的波峰之间基本上不存在间隙；使工件沿一路径移动，以使所述工件的至少一部分接触通过所述装置的开口发射出的至少一个焊料波；引导惰性化气体穿过所述多孔导管并且进入所述气氛，其中至少一个导管接触插入所述熔融焊料中的导热凸起的一部分，由此所述至少一个导管被加热至达到或超过所述熔融焊料温度的温度。在一特定实施例中，所述导管中的至少一个进一步包括非粘性涂敷层或一包括非粘性材料的多孔套筒。

附图说明

图1提供本文描述的包含孔的扩散器导管或多孔导管的实施例的立体图。

图2示出沿多孔导管的压降与氮气(N₂)流率(m³/hr)之间的关系，该关系受实施例1中所述的扩散器导管的孔尺寸或等级水平影响。

图3a提供本文描述的装置的一个实施例的顶视图。

图3b提供本文描述的装置的另一实施例的顶视图。

图4提供图3a所示装置实施例的立体图。

图5提供可安装在移动轨道之上的可选盖的立体图。

图6提供图3a所示实施例的侧视图，其安装在焊料储器之上。

图7提供本文描述的装置的一实施例的立体图。

图8提供图7所示还包括多个导管(虚线所示)的实施例的立体图，其中所述多个导管中的至少一个包括鳍形凸起，其中所述鳍形凸起的至少一部分与熔融焊料接触。

图9提供本文描述的包括多个导管的氮气惰性化装置的实施例的侧视图，所述多个导管包括一个或多个开口，其中所述导管中的至少一个包括与熔融焊料接触的鳍形凸起。

图10提供本文描述的氮气惰性化装置的实施例的侧视图。

图11提供本文描述的氮气惰性化装置的实施例的侧视图。

图12提供本文描述的氮气惰性化装置的实施例的侧视图。

图13提供本文描述的氮气惰性化装置的实施例的侧视图。

图14提供本文描述的氮气惰性化装置的实施例的侧视图。

图15提供可安装在移动轨道上的可选盖的端视图，在所描述的实施例中工件在该移动轨道上移动。

图16提供图15所示实施例的侧视图，示出工件或印刷电路板从所述盖下方通过。

图17提供图15所示实施例的侧视图，其中没有电路板从所述盖下方通过。

图18提供一图像表明例2中用来测量O₂浓度的八个位置。

图19提供针对具有多个多孔扩散器导管的装置，图18所示位置1至8的O₂浓度结果，其中所述多个导管中的一个具有与例2中描述的焊浴接触的金属凸起，并且其中所述可选盖未在位于移动轨道上的工件和所述装置上方就位。

图20提供针对具有多个多孔扩散器导管的装置，图18所示位置1至8的O₂浓度结果，其中所述多个导管中的一个具有与例2中描述的焊浴接触的金属凸起，并且其中连接有通气装置的可选盖在位于移动轨道上的工件和所述装置上方就位。

图21提供可与本文描述的方法和装置一起使用的气体帘的实施例。

图22a和22b分别提供本文描述的扩散器导管的实施例和扩散器盒的实施例，其中所述扩散器导管包括槽并且放置在包括容许惰性化气体通过的开口的扩散器盒内。

图23a和23b分别提供扩散器导管的替换实施例的侧视图和剖面图。

具体实施方式

通过本文描述的用于焊接期间惰性保护的方法和装置实现了本领域目标中的至少一个或多个。本文描述的装置和方法在焊接期间提供惰性保护，特别地针对这样的实施例，即在所述实施例中，在诸如印刷电路板的工件的焊接期间会发生焊料的显著移动和旋转(swirling)以及其表面的增加的氧化。预期本文描述的装置和方法可用于例如翻新现有的波峰焊机器。在一些实施例中，本文描述的装置工作时放置在焊料储器之上及移动轨道或者其它用于传送待焊工件的输送机构之下。在一些实施例中，在待焊工件和所述至少一个焊料波的波峰之间基本上不存在间隙。在其它的实施例中，在待焊工件和所述至少一个焊料波的波峰之间存在间隙。安置于所述装置内的多个扩散器导管与惰性化气体源(例如氮气、惰性气体(如氦、氖、氩、氪、氙以及其组合))流体连通，形成气体(如包括5重量％氢气的氮和氢的混合物)或其组合以提供惰性气氛。本文描述的装置和方法的一个目标是降低由待焊工件表面和贮放在焊料储器内的熔融焊料的表面所限定的气氛中的氧气(O₂)浓度，例如但不限于，2500ppm或更小。

本文所述的装置和方法用于放置在内贮有温度保持在或超过(如高达50℃)焊料熔点的熔融焊料的焊料储器上方。本文所述装置具有设置在焊料储器上方的内部容积，从而在沿着一个方向在焊料储器上方的移动轨道上输送的待焊工件与熔融焊料表面之间限定气氛。在一些实施例中，工件在侧边缘处由移动轨道或传送机指状物支撑，并且所述指状物通过焊料波。在其它实施例中，工件由被传送通过波峰焊机器的托盘(pallet)、夹具(fixture)或框架支撑。焊料储器具有一个或多个喷嘴，所述喷嘴喷射出由焊料泵生成的一个或多个焊料波。焊料泵通常是变速泵，其允许终端用户控制来自焊料波的焊料流量并且提高或降低焊料波的波峰或顶点以适应工艺条件。所述一个或多个焊料波经由本文所述装置顶面中的一个或多个开口与待焊工件的表面接触。在该过程中，所述装置内安置有包括开口、孔口、槽、穿孔或孔隙的多个扩散器导管，其与通过所述导管的内部容积且由所述导管的开口或孔隙穿出至所述气氛中的惰性化气体源(例如氮气)流体连通。这样做时，当工件穿过焊料波时，惰性化气体均匀覆盖所述工件的底面、前边缘、后边缘以及侧边缘。

在本文所述装置和方法的一些实施例中，将放置于焊料储器之上的所述装置的尺寸最小化以增强移动焊料波周围的惰性化效率。在该实施例或其它实施例中，静态熔融焊料表面或所述装置在焊料储器中的覆盖区域之外的区域可覆有可承受贮存在焊料储器中熔融焊料温度的高温材料。

本文所述装置和方法包括多个扩散器导管，所述扩散器导管包括内部容积和一个或多个开口，所述开口可以是但不限于孔隙、洞、槽、通气口、孔口、穿孔或其它允许导管内部容积中的氮气和/或其它惰性化气体通过以及穿出所述导管的开口的装置。在一特定实施例中，所述导管为多孔的并且包括大约0.2微米(μm)或更小的平均孔尺寸，以提供流出所述多孔导管的惰性化气体或氮气的层流。在该实施例或其它实施例中，所述导管与供应惰性化气体(例如氮气)的惰性化气体源流体连通，惰性化气体穿过所述导管的内部容积且由所述导管的孔隙或开口流出，并进入到由所述储器中的熔融焊料的表面和被输送的工件所限定的区域中。

如上文所提及，本文所述装置包括具有多个扩散器导管和内部容积的壳。在一些实施例中，所述导管可位于所述多个焊料波之间、焊料储器的电路板入口侧、焊料储器的工件退出侧、与焊料波的方向垂直、或其组合。在这些实施例中，在待焊工件表面和焊料波表面之间基本上不存在间隙。在一些实施例中，一个或多个导管，如一个或多个导管安置在多个焊料波之间的那些实施例，可进一步包括金属凸起或鳍片，其中所述凸起的至少一部分接触熔融焊料并且与所述导管进行热传导。在这点上，所述金属凸起或鳍片允许与其连接的导管温度超过焊料的熔点以避免由例如焊接喷溅物和/或焊剂蒸气凝结物导致的堵塞。在一些实施例中，与所述一个或多个导管和熔融焊料接触的金属凸起或鳍片可以是所述装置竖直壁的一部分。在这个或其它实施例中，可在焊浴之内和/或之外设置附加导管。采用在至少一个导管和熔融焊浴之间进行热传导的一个或多个金属凸起避免了现有技术中与将所述多孔导管浸入和/或接触焊浴相关的问题。

在本文所述的装置和方法的一特定实施例中，所述多个扩散器导管中的一个或多个，例如，但不限于，在多个焊料波之间的中心扩散器导管，包括非粘性涂敷层。非粘性涂敷层的一个例子是聚四氟乙烯(PTFE)涂敷层，其可在商标为

的非粘性涂敷层(Teflon由Wilmington Del的杜邦公司制造)中找到。为保持惰性气体通过扩散器导管的表面，可将多孔Teflon非粘性套筒应用在所述导管表面的至少一部分上。在这些或其它实施例中，选择的非粘性涂敷层应该能在达到或超过无铅波峰焊工艺通常采用的熔融焊料温度(如高达约260℃)时保持其完整性。在一更特定实施例中，所述非粘性涂敷层由Thermolon^TM非粘性涂层、由韩国Thermolon有限公司制造的无机(基于矿物的)涂层组成，其能够在450℃下保持其完整性且在升高的温度下避免生成有毒蒸气。在中心多孔导管安置在一或多对焊接波之间的实施例中，焊料储器中的溶解焊剂由于熔融焊料的持续动态移动而能够直接与位于第一波和第二波之间的中心扩散器表面接触。当扩散器表面上的液体焊剂被蒸发或热分解时，会在所述扩散器表面留下固体焊剂残留物，从而导致扩散器堵塞。为对此进行补救，非粘性涂敷层或多孔非粘性套筒或涂敷有非粘性涂层的开槽金属壳可被应用到所述多孔导管或者可覆盖所述多孔导管的至少一部分。确信对所述多孔扩散器导管中的至少一个添加非粘性涂敷层、或多孔非粘性套筒、或涂敷有非粘性涂层的开槽金属壳可防止所述多孔导管(例如中心导管)被固体焊剂残留物堵塞。非粘性涂敷层也可以应用到顶盖的内表面或者所述装置的内表面的至少一部分，以方便清洁。

在本文所述装置和方法的又一实施例中，所述装置进一步包括可选盖，该可选盖安装在移动轨道上，从而形成用于工件通过的隧道。所述可选盖进一步包括与所述波峰焊机器的通风排气口流体连通的通气孔，其允许从所述盖下方的气氛中收集焊剂蒸气。在一实施例中，所述可选盖由带有与所述机器的通风排气口连接的中心孔的单层金属盖构成。在另一实施例中，所述可选盖由双层金属片构成，并且双层空间与炉子通风排气口连接，从而形成边界气体捕集器(boundary gas trap)。在一特定实施例中，两层金属片之间的距离可从约1/8”到1/4”。当工件或电路板从所述盖下通过时，在焊接区域内生成的焊剂蒸气可由所述边界捕集器收集，同时所述焊料储器周围的空气也可以捕获在所述双层空间中，从而确保良好的惰性化性能。对于所述焊料储器之上没有工件或电路板的情况，从惰性化装置中的多个扩散器产生的惰性化气体可以被吸进所述盖的双层空间之下的容积中，从而形成边界惰性化气体帘以最少化进入所述容积的空气。

图1提供了用于本文所述装置和方法中的多孔导管或扩散器的一实施例。多孔导管10被描述为圆柱形导管，其具有内部容积15，内部容积15允许惰性化气体(例如氮气和/或其它气体，例如，但不限于，惰性气体(如氩、氦、氖等)、氢气、或其组合)流从其中流过，并且与惰性化气体源(未示出)流体连通。在多孔导管10的一实施例中，多孔导管由不锈钢制成。然而，多孔导管10同样可采用其它材料，只要所述材料与所述焊料不反应。多孔导管10通过气体管道或其它装置(未示出)与所述惰性化气体源流体连通。多孔导管10进一步包括多个穿孔20、孔隙、或洞，以允许来自内部容积15的气体流动通过穿孔20，进入焊浴、由熔融焊料(未示出)的表面和待焊工件(未示出)的底面所限定的气氛、或其组合。尽管多孔导管10如图所示为圆柱形并且具有圆形横截面，但预期可采用其它几何形状，例如但不限于，环形、正方形、矩形、椭圆形等。

设计穿孔20使得狭窄地引导气流，例如用如图1的实施例中所示的并且沿着所述焊料储器(未示出)的整个长度分布的圆孔来引导。在另一实施例中，穿孔20可以是纵向的孔或狭缝。在这些或其它实施例中，穿孔20可被倒角或具有角度以进一步引导气流从内部容积15进入焊浴(未示出)和/或焊浴和工件之间的间隙。穿孔20的平均孔尺寸为0.05微米至100微米，或0.1至10微米，或0.2至5.0。在一特定实施例中，穿孔20的平均孔尺寸为约0.2微米或更小。优化多孔导管10上穿孔的孔尺寸和孔隙率，以求实现流出所述多孔导管的氮气的层流。在这些或其它实施例中，优选氮气和/或其它惰性化气体的层流，以最少化从待惰性化的焊接区域(如工件、传送带等)的边界侵入的空气。

作为所述多孔扩散器导管的替换实施例，所述多个扩散器导管中的一个或多个，例如但不限于，多个焊料波之间的中心扩散器导管，可以由同心开槽的导管构成。该实施例的一个例子如图23a(侧视图)和23b(截面图)所示。在该实施例中，扩散器导管1100具有一个或多个槽1110并且由一同心盖1120环绕。所述盖1120具有一个或多个朝下的开口或者槽1130，允许惰性化气体从其中通过。相信所述槽朝下的构造可以使液体焊剂流入所述导管且堵塞所述一个或多个开口的机会最小化。在一些实施例中，同心盖1120具有应用在其表面的至少一部分上的非粘性涂敷层，例如本文所述的任意一种涂敷层。尽管扩散器导管1100及其环绕的盖1120被示为圆柱形并且具有圆形横截面，但预期可以采用其它的几何形状，例如但不限于，环形、正方形、矩形、椭圆形等。

图3a和4提供本文所述装置30的一个实施例的顶视立体图。参照图3a，装置30放置在波峰焊装置70上以在波峰焊操作期间提供惰性化气体气氛。波峰焊装置70包括有包含熔融焊料80的焊料储器75，以及一个或多个喷嘴85，用于喷射由焊料泵(未示出)产生的一个或多个焊料波(未示出)。参照图3a和4，装置30具有顶面35，顶面35可从所述装置的剩余部分去除，从而使去除浮渣对于终端用户来说相对容易。顶面35进一步包括至少一个开口40，通过该至少一个开口40从包含在焊料储器75中的熔融焊料80发出的至少一个焊料波穿过喷嘴85并且与沿移动轨道(未示出)经过的工件接触。参照图3a和4，装置30进一步包括至少一个位于装置30底部上的沟槽45(在图3中以虚线示出)，其安置在焊料储器75的边缘之上。在一些实施例中，装置30可包括多于一个沟槽，以允许在焊料储器75之上放置装置30，如图3a和4中所示。本文所述装置的其它实施例仅有一个沟槽245，如图7和8所示的实施例。本文所述装置的另外一些实施例不具有一个或多个沟槽，而是具有多个凸缘以允许所述装置定位于或放置在焊料储器上，如图11和14所示的实施例。再参照图3a和4，沟槽45的侧壁以及前壁33或后壁37限定腔室50，腔室50允许多孔导管55(如图3中虚线所示)放置在装置30中。多孔导管55经由管路60与惰性化气体源65流体连通。如上文所提及，与本文所述的装置和方法一起使用的惰性化气体可包括氮气、氢气、惰性气体(如氦、氩、氖、氪、氙等)、或其组合。在一些实施例中，在引入多孔导管55之前对惰性化气体预加热。可以理解，图3a和4中所示的实施例可根据波峰焊机器的配置而变化。现参照图4，装置30进一步包括由熔融焊料表面(未示出)、工件(未示出)、前壁33、后壁37以及侧壁43和47限定的内部容积69。装置30进一步包括与熔融焊料储器和至少一个多孔导管接触的至少一个金属鳍片57，用来将中心处的多孔导管55加热到超过熔融焊料熔点的温度。

图3b提供本文所述装置30’的一实施例的顶视图，其中多孔扩散器导管55’与焊料波的宽度垂直地取向。参照图3b，装置30’放置在波峰焊装置70’上以在波峰焊期间提供惰性化气体气氛。波峰焊装置70’包括包含熔融焊料80’的焊料储器75’，以及喷射由焊料泵(未示出)产生的一个或多个焊料波(未示出)的一个或多个喷嘴85’。装置30’具有顶面35’，顶面35’可从所述装置的剩余部分去除，从而使去除浮渣对于终端用户来说相对容易。顶面35’进一步包括至少一个开口40’，通过该至少一个开口40’从包含在焊料储器75’中的熔融焊料80’发出的至少一个焊料波穿过喷嘴85’并且与沿移动轨道(未示出)经过的工件接触。在其它实施例中，本文所述装置可包括使得所述装置可定位于或放置在焊料储器上的多个凸缘。多孔导管55’经由管路60’与惰性化气体源65’流体连通。如上文所提及，与本文所述的装置和方法一起使用的惰性化气体可包括氮气、氢气、惰性气体(如氦、氩、氖、氪、氙等)、或其组合。在一些实施例中，在导入多孔导管55’之前对惰性化气体预加热。可以理解，图3b中所示的实施例可根据波峰焊机器的配置而变化。

图5提供可选盖90的立体图，可选盖90放置在装置30及移动轨道(未示出)之上，使得工件移动穿过它。可选盖90被示出为具有可供观察的玻璃窗95。可选盖90进一步具有通气口97，通气口97与波峰焊机器的通风排气口(未示出)流体连通，以排除焊接站的气氛中的任何焊剂蒸气。

图6提供本文所限定的装置130的实施例的侧视图。如图6所示，通过如图所示那样将沟槽145放置到焊料储器175的至少一个边缘上，而将装置130放置在波峰焊装置170之上。焊料储器175中包含有熔融焊料180。移动轨道(未示出)沿箭头105所示的向上方向传送待焊工件100。至少一个或多个焊料泵(未示出)用于通过喷嘴185产生多个焊料波115。多个焊料波115通过装置130中的开口107接触工件100的底面。将惰性化气体导入安置在位于焊料储器175外部的腔室150中的多孔导管155。在图6所示的实施例中，多孔导管155位于焊料储器175的进口及出口处。在又一个实施例中，多孔导管155可与焊料波(未示出)的方向垂直地取向。所述多孔导管155中的至少一个与接触熔融焊料180的金属凸起157相连接。惰性化气体填充在工件100之下的示为120、且由交叉线所表示，并且在熔融焊料180的表面之上的区域或气氛中。在图6中所示的实施例中，所述装置在工件100和焊料波115的波峰之间基本上不存在间隙。

图7和8提供装置230的替换实施例，其中仅有一个放置在焊料储器(未示出)的边缘上的沟槽245。沟槽245的至少一个侧壁和装置230的前壁233限定包含有多孔导管255(如图8中虚线所示)的腔室250。装置230进一步包括由熔融焊料表面(未示出)、工件(未示出)、前壁233、后壁237以及侧壁243和247限定的内部容积269。参照图8，装置230进一步包括与熔融焊料储器(未示出)和至少一个多孔导管255(以虚线示出)接触的至少一个金属鳍片257，用来将中心处的多孔导管255加热到超过熔融焊料熔点的温度。

图9到13提供本文所述装置的各种实施例，它们包括多个多孔导管。图9提供一实施例，其中所述多孔导管355中的一个位于焊料储器375外部的腔室350中，在焊料波之间的第二多孔导管355’包括导热材料357(例如金属鳍片)，导热材料357接触熔融焊料380和第二多孔导管355’并且将第二多孔导管加热到超过所述焊料熔点的温度，并且第三多孔导管355”接触导热的或延伸入熔融焊料380内的所述装置330的壁。装置330进一步包含协助将装置330定位在焊料储器375之上的凸缘367。

图10提供装置430的一实施例，其中第一多孔导管455位于焊料储器475外部的腔室450中，并且第二多孔导管455’和第三多孔导管455”均包括导热材料(例如金属鳍片457)，导热材料接触熔融焊料480和第二多孔导管455’及第三多孔导管455”并将所述多孔导管加热到焊料熔点的温度或超过焊料熔点的温度。

图11提供一实施例，其中第一多孔导管555、第二多孔导管555’以及第三多孔导管555”位于所述焊料储器575内部，并且每个多孔导管均包括例如金属鳍片557的导热材料，导热材料接触所述熔融焊料580并将每个多孔导管加热到超过所述焊料熔点的温度。装置530并不具有用于将该装置定位在焊料储器575之上的沟槽。替代地，装置530具有允许将装置530放置在焊料储器575之上的多个凸缘567。

图12提供具有多个沟槽645的装置630的实施例，其中所述沟槽的至少一个侧壁和所述装置630的前壁633或后壁637限定其中置有多孔导管655和655”的腔室650。装置630进一步包括与例如金属鳍片657的导热材料接触的多孔导管655’，所述导热材料与所述熔融焊料680接触并且将多孔导管655’加热到超过所述焊料熔点的温度。

图13提供具有多个沟槽745的装置730的实施例，其中所述沟槽的至少一个侧壁和所述装置730的前壁733或后壁737限定其中置有多孔导管755和755”的腔室750。装置730进一步包括从沟槽745的侧壁延伸进所述焊料储器780的内凸缘752，用于协助将装置730定位在焊料储器775之上。

图14提供本文所述装置930的实施例，其中第一多孔导管955、第二多孔导管955’以及第三多孔导管955”位于所述焊料储器975内部，并且所述多孔导管中的一个或955’进一步包括例如金属鳍片957的导热材料，导热材料接触所述熔融焊料980并将多孔导管955’加热到超过所述焊料熔点的温度。装置930并不具有用于将所述装置定位在焊料储器975之上的沟槽。替代地，装置930具有允许将装置930放置在焊料储器975之上的多个凸缘967。装置930被示出为由例如金属的材料制成的双壁构成，所述双壁限定放置有所述多孔导管中的至少一个(如所示的955和955’)的至少一个腔室950。工件923在装置930之上沿箭头925所示方向移动并且与通过喷嘴985发射的多个熔融焊料波接触。所述多个多孔导管955、955’和955”与例如氮气(未示出)的惰性化气体源流体连通，惰性化气体源通过所述导管提供惰性化气体气氛或氮气气氛到腔室950中，到930的由双层材料限定的容积中，以及到由熔融焊料表面980、工件923和工件930的壁限定的内部容积969中。

图15至17提供装置830的实施例，其进一步包括可选盖890，可选盖890在焊料储器880之上，从而形成用于保持在移动轨道900上的工件905(图16中所示)通过的隧道。图15提供装置830的端视图，图16和17提供装置830的侧视图。在一些实施例中，可选盖890与波峰焊机(未示出)的通风管路流体连通。可选盖890由双层片构成，并且双层空间与炉子通风排气管897连接，从而形成边界气体捕集器。所述可选盖890可由双层金属片或其它合适的材料制成。在一些实施例中，两层片之间的距离可以是、但不限于1/8”到1/4”。在图15至17所示的实施例中，可选盖890可包括惰性化气体进口895，惰性化气体进口895与惰性化气体源(未示出)流体连通以进一步辅助将焊剂蒸气和空气吹扫出焊接区域。如图16中所示，当电路板从盖890下通过时，在焊接区域内生成的焊剂蒸气可通过所述边界捕集器收集，同时焊料储器870周围的空气也可以被捕获在盖890下的双层空间中，从而帮助确保良好的惰性化气氛。在如图17所示焊料储器870没有被工件905覆盖的情况中，由所述多个多孔导管855产生的惰性化气体可被吸进所述盖890的双层空间中，从而形成边界惰性化气体帘以最少化从外部环境进入在所述焊料储器880上方的气氛920中的空气。

在本文所述装置和方法的另一实施例(例如图21所示实施例)中，惰性气体帘1010，例如氮气和/或本文所述的另一惰性化气体，施加在焊料储器1020的入口、出口或入口和出口两处以进一步使来自所述焊料储器周围的空气侵入量最少化。相信在待处理工件1005于装置1030插到焊料储器1020之上且顶盖1040安装在上面后进入焊料储器1020时，气体帘1010阻塞了待处理工件1005顶部、或底部、或顶部和底部两者的间隙(注意：1005应该指在是所述工件的侧视图的直线上，并且应该删除小矩形)。在图21所示实施例或其它实施例中，气体帘可由包含一个或多个开口的一个或多个扩散器导管生成，所述一个或多个开口包含槽或穿孔，其中管状、盒状、三角形形状、或它们的组合，其长度与焊料波的宽度平行并且惰性化气体从一端或两端流动。狭槽或小穿孔使得气体喷射强烈，从而形成包括惰性化气体的气体帘。在该实施例或其它实施例中，带有槽或穿孔的扩散器导管可包括在所述导管内的多孔层或多孔导管以使沿所述带有槽或穿孔的扩散器长度的压降最小化。现在参照图22a，带有槽的扩散器导管1050包括一个或多个开口或槽1060，所述开口或槽可单独使用(如图所示)或插入到多孔扩散器(未示出)以生成气体帘。作为可替换示例，图22b示出扩散器盒1070的横截面，其顶面1075由多孔板制成而其余三面由实心板1078制成。图22b也示出三角形的气体引导器1080的横截面，其包含有在三角形1080的底面及顶棱1090上的开放槽。三角形气体引导器1080的底面直接与包含在表面1075内的孔隙接触，以使得与扩散器盒1070流体连通且沿扩散器长度均匀地喷射气体。

尽管所述装置和方法已参考其实施例和具体示例进行了详细描述，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离其精神和范围的情况下，可对其作出各种变化和修改。

实例

例1：多孔导管的孔尺寸对气流模式(gas flow pattern)的影响

对以下表格中所列具有三种不同等级水平的三个扩散器或多孔导管进行了测试。较低等级代表扩散器较小的孔尺寸和孔隙率。通过使室内氮气(house N₂)流入每个无缝多孔导管并测量在给定氮气流率下每个扩散器的上游(P_up)和下游(P_down)处的压力来进行所述测试。沿所述扩散器的压降ΔP按以下确定：

ΔP＝P_up-P_down

然后，沿所述扩散器的平均压力按如下计算：

P_ave＝(P_up+P_down)/2

当ΔP/P_ave远小于1时，流出所述扩散器导管的气流可看作层流模式。相反，当ΔP/P_ave接近1时，气体湍流通常占主导。对于一些实施例，优选的是，多孔导管提供气体层流模式。

如表1和图2所示，在感兴趣的氮气流率下，0.2等级扩散器或多孔导管的ΔP/P_ave最小，且远低于1。基于该结果，选择所述0.2等级的扩散器。0.2等级扩散器的平均孔尺寸为约0.2μm。图2示出，在感兴趣的氮气流率下(如，约6m³/hr/扩散器)，具有0.2μm的平均孔尺寸或0.2扩散器等级的多孔导管最佳。通过比较，专利号为6,234,380的美国专利教导，用于波峰焊中氮气惰性化的扩散器的优选孔尺寸范围为0.3至2μm或0.4至0.6μm，这在层流的最佳孔尺寸之外。

表1：多孔导管的孔隙率对比

注意：所对比的多孔导管的不锈钢密度为9克/立方厘米

例2：用于波峰焊中氮气惰性化的加热扩散器的影响

在该例中，所述多孔导管中的至少一个位于两个焊接波之间且具有插入在熔融焊料储器中的金属鳍片，以使所述多孔导管扩散器的温度可保持在焊料的熔点之上。该加热的扩散器能够避免诸如由焊料喷溅/凝固以及由在扩散器表面上的焊剂蒸气凝结物造成的潜在堵塞问题。用于该实验的配置的例子如图9所示。

图19提供在图18中表明的位置1至8处的焊料储器周围氧气浓度的结果，其中焊料储器顶部有静态板且没有顶盖(如图5中所示的顶盖)；图20重复该氧气分析，但安上了顶盖和通气孔(如图5中所示的)。基于目视观测，多孔导管表面上的任意焊接喷溅物在上述两种情况下都不会凝固。喷溅在中心扩散器表面上的焊料滴由于其高表面张力的固有特性以及在扩散器表面上的非润湿性而自动滴下。此外，不存在焊剂蒸气在扩散器表面凝结的证据。图19示出，接近熔融焊料波的氧气浓度对于非常小的氮气流率极低，由于扩散器堵塞被消除，性能能够随时间推移得以保持。类似地，图20示出，即使带有通气孔，接近熔融焊料波的氧气浓度对于非常小的氮气流率也是低的，由于扩散器堵塞被消除，性能能够随时间推移得以保持。由于存在金属鳍片，扩散器导管可放置得相对更接近熔融焊料表面，从而更有效地将空气吹扫出焊料储器。

例3：对于中心扩散器导管应用非粘性多孔套筒

在该例中，所述多孔导管中的至少一个位于两个焊接波之间且具有插入在熔融焊料储器中的金属鳍片，以使所述多孔导管扩散器的温度可保持在焊料的熔点之上。该加热的扩散器能够避免诸如由焊料喷溅/凝固以及由在扩散器表面上的焊剂蒸气凝结物引起的潜在堵塞问题。用于该实验的配置的例子如图9所示。

中心扩散器导管覆盖有由ePTFE(膨体聚四氟乙烯)制成的套筒。ePTFE形成为导管形状和白色，由Phillips Scientific Inc.制造，项目号为TB3000。所述多孔导管仅沿所述导管的长度可膨胀，而沿直径方向不可膨胀。所述材料能够经受315℃并且具有约2至10微米的平均孔尺寸。所述导管的壁厚可为0.001”到0.002”。

在所述多孔扩散器导管上的ePTFE套筒被浸入260℃下的熔融焊料锅中。所述套筒未展现出可视的变化。

在12”长的扩散器上的ePTFE套筒被连接到85psig的氮气源。从表面带有套筒的扩散器提供4NM³/Hr的氮气流率没有问题。

带有ePTFE套筒的扩散器(长为12”且外直径(O.D.)为3/8”)作为中心扩散器安装在本文所述的装置中，在所述中心扩散器上氮气流率为4NM³/Hr。然后将所述装置安装在260℃的熔融焊料锅上，所述熔融焊料锅具有与中心扩散器的热鳍片接触的两个运转焊料波。液体焊剂持续喷洒在所述中心扩散器的ePTFE表面上。通过目视检测发现，ePTFE对于液体焊剂完全非粘性并且喷洒在中心扩散器的ePTFE套筒上的熔融焊料能够容易地滴落到所述焊料锅中。

Claims (27)

1.一种在工件焊接过程中提供惰性化气体的装置，所述装置包括：

位于所述装置底部的至少一个沟槽，用以放置到包含有熔融焊料的焊料储器的至少一个边缘上，其中所述沟槽的至少一个侧壁和所述装置的至少一个壁限定位于所述焊料储器外的腔室；

位于所述装置顶面上的至少一个开口，从所述焊料储器发出的至少一个焊料波穿过所述至少一个开口并且接触工件；以及

包括与惰性化气体源流体连通的一个或多个开口的多个导管，其中所述导管中的至少一个安置在所述腔室内，

其中，所述装置位于所述焊料储器之上及待焊工件之下，从而形成气氛，并且其中，在所述待焊工件和所述至少一个焊料波的波峰之间基本上不存在间隙。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

导热凸起，其中所述凸起的至少一部分接触所述熔融焊料及至少一个导管。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述导热凸起包括金属鳍片。

4.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个导管与所述至少一个焊料波接近放置。

5.如权利要求1所述的装置，进一步包括盖，所述盖放置在移动轨道之上，由此工件移动通过所述盖，其中所述盖进一步包括与通风系统连通的通气口。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述盖包括限定一内部容积的多个片，并且其中，所述内部容积与焊接炉的通风排气口流体连通。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述盖进一步包括与所述惰性化气体源流体连通的入口。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述导管中的开口为孔隙，并且其中，所述多孔导管的平均孔尺寸为0.2μm或更小。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述装置包括多个沟槽，其中所述多个沟槽限定其中安置有所述多孔导管的多个腔室。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述焊料储器产生多个焊料波并且至少一个导管插入到焊料波之间。

11.如权利要求1所述的装置，其中所述惰性化气体包括氮气。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述惰性化气体进一步包括5重量％或更少的氢气。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述惰性化气体包括选自氮、氢、氦、氖、氩、氪、氙以及其组合的气体。

14.一种在工件波峰焊过程中提供惰性化气体气氛的方法，所述方法包括：

提供波峰焊机器，所述波峰焊机器包括：其中包含有熔融焊料的焊料储器、至少一个喷嘴、从熔融焊浴向上穿过所述喷嘴生成至少一个焊料波的至少一个泵；将一装置放置在所述焊料储器的至少一个边缘之上，其中所述装置包括在顶面上的至少一个开口、用以放置在所述焊料储器的所述至少一个边缘之上的至少一个沟槽、以及包括与惰性化气体源流体连通的一个或多个开口的多个导管，其中待焊工件与所述熔融焊料的顶面限定气氛，并且其中，在所述待焊工件和所述至少一个焊料波的波峰之间基本上不存在间隙；

使工件沿一路径移动，使得所述工件的至少一部分接触通过所述装置的开口发出的所述至少一个焊料波；

引导惰性化气体穿过所述导管并进入所述气氛，

其中至少一个导管接触插入所述熔融焊料中的导热凸起的一部分，由此所述至少一个导管被加热至超过所述熔融焊料的熔点的温度。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述导热凸起包括金属鳍片。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述至少一个导管与所述至少一个焊料波接近放置。

17.如权利要求14所述的方法，进一步包括所述工件移动通过的盖，其中所述盖进一步包括与通风系统连通的通气口。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述盖包括限定一内部容积的多个片，并且其中，所述内部容积与焊接炉的通风排气口流体连通。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述盖进一步包括与所述惰性化气体源流体连通的入口。

20.如权利要求14所述的方法，其中所述开口包括孔隙，并且其中，所述多孔导管的平均孔尺寸为0.2μm或更小。

21.如权利要求14所述的方法，其中所述装置包括多个沟槽，其中所述多个沟槽限定其中安置有所述导管的多个腔室。

22.如权利要求14所述的方法，其中所述焊料储器产生多个焊料波并且至少一个导管插入到焊料波之间。

23.如权利要求14所述的方法，其中所述惰性化气体包括氮气。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述惰性化气体进一步包括5重量％或更少的氢气。

25.如权利要求14所述的方法，其中所述惰性化气体包括选自氮、氢、氦、氖、氩、氪、氙以及其组合的气体。

26.一种在工件焊接过程中提供惰性化气体的装置，所述装置包括：

位于所述装置顶面上的至少一个开口，从焊料储器发出的至少一个焊料波穿过所述至少一个开口并且接触所述工件；

包括与惰性化气体源流体连通的一个或多个开口的多个导管，其中所述多孔导管中的至少一个安置于腔室内；以及

导热凸起，其中所述凸起的至少一部分接触熔融焊料及至少一个导管，

其中，所述装置位于焊料储器之上以及待焊工件之下，从而形成气氛，并且其中，在待焊工件和所述至少一个焊料波的波峰之间基本上不存在间隙。

27.如权利要求26所述的装置，其中所述多孔导管中的一个的至少一部分包括非粘性材料。

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