CN102615370A - 一种利用液氮冷却的回流焊接系统及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回流焊接系统及其相应的焊接方法，该系统包括：内部充满氮气呈密封状态的试验箱；设置在所述试验箱内，由转轴和转盘构成并用于放置待焊接的电子元器件和焊料的工作转盘；包括电源、电热元件和相应风扇的电加热装置；以及包括自增压液氮罐、液氮分配器、低温阀和相应风扇的液氮冷却装置。通过本发明的回流焊接系统及其焊接方法，可以利用氮气作为保护气体来进行电加热，同时利用液氮实现冷却，由此实现在少氧的环境下均匀地进行焊料加热、焊料冷却以及一次性大批量焊接等方面的技术效果。

Description

一种利用液氮冷却的回流焊接系统及其焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，更具体地，涉及一种回流焊接系统及其相应的焊接方法。

背景技术

目前，大中型的焊接印刷基板的回流炉一般由升温区、保温区、焊接区和冷却区组成，小型回流焊接炉则采用一个腔内实现加热和冷却。焊接过程中，焊料膏从熔融到凝固，由此形成一个成品电子线路。

作为回流焊炉的加热机构，现有技术通常采用红外线加热器和热鼓风加热器。红外加热器大多采用石英管进行红外加热。这种加热方法的温度控制较为困难。热风加热方式则具有热传递效率高，加热能力优异的特点。

作为回流焊炉的冷却方式，现有技术普遍则采用风扇冷却。采用风冷效果相对较差，而且冷却速度慢，如果需要快速冷却则达不到要求。在无铅焊接工艺中，为了使焊点达到更高的强度，需要将完全熔融回流后的无铅焊接进行急速冷却，这就需要一种新的冷却方式。而目前采用的技术方案向回流炉内通入空气，空气经回流炉的加热区加热后形成热空气，热空气被风扇吹向焊料再进行熔融回流。待焊料完全熔融回流后，再向回流炉中通入冷空气，同时关闭回流炉加热区的加热装置，冷空气通过加热区吹向完全熔融的无铅焊料。这种方案的缺点在于，在冷却熔融回流的焊料时，只是将加热区的发热芯关闭，但发热芯还有余热，冷空气经发热芯后温度会升高，所以冷空气不能迅速地达到冷却温度的标准。

为了减少高温氧化，人们在焊接过程中越来越多采用惰性气体或者真空进行保护。真空下进行回流焊接，则要求回流焊炉具有较好的密封性能，还要增加抽真空的设备。而惰性气体比较昂贵，采用惰性气体作保护气体，则会增加焊接的成本。

此外，回流焊炉对炉内的加热状况和温度均匀性有一定的要求。如果加热时，加热区的温度上下波动，则印刷电路板不能被均匀地加热，部分性地导致过热和加热不足，从而使电子元件遭受热损伤以及焊膏不熔化。故在回流焊接炉的工作区域形成温度均匀的加热或者冷却区域，显得非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用氮气作为保护气体来进行电加热、同时利用液氮实现冷却的回流焊接系统及其相应的回流焊接方法，由此实现在少氧的环境下能够均匀地进行焊料加热、焊料冷却以及一次性大批量焊接等方面的技术效果。

按照本发明的一个方面，提供了一种回流焊接系统，该系统包括：

内部充满氮气呈密封状态的试验箱；

工作转盘，该工作转盘设置在所述试验箱内，由转轴和转盘构成，所述转盘固定在转轴上，连同转轴一起转动，用于放置待焊接的电子元器件和焊料；

电加热装置，该电加热装置包括电源、与此电源构成回路并设置在所述工作转盘一侧的电热元件，以及设置在电热元件附近用于将加热后的氮气吹向工作转盘区域的风扇；

液氮冷却装置，该液氮冷却装置包括用于存贮液氮的自增压液氮罐、与自增压液氮罐连通并设置在所述工作转盘另外一侧的液氮分配器、用于控制自增压液氮罐与液氮分配器之间的连通或断开的低温阀，以及设置在液氮分配器附近用于将液氮蒸汽与试验箱内气体进行搅动混合的风扇。

按照本发明所构思的以上技术方案，针对现有技术中回流焊接炉大多是依靠辐射加热进行焊接，其加热的利用效率偏低很难达到较大区域的温度均匀并且在焊接过程中利用风扇冷却无法达到急冷的技术缺陷，通过采用电加热氮气并利用风扇产生对流、同时利用液氮冷却的方式及其配套结构，可以在少氧的环境下实现回流焊接，并能达到很好的较大区域的温度均匀性，同时能实现快速冷却。

此外，电热元件发热后，采用风扇把热氮气吹向工作转盘区域使工作区域温度升高，由于有氮气吹在电热元件上，电热元件不会产生局部的高温，因此可以保证加热元件即便在在500℃以上的温度，氮气也不会发生高温化学反应。通过采用氮气来冷却，能够快速降温并且降温速度可控。液氮从液氮分配器中的液氮喷口喷出之后，蒸发吸热以制冷工作转盘区域。液氮蒸发产生冷能后，还能够充当试验箱内的氮气气氛，促使旧氮气从放空阀排走，故还可以增强氮气的“新陈代谢”。采用风扇扰动液氮蒸汽，这样可以防止液氮喷出后产生局部过冷。

作为进一步优选地，所述工作转盘包括多个转盘，这些转盘固定地安装在所述转轴的不同高度位置上，转盘的盘面各自具有多个开孔结构。

由于工作转盘包括多个处于不同高度位置上的转盘，可以大大增加焊接的区域，同时一次性进行大批量的生产。此外，由于各个转盘在其盘面上具有多个开孔结构，由此能够加快气流的经过，对加热和冷却过程都产生良好的影响。

作为进一步优选地，所述电热元件是电阻加热丝或电热管，所述设置在电热元件附近用于将加热后的氮气吹向工作转盘区域的风扇由耐热材料制成。

本发明在增加液氮冷却功能的同时，对加热器要求不高，因此可以采用电阻加热丝或电热管来进行加热，相应低成本且高效率地实现电加热过程，而风扇由耐热材料制成能够保证长时间的生产周期而不会在高温下损坏或变形。

作为进一步优选地，所述的液氮分配器可以呈平面螺旋管结构，并在其管壁上开有多个孔状喷口。

经过研究和实践证明，液氮分配器设置为这种平面螺旋管结构并在其管壁上开有多个孔状喷口，主要有两方面的好处。一方面这种结构与风扇旋流结构相吻合，另一方面可以形成一个大范围的液氮喷出区域。螺旋管之间具有错落有致的间隙，有利于风扇运转时气流和液氮蒸汽的混和。

作为进一步优选地，所述液氮分配器可以呈上下对称且相互连通的蛇形管结构，并在其管壁上开有多个孔状喷口。

经过研究和实践证明，液氮分配器设置为这种上下对称且相互连通的蛇形管结构并在其管壁上开有多个孔状喷口，这样就把分配器的液氮入口和液氮出口放置到了同一端，有便于安装的作用。同时，此液氮分配器也能形成一个大范围的液氮喷出区域，并提高喷出效率，有利于对焊料的冷却过程。

作为进一步优选地，上述回流焊接系统还包括温度控制装置，所述温度控制装置由测温元件、加热温度控制装置和冷却温度控制装置共同组成。所述加热温度控制装置包括根据测温元件所测得的温度来确定是否继续加热的加热温控器，和根据所述加热温控器所发出的指令来连通或断开电热元件所在回路的继电器；所述冷却温度控制装置包括根据测温元件所测得的温度来确定是否继续输送液氮执行冷却的冷却温控器，和根据该冷却温控器所发出的指令来连通或断开液氮的从所述低温阀至液氮分配器之间输送的低温电磁阀。

通过采用测量装置及相应的温度控制装置，可以更准确、有效地实现对回流焊接过程中加热及冷却的控制，同时提高焊接的效率和成品质量。

作为进一步优选地，所述试验箱还包括放空阀，该放空阀在试验箱内氮气压强过高时起降低气压的作用。

通过在试验箱上配置放空阀，可以防止氮气在加热或冷却过程中压强越来越高而导致对焊接过程产生不利影响。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的执行回流焊接的方法，该方法包括下列步骤：

将待焊接的电子元器件和焊料放置在工作转盘的转盘面上；

接通电源令电热元件发热，同时开启位于电热元件附近的风扇将加热后的氮气吹向工作转盘区域，当试验箱内的温度达到焊接温度时实现焊料的熔融回流；

在焊料完全熔融回流之后，断开电源以停止电热元件的发热；

以及开启低温阀使得液氮从自增压液氮罐输送至液氮分配器并从其喷出，同时开启位于液氮分配器附近的风扇以将液氮蒸汽与试验箱内气体进行搅动混合，由此实现焊料的冷却凝固。

按照本发明所构思的以上技术方案，通过采用电加热氮气并利用风扇产生对流、同时利用液氮冷却的方式，可以在少氧的环境下顺利实现回流焊接过程。此外，采用了两种方式即工作转盘转动和增加风扇来扰动试验箱内气流，来显著提高焊接过程中的温度均匀性。这样会提高焊接的质量，避免局部焊接不成功，或者局部过热过冷。

作为进一步优选地，在焊料熔融回流的过程中，通过包括测温元件、加热温控器和继电器的装置来自动执行加热温度控制；此外，在焊料冷却凝固的过程中，通过包括测温元件、冷却温控器和低温电磁阀的装置来自动执行冷却温度控制。

通过在回流焊接过程中分别对加热和冷却的温度进行控制，测量装置及相应的控制装置来执行温度控制信号，可以准确且有效地实现焊接温度曲线，同时方便操作人员进行界面化操作，提高焊接效率和焊接的成功率。

附图说明

图1是按照本发明的回流焊接系统的主要功能组件的平面图；

图2是按照本发明的电加热装置的结构示意图；

图3是按照本发明的液氮冷却装置的结构示意图；

图4a是按照本发明一个优选实施例的液氮分配器的结构示意图；

图4b是按照本发明另一优选实施例的液氮分配器的结构示意图；

图5是按照本发明的具有多个转盘的工作转盘的立体结构图；

图6是利用本发明的回流焊接系统所对应的回流焊曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或部件，其中：

1风扇    2电热元件    3工作转盘    4液氮分配器    5风扇    6液氮喷口7试验箱    8低温阀    9低温电磁阀    10冷却温控器    11自增压液氮罐12测温元件    13放空阀    14继电器    15直流电源    16加热温控器17转轴    18转盘

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的回流焊接系统的主要功能组件的平面图。如图1中所示，按照本发明的回流焊接系统主要包括内部充满氮气呈密封状态的试验箱7、设置在试验箱7内部用于放置待焊接电子元器件和焊料的工作转盘3，用于对焊接过程中的所用焊料执行加热的电加热装置，以及用于对熔融回流的焊料执行冷却的液氮冷却装置等构成。试验箱7在本实施例中呈六面体的密封腔体结构，其内部充满氮气以作为回流焊接的保护气体。试验箱7在制冷时氮气可以排空，对试验室有一定的密封要求，但密封要求不高。由于有加热元件加热和液氮进行冷却，所以能形成回流焊接曲线，对于一般的电子元器件都能焊接。焊接是在氮气的保护气氛下进行，这样可以防止焊接过程中由于氧气的存在，产生空洞，以提高焊接质量。

在试验箱7内部，设置有工作转盘3，工作转盘3的两侧则分别设置有构成电加热装置组成部分的电热元件2和构成液氮冷却装置组成部分的液氮分配器4。在电热元件2和液氮分配器4的附近，分别设置有风扇1和风扇5。此外，试验箱7还配备用于泄压的液氮放空阀13，当加热时气体膨胀或者冷却时液氮分配器4中喷出的氮气使试验箱7内的气压升高时，放空阀13便开启进行工作。

图2是按照本发明的电加热装置的结构示意图。如图2中所示，电加热装置主要包括220V的交流电源、与此电源相连并构成回路的电热元件2，以及设置在电热元件2附近的风扇1。当接通电源时，电热元件2发热并对试验箱内部的氮气进行加热，风扇1则将加热后的氮气吹向工作转盘区域，由此在试验箱内的温度达到焊接温度时实现焊料的熔融回流。这个220V的电流回路的特点是电流比较大，有利于电热元件进行大功率的电加热。

在220V交流电源与电热元件2构成的回路中，还设置有继电器14。采用了小电流的回路来控制大电流回路的开通和切断。继电器14与一个譬如为24V的干电池电源构成另外一个回路，在该回路中设置有加热温控器16，该加热温控器16与设置在试验箱7内适当位置的测温元件12功能相连，这样通过测温元件12对试验箱7内部加热温度的测量和反馈，可以相应使加热温控器16动作并利用继电器14来控制由220V交流电源与电热元件2所构成回路的接通和切断，由此实现对试验箱7内部的加热温度的调节和控制。加热控制器16的显示部分的电路，由220V的电源驱动。而小电流回流则由24V的直流电源驱动。

图3是按照本发明的液氮冷却装置的结构示意图。如图3中所示，液氮冷却装置主要包括自增压液氮罐11、低温阀8、低温电磁阀9、液氮分配器4以及风扇5等部件。自增压液氮罐11是一个大致呈圆柱体形状的压力容器，由不锈钢材料制成，用于贮藏处于液体状态的氮气并利用容器内少量液氮吸收来自环境中的热量来汽化以产生压力使得容器能自动排放液氮。低温阀8能够在低温下正常工作，用于手动控制液氮从自增压液氮罐11到低温电磁阀9的输送或停止输送。低温电磁阀9通过冷却温控器10来自动控制液氮继续输送至液氮分配器4的通断。液氮分配器4是具备多个喷口的元件，用于向熔融回流的焊料喷出液氮并使其完成冷却。虽然液氮的温度极低，在瞬间会达到非常低的温度，但由于可以对从液氮喷口6中出来的液氮的流量进行精确控制，而且液氮出来后迅速与来自风扇5的气流相混合，不会产生冷却温度过冷或者温度无法控制的情况。为了提高熔融回流的焊料的温度均匀性，经过试验和实践证明，通过在液氮分配器4的后部设置相应的风扇5，能够通过风扇5的转动来扰动并混合液氮蒸汽与试验箱7内气体，从而防止液氮喷出后产生局部过冷的问题。

图4a是按照本发明一个优选实施例的液氮分配器的结构示意图。如图4a中所示，液氮分配器4呈平面螺旋管形，并且管壁上开有许多圆孔作为液氮喷口6，孔与孔之间相隔一定的间距，错落有致。液氮从平面螺旋管的一端进入，液氮沿管路逐渐从液氮喷口喷出，从另一端出来的液氮的流量是很少甚至是微乎其微了。

图4b是按照本发明另一优选实施例的液氮分配器的结构示意图。如图4b中所示，液氮分配器4呈上下对称且相互连通的蛇形管结构，并在其管壁上开有多个孔状的喷口6。沿蛇形管路方向，隔一段距离布置一个圆孔作为液氮喷口。这种液氮分配器的设计方式，用在长方体的试验箱中有一定的优势。液氮的进口和出口布置在同一侧，方便液氮分配器4的安装。

图5是按照本发明的具有多个转盘的工作转盘的立体结构图。如图5中所示，在本实施例中，工作转盘3包括转轴17和固定地安装在转轴17不同高度位置上的三个转盘18，转盘18呈圆盘形，其盘面上具有多个圆形的孔状结构，此种孔状结构有利于试验箱7内的气体的流通，从而有利于盘面上焊料的温度均匀。

图6是利用本发明的回流焊接系统所对应的回流焊曲线图。如图6中所示，电加热使试验箱7内的气体温度升高，通过测温元件的测量和温度控制器的控制作用，以形成上述回流焊接温度曲线。温度由常温升到160℃，升温速率为3℃/秒，然后温度保持60～120秒，升温速率降至0.5～1.5℃/秒，接着进入回流焊接段，达到无铅焊接的熔点217℃，焊料熔融。温度从保温区到焊接温区，温升速率为2～3℃/秒，在220℃持续30～50秒。接下来，就是把熔融的焊接进行温度可控的液氮冷却，冷却速度为2～6℃/秒。这个焊接温度曲线为焊接控制的理想示意图，实际的温度曲线过渡较为圆滑。

下面将具体描述使用按照本发明的回流焊接系统来执行焊接及快速冷却的过程。

首先，在回流焊接前，将待被焊接的电子元器件和焊料平稳地放在工作转盘3上并保证试验箱7的密封性能。

接着，让电加热装置进行升温，电热元件2开始发热，同时风扇1开始转动，把加热之后的热氮气吹向处于工作区域的工作转盘3。工作区域的空气可以通过风道又回到风扇处，进行循环加热。当把试验箱7内的氮气气氛加热时，形成如图6中所示的回流曲线升温段，由此执行回流焊接过程。当达到焊接温度之后，电热元件2的加热停止，并打开自增压液氮罐7的低温电磁阀9，液氮便从液氮分配器4的液氮喷口6喷出来，经过风扇5产生的气流扰动，便可对试验箱7内的空间进行冷却。液氮气氛在试验箱7内进行循环冷却，一定时间后便形成如图6所示中的回流曲线降温段。冷却完毕后，便完成了一次焊接过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种回流焊接系统，该系统包括：

内部充满氮气呈密封状态的试验箱；

工作转盘，该工作转盘设置在所述试验箱内，由转轴和转盘构成，所述转盘固定在转轴上，连同转轴一起转动，用于放置待焊接的电子元器件和焊料；

电加热装置，该电加热装置包括电源、与此电源构成回路并设置在所述工作转盘一侧的电热元件，以及设置在电热元件附近用于将加热后的氮气吹向工作转盘区域的风扇；

液氮冷却装置，该液氮冷却装置包括用于存贮液氮的自增压液氮罐、与自增压液氮罐连通并设置在所述工作转盘另外一侧的液氮分配器、用于控制自增压液氮罐与液氮分配器之间的连通或断开的低温阀，以及设置在液氮分配器附近用于将液氮蒸汽与试验箱内气体进行搅动混合的风扇。

2.如权利要求1所述的回流焊接系统，其特征在于，所述工作转盘包括多个转盘，这些转盘固定地安装在所述转轴的不同高度位置上，转盘的盘面各自具有多个开孔结构。

3.如权利要求1或2所述的回流焊接系统，其特征在于，所述电热元件是电阻加热丝或者电热管，所述设置在电热元件附近用于将加热后的氮气吹向工作转盘区域的风扇由耐热材料制成。

4.如权利要求1-3任意一项所述的回流焊接系统，其特征在于，所述的液氮分配器呈平面螺旋管结构，并在其管壁上开有多个孔状喷口。

5.如权利要求1-3任意一项所述的回流焊接系统，其特征在于，所述液氮分配器呈上下对称且相互连通的蛇形管结构，并在其管壁上开有多个孔状喷口。

6.如权利要求1-5任意一项所述的回流焊接系统，其特征在于，所述回流焊接系统还包括温度控制装置，所述温度控制装置由测温元件、加热温度控制装置和冷却温度控制装置共同组成。

7.如权利要求6所述的回流焊接系统，其特征在于，所述加热温度控制装置包括根据测温元件所测得的温度来确定是否继续加热的加热温控器，和根据所述加热温控器所发出的指令来连通或断开电热元件所在回路的继电器；所述冷却温度控制装置包括根据测温元件所测得的温度来确定是否继续输送液氮进行冷却的冷却温控器，和根据该冷却温控器所发出的指令来连通或断开液氮的从所述低温阀至液氮分配器之间输送的低温电磁阀。

8.如权利要求1所述的回流焊接系统，其特征在于，所述试验箱还包括放空阀，该放空阀在试验箱内氮气压强过高时起降低气压的作用。

9.一种使用如权利要求1-5任意一项所述的系统进行回流焊接的方法，该方法包括下列步骤：

将待焊接的电子元器件和焊料放置在工作转盘的转盘面上；

接通电源令电热元件发热，同时开启位于电热元件附近的风扇将加热后的氮气吹向工作转盘区域，当试验箱内的温度达到焊接温度时实现焊料的熔融回流；

在焊料完全熔融回流之后，断开电源以停止电热元件的发热；

以及开启低温阀使得液氮从自增压液氮罐输送至液氮分配器并从其喷出，同时开启位于液氮分配器附近的风扇以将液氮蒸汽与试验箱内气体进行搅动混合，由此实现焊料的冷却凝固。

10.如权利要求9所述的进行回流焊接的方法，其特征在于，在焊料熔融回流的过程中，通过包括测温元件、加热温控器和继电器的装置来自动执行加热温度控制；此外，在焊料冷却凝固的过程中，通过包括测温元件、冷却温控器和低温电磁阀的装置来自动执行冷却温度控制。

Images