CN102770226A - 热电极清洁方法 - Google Patents

Abstract

一种用于清洁热电极尖端的方法，其包括施加能量脉冲至所述热电极尖端。所述能量脉冲涉及升高热电极尖端的温度高于热电极尖端的工作温度。热电极尖端的清洁方法可以包括在工作温度下周期性地进行预定数量的焊接循环；和施加能量脉冲至热电极尖端。

Description

热电极清洁方法

相关申请

本发明要求2009年11月26日提交的U.S.临时专利申请61/264,690的优先权，在此将其引入以作参考。

技术领域

本文件一般地涉及热电极清洁。更具体地，本文件涉及用于清洁热电极焊接尖端的清洁方法。

背景技术

热电极是用于热和压力的局部施加的器件，通常地在焊接应用中已知为“热把回流焊接(Hot-bar reflow soldering)”。一旦将热电极与期望的位置相接触，通过热电极尖端的直接电阻加热产生局部加热。“焊枪”是通常的实例。

热电极焊接的主要优点是在温度范围内精确控制下的极快的温度变化(直至1000摄氏度每秒)，同时组件通过热电极接触压力而机械地保持。此外，由于热电极的最热的部分通常与部件接合区域直接接触，因此出现有效的热传递和物体的迅速加热是可能的。接合区域是被处理的部件的区域，其中在至少两面之间期望回流焊接接合。由于尖端具有小的热质量，因此完全接合的迅速冷却和凝固是可能的。可以另外使用强风冷却以降低焊接循环所需的时间。

在通常使用时存在多种热电极，其主要不同在于尖端的形状和使用的材料。热电极通常包括以下元件：

■引线(Terminals)：施加电源的电触点(electrical contact)。

■支座(Mount)：机械地支承热电极的装置(可能与支承引线的结构相同)。

■接头(Shank)：支承尖端和将导入电流至其的装置。

■尖端：高电阻部分，其中产生主要的热。

■过渡区：连接尖端至支座的装置。

■工作面：尖端的部分，其与待加热的物体相接触。

■热电偶：连接至接近工作面的尖端的用于确定工作温度的器件。

当热电极、尤其是热电极尖端由于熔解/焊接残余物的生成和工作面的逐渐冶金污染(统称为残余物或残渣)而需要清洁时，会产生问题。甚至在包含小于5％固体的免清洗焊剂配方(no-clean flux formulation)的情况下，由于免清洗焊剂的实际熔化量通常为初始焊剂重量的约50％，因此经时间仍然存在残余物生成。清除残余物需要制造系统数小时停工时间和降低的使用寿命，这会使得一家公司在一年内失去数千美元的收入。目前的方法要求每隔150至175个焊接循环将热电极焊接尖端磨蚀地擦洗或化学清洁。

当前，采用各种热电极尖端清洁方法；尽管不是没有它们的缺点。用于热电极尖端清洁的其它常规方法是使用浸泡在水或化学清洁溶液中的海绵。也可以使用气喷净法(air blast)来清洁热电极尖端。气喷净法和湿式海绵法两者通常没有消除对机械擦洗热电极的需要，但是会有些降低机械擦洗的频率。这些方法通常各自在焊接位点需要另外的加工。因此，存在对于至少克服常规系统和方法的某些缺陷的清洁热电极方法的需要。

发明内容

本申请涉及清洁热电极的方法，其意欲用较少的时间来完成，需要最小的另外加工或移动并且改进热电极的有用寿命。该清洁方法也不意欲降低焊接加工可靠性或产生会污染局部环境的另外的颗粒。

在一个方面，提供了一种用于清洁热电极尖端的方法，其包括当所述热电极尖端不与接合体接触时施加能量脉冲至热电极尖端，以使热电极尖端达到高于尖端的工作温度的预定温度。该方法会导致在正常机械擦洗循环之间更长的间隔和热电极寿命的显著增加。

在另一个方面，如在此所述，提供一种用于清洁热电极尖端的方法，其包括周期性地在工作温度下进行预定数量的焊接循环；和当所述热电极尖端不与接合体接触时施加能量脉冲至热电极尖端，以使热电极尖端达到高于尖端的工作温度的预定温度。

在以上方法中，能量脉冲会使热电极尖端达到预定温度预定量的时间。

在上述方法的某些情况下，热电极尖端的温度在能量脉冲期间会升高至高于工作温度。在某些情况下，热电极尖端会被升高到至少大于工作温度的120％、至少大于工作温度的200％、或至少大于工作温度的250％的温度。将施加的能量脉冲的温度和时间量可以基于考虑到热电极尖端的材料决定的制造参数和温度范围而确定。

在上述方法的某些情况下，所述能量脉冲是外部施加的。

考虑到具体实施方案的以下描述与附图，其它方面和特征对于本领域技术人员而言变得显而易见。

附图说明

实施方案将仅借助实施例参考附图来描述，其中：

图1A示出典型的热电极的正视图构造。

图1B示出图1A中典型的热电极的侧视图。

图1C示出图1A中典型的热电极的透视图。

图2示出典型的热电极回流焊接处理的流程图。

图3示出在现有技术中实施的典型的热电极清洁循环的流程图。

图4示出根据本申请的一个实施方案的热电极清洁方法的流程图。

图5示出由于使用在现有技术中实施的典型的清洁循环，最后进行的机械擦洗，在175次接合之后的热电极工作面。

图6示出由于使用在本申请中提供的清洁方法，最后进行的机械擦洗，在375次接合之后的热电极工作面污染。

图7A示出不使用本方法的回流焊接温度曲线。

图7B示出根据能量脉冲清洁系统的一个实施方案的回流焊接温度曲线。

具体实施方式

在此处的一个方面，公开了包括施加能量脉冲至热电极尖端的用于清洁热电极尖端的方法。

典型的热电极构造示于图1。所述热电极包括施加电源的引线(1)和用于支承和导入电流至尖端(3)的接头(2)。过渡区(4)允许连接尖端(3)至支座(2)。工作面(5)是尖端的部分，其与部分接合区域相接触。特别地，尖端(3)和工作面(5)由于残余物生成、运行的焊接循环和副产物通常需要清洁。

图2示出典型的热电极回流焊接处理。首先将热电极降低至接合区域(10)。接着将热电极升高至预加热温度(11)以致接合所需要的温度水平。一旦达到预加热温度，将热电极保持在该温度下(12)。将热电极适用于接合，提高在液相线温度以上的接合(13)。接着将热电极冷却，其在固相线温度以下冷却接合(14)。冷却可以通过吹空气而促进。然后将热电极尖端移出接合区域(15)。通常将是移至下一个接合位置(16)，或者可以在热电极位置下移动部件以露出新的接合位置。该热电极焊接处理通常6秒每个接合。在某些情况下，在移动至准备好被焊接的新的接合区域或新的部分和再开始处理之前会存在等待(17)。

图3示出典型的清洁循环的流程图。首先，例如，如在图2中所示，热电极焊接当前的接合区域(20)。一旦焊接当前的接合区域和处理必须确定部件本身是否是完整的(21)。如果在当前的部件上至少存在一个其它的接合区域，处理通常将移动至下一个接合(22)，直至在部件上所有接合是完全的。

如果在部件上所有的接合是完全的，可以检查接合质量(23)，例如通过电测试等。如果接合质量是可以接受的，方法将等待下一个部件(24)接着再开始循环。如果确定接合质量是不充分的，需要进行热电极尖端的机械擦洗(25)。在某些情况下，可以理解的是接合质量可以实际上被检测，而在其它情况下或另外的，接合的预定数量可以设定为对于当将进行机械擦洗时的限定。预定数量可以通过进行产生的接合的测试或研究而预先确定。

在热电极工作中回复原位和持续焊接处理之前，可以进行机械擦洗(25)高达20秒。在进行机械擦洗之后，可以检查热电极的质量以确定热电极是否被磨穿(26)或者其是否能够继续下一个焊接循环。热电极的检查可以是目视检查，加热能力的测试，或者本领域已知的其它类型的测试。如果热电极被磨穿，会停止生产以进行维护保养(27)，期间更换热电极。停止生产和完成维护保养会需要大量时间，有时高达半小时。在此期间，暂停焊接处理。在一年内，该停工时间会累计失去数千美元的收入。

机械擦洗(25)包括用研磨材料如擦洗垫或砂纸手动擦洗热电极。在该过程中，通常去除残余物和部分尖端材料两者。该过程稍后会损害热电极的机械结构、降低热质量和改变热产生通道的电阻。所有这些会磨损热电极和损害焊接工艺的有效性并降低热电极寿命。频繁的机械擦洗将增加总体处理时间，消耗数分钟以移动擦洗工具至位置处并且进行各个擦洗循环。

每次发现接合质量是不充分时，除此以外还可以施加其它的物理清洁技术或者代替完成机械擦洗。例如，可以使用湿式海绵法。然而，该方法需要传感器确定要用于清洁热电极尖端的海绵的润湿度。此外，该清洁方法必须当热电极尖端是热的时候完成，其会变为火灾。在机械清洁时，每个循环都需要湿的海绵清洁和包括移动海绵用的马达、水箱和泵的另外的工具是必需的以保持海绵湿润。

也可以将吹气用于清洁热电极尖端，尽管该方法具有产生会污染部件和局部环境的空气传播的颗粒的可能性。在使用湿式海绵法或者吹气法的情况下，如果在已经完成湿式海绵或吹气清洁之后，发现接合质量是不充分的话，仍然需要机械擦洗。

为了克服常规方法的至少某些缺点，本申请提供了一种在各个焊接操作之后、各个部件之后、或者在预定数量的焊接操作之后，施加能量脉冲至热电极尖端的方法。如图4中所示，本方法的焊接处理与常规方法类似地开始，其中焊接当前的接合(30)，工艺确定部件是否完工(31)和在当前的部件上是否存在至少一个其它的接合区域，工艺将移至下一个接合(32)。

一旦部件完工，可以检验接合质量(33)，如果接合质量是充分的，该方法将进行能量脉冲清洁(34)。该能量脉冲清洁(34)优选地在停机期间进行，当不使用热电极时，例如，当等待新的部件进入工艺中。

能量脉冲由升高热电极尖端温度至高于热电极的加工温度的预定温度预定的时间段构成。以此方式，可以认为能量脉冲是时间和温度以及待输入能量的量的函数，通过高温短时间或者较低温度较长时间。温度和时间可以基于各种因素而确定或者通过如将在本领域中所理解的测试。在制造环境中，所需要的时间典型地通过工艺参数如部件移动和所进行的活动数量等来确定。如此，所需要的温度通常至少部分地由所得的时间的量来预先确定。当然，将理解的是，在某些情况下，有必要升高热电极尖端的温度比可得的循环时间更长的时间，然而考虑到制造效率这通常不是优选的。

在常规的焊接工艺中，当热电极停工时通常降低热电极尖端温度低于加工温度(参见图7A，以下进一步详细描述)。例如这可能因为当停工时能量可以通过使得热电极尖端冷却而保存。与该常规途径相比之下，此处的方法使用能量脉冲升高热电极尖端温度高于加工温度。通常地，优选温度增加到至少大于加工温度的120％的温度。在某些情况下，温度可以大于加工温度的150％。在其它情况下，温度可以大于加工温度的200％。在又一些其它情况下，温度可以大于加工温度的250％。在所有的情况下，温度的增加应当保持在低于会损坏热电极尖端的任何温度。如上所述，能量脉冲可得的时间通常基于其它因素而确定但是根据要使用的温度可以在大于0.1秒的范围内。要理解的是，如在此使用的词语“脉冲”不意欲限定可以施加的能量的时间的量，而是为了方便而使用，因为考虑到制造效率，时间理想地比较长要短。

通常当热电极尖端不与接合区域接触时进行能量脉冲，以致不会出现接合区域的另外加热。温度可以通过热电极的正常操作并且使用闭环温度控制而升高。另外，温度可以通过将尖端暴露于能量或热的外部来源而升高；尽管该方法需要另外的加工。

在一个特别的实例中，使用的焊料是可具有液相线温度为240°的锡类焊料。用该材料的用于焊接的正常回流温度可以具有320°的加工温度。在该实例中，配置能量脉冲以提高热电极尖端温度至加工温度的约两倍，保持约10秒的时间，在该工艺中，这是系统准备好焊接下一个部件所需要的时间的量。

在能量脉冲清洁(34)期间，认为将残留在热电极尖端上的任何焊料升高至焊料的表面张力足以在工作面上形成球形珠的温度和至少一部分残余物燃烧掉和蒸发。例如，在使用钛热电极时，残余物没有很好的接合至通常存在于热电极尖端上的氧化钛和能量脉冲使得氧化钛改良和保护热电极尖端。还会发生其它化学反应以保护热电极尖端没有残余物。

在能量脉冲处理期间会产生少量燃烧副产物。在某些情况下，残留的焊料和燃烧副产物会停留在热电极尖端并且，在以下焊接循环期间，认为随着焊料熔融，残渣从热电极尖端转移回到焊接接头的表面。残渣表现为残留在表面上并且认为残渣没有转移至接合中。

一旦完成能量脉冲清洁并且系统准备好加工下一个部件(35)，再次开始该循环。如果在下一个或接下来的循环结束时热电极尖端清洁度是不充分的(33)，可以进行机械擦洗(36)。在机械擦洗之后，可以检查热电极尖端的品质(37)，如果需要更换热电极的话，可以停止生产以维护保养(38)。

热电极尖端的清洁度可以用各种方式估计或确定，这将帮助确定在能量脉冲和机械清洁之间的焊接操作(循环)的数量。例如，可以控制从热电极尖端转移至接合的能量，在测试运行期间或生产时，以确定在清洁之前焊接循环的适当数量。

测试已经显示能量脉冲清洁方法显著地降低对于机械擦洗循环的需要。在一个实例中，发现对于没有暴露于能量脉冲的热电极通常需要4倍多的机械擦洗。此外，暴露于能量脉冲清洁的热电极在磨损和需要被更换之前能够进行几乎3倍的接合。

进一步在图5和6中示出使用在此所述方法的热电极的增加的清洁度。图5示出由于使用典型的现有技术，最后进行的机械擦洗，在175次接合之后的热电极工作面，而图6示出由于使用能量脉冲清洁方法，最后进行的机械擦洗，在375次接合之后的热电极工作面污染。甚至在2倍多的接合时，利用能量脉冲清洁方法的热电极也包含比在典型工艺中热电极的工作面更少的残余物。

图7A和7B示出在使用和不使用能量脉冲清洁方法时的焊接温度曲线。在图7A中，该工艺以停工温度(40)开始接着升温(41)然后在开始焊接(43)之前保持温度(42)。一旦完成焊接，传统的工艺冷却(44)接着在重复上述工艺之前在停工温度(46)下等待。在图7B中，本能量脉冲清洁方法的温度曲线以类似的方式开始，其中热电极在停工温度(40)下开始，加热(41)接着在开始焊接工艺(43)之前保持温度(42)。接着该方法在热电极已经完成接合工艺(44)之后提供能量脉冲(45)。该能量脉冲帮助清洁热电极并且减少残余物由此降低用于机械清洁的频率。如上所述，在各个焊接操作之后不必要施加能量脉冲。此外，在施加能量脉冲之前不是必要地需要冷却热电极尖端。

能量脉冲清洁方法使得能量脉冲清洁在不需要另外的外部加工的情况下完成。由于碳残渣和过量的焊料会残留在热电极尖端上和被移动至稍后的焊接循环，没有残渣被排至空气，不需要湿式海绵清洁等并且在能量脉冲期间，热电极尖端没有经历磨损和撕裂。在本方法中热电极尖端的机械擦洗需要在降低的频率下，这会延长热电极尖端的使用寿命。

能量脉冲方法意欲产生连续自清洁机理，这通常会保持热电极尖端清洁和没有残渣。已经观察到将该方法应用于钛热电极，甚至在700个焊接循环之后，钛热电极也保持相当清洁。在这些循环期间不需要进一步擦洗以清洗热电极尖端用于下一步焊接工艺。

该方法优选与钛热电极尖端一起使用；尽管由钼、Inconel

钨和其它具有类似性能的金属制成的热电极尖端也受益于该工艺。目前优选的热电极金属包括：低电阻级钛如ASTM级1，2，3或4的商业纯Ti；具有适当电阻的Ti如ASTM级12，15，17或9的合金；特别的用于具有相对小的尖端的热电极的钛的其它合金。具有非钛热电极的该方法的使用还没有详细测试。

在前述描述中，为了解释的目的，为了提供实施方案的彻底理解提出众多细节。然而，对于本领域技术人员而言明显的是，为了实施这些实施方案不需要这些具体细节。在其它实例中，为了不使得实施方案难以理解，可以以方框图形式示出公知的电结构和回路。

上述实施方案仅意欲作为实例。在不偏离主要通过此处所附的权利要求所限定的范围的情况下，可以由本领域熟练技术人员对特定的实施方案进行替换、改造和改变。

Claims (15)

1.一种用于清洁热电极尖端的方法，其包括：

当所述热电极尖端不与接合体接触时施加能量脉冲至热电极尖端，以使热电极尖端达到高于尖端的工作温度的预定温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述热电极尖端保持在预定温度下预定量的时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量脉冲是外部施加的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定温度至少大于工作温度的120％。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定温度至少大于工作温度的200％。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定温度至少大于工作温度的250％。

7.根据权利要求2所述的方法，其中施加能量脉冲的预定量的时间由热电极尖端的材料决定的制造参数和温度范围而确定。

8.根据权利要求1所述的方法，其中能量脉冲的预定温度由热电极尖端的材料决定的制造参数和温度范围而确定。

9.一种用于清洁热电极尖端的方法，其包括周期性地：

在工作温度下进行预定数量的焊接循环；和

当所述热电极尖端不与接合体接触时施加能量脉冲至热电极尖端，以使热电极尖端达到高于尖端的工作温度的预定温度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述热电极尖端保持在预定温度下预定量的时间。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述预定温度至少大于工作温度的120％。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述预定温度至少大于工作温度的200％。

13.根据权利要求10所述的方法，其中施加能量脉冲的预定量的时间由热电极尖端的材料决定的制造参数和温度范围而确定。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述能量脉冲是外部施加的。

15.根据权利要求9所述的方法，其中能量脉冲的预定温度由热电极尖端的材料决定的制造参数和温度范围而确定。

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