CN102825359A - 用于在钎焊期间提供惰化气体的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于在钎焊期间提供惰化气体的设备和方法。其中，描述了一种在向工件施加钎焊期间提供惰化气体的设备和方法。在一方面，提供一种在工件的钎焊期间向钎料储存器上方的气氛内提供惰化气体的外壳，其包括：管，其与惰化气体源流体连通，其中管包括一个或多个开口供惰化气体流从中穿过；基部，管处于基部中且该基部包括内部容积；颈部，其包括开口和与基部的内部容积流体连通的内部容积；以及，帽，其靠近开口，其中惰化气体源通过管行进到该内部容积内且通过由颈部和帽限定的开口到该气氛内。

Description

用于在钎焊期间提供惰化气体的设备和方法
技术领域
在本文中描述了用于在钎焊(soldering)期间提供惰化气体(inertinggas)的设备和方法。更具体而言，本文描述了一种在使用氮气和/或其它惰化气体的波峰钎焊期间提供惰化气体的设备和方法。
背景技术
诸如印刷线路板或电路板的工件具有需要钎焊涂布和接合的越来越小的可湿润表面。用于波峰钎焊的典型操作涉及钎焊浴槽，待钎焊的印刷电路板或工件被输送通过钎焊浴槽。常规自动波峰钎焊设备包括焊剂涂覆(flux application)，预热器，和钎焊站，钎焊站被布置成处理印刷电路板。印刷电路板沿着移动轨道或输送机运输，且其侧边缘由抓握指状物支承。焊剂可通过使得板与焊剂泡沫或喷射接触而涂覆。电路板然后通过预热区以便使得焊剂减少在待钎焊的金属表面上的氧化物。电路板然后与空气或惰化气氛中的熔融钎料(molten solder)的单个或多个波接触。
惰化气氛通常为氮气(N2)和/或其它惰化气体且常常被称作N2惰化。在惰性气体(inert gas)和/或氮气气氛下的钎焊最小化在钎料表面上形成浮渣或氧化物。存在浮渣和/或氧化物层已知会造成钎焊接头中的缺漏、桥或其它缺陷。靠近钎焊波(其在操作期间由波峰钎焊设备产生)为多孔管路或管，多孔管路或管平行于钎焊波延伸且用于输送惰化气体和/或N2气体以提供相对低的氧气气氛，特别是在待钎焊的工件下方。
对于无铅波峰钎焊，包括N2的惰化气氛的值由于以下原因而进一步增加。使用常用的无铅钎料的过程温度显著地高于常规锡铅钎料的温度，这是由于常用无铅钎料增加的熔点造成。这种过程温度升高促进了浮渣形成。而且，无铅钎料的成本通常远高于常规锡铅钎料的成本，且由浮渣形成造成的钎料浪费相关联的经济损失显著地大于无铅波峰钎焊的损失。此外，无铅钎料的湿润性能与常规锡铅钎料的性能相比固有地较差。因此，所形成的钎焊接头的品质对于无铅钎料表面上的氧化状态更敏感。
熟知在波峰钎焊中的惰化能显著地减少在熔融钎料表面上浮渣形成。减少浮渣形成不仅节省了钎料材料并减轻维护要求，而且也改进了钎料湿润且确保所形成的钎焊接头的品质。为了在现有波峰钎焊机中施加惰化气氛，一种常用的方案是插入笼状保护壳体，其具有安装于内部到熔融钎料储存器内的扩散器。因此在钎料储存器上形成惰化气氛覆盖层，降低了钎料氧化的倾向。
扩散器通常由多孔管制成，多孔管将诸如N2和/或其它惰化气体的惰化气体引入到钎焊站。但是多孔管变得易于由于波峰钎焊过程中的钎料喷溅或焊剂蒸气冷凝而堵塞。一旦扩散器管堵塞，将在很大程度上降低惰化的效率。例如，目前清洁扩散器管的方法(诸如使用填充了清洁溶液的超声浴)极其困难且耗时。这些管的清洁必须定期执行且能对管造成物理损坏。为了避免这些问题，扩散器管通常在它们变得堵塞时替换掉而不是进行清洁。这增加了终端使用者的总成本。
因此，为了改进在波峰钎焊中N2和/或其它惰化气体的惰化应用，需要设备、方法或二者满足以下目的中的至少一个或多个。首先，需要惰化设备和方法将N2或其它惰化气体消耗减少到特定水平，诸如(但不限于此)每小时12立方米(m3/hr)或更小，以惰化生产规模的钎料储存器从而满足应用该技术的成本效益。其次，需要惰化设备和方法将在熔融钎料表面上方的O2浓度减少到特定水平，诸如(但不限于此)百万分之2500(ppm)或更低，或2000ppm或更少，其对应于并无电路板加载于钎料炉上方的情况。第三，需要惰化设备和方法使用安装和维护简单的设备，以最小化改造成本。此外，需要该设备或方法减少或排除多孔扩散器管的堵塞以确保稳定且长期持续的惰化性能。
发明内容
本文所述的设备和方法实现了使用氮气和/或其它惰化气体惰化的上述目的中的至少一个或多个目的，其可比目前使用的相当方法和设备更具有成本效益且更具有使用者友好性。
在本发明的实施例中，一个或多个扩散器管包含于外壳内。在一特定实施例中，外壳为瓶形且限定内部容积。在操作期间，外壳的至少一部分，诸如基部和颈部下部，浸没于钎料储存器(solder reservoir)内。外壳还具有延伸到开口的颈部和靠近开口的帽。包含于外壳内，诸如在外壳基部中的扩散器管具有通过它的惰化气体流动。惰化气体通过扩散器管中的开口且到外壳的内部容积内。惰化气体然后通过颈部且从开口出来，在那里，其被导向至钎料储存器上方的气氛(atmosphere)内。在某些实施例中，外壳、颈部、帽或其组合的至少一部分可包括不粘涂层或材料。在一特定实施例中，封闭的至少一个扩散器管包括中央扩散器管(diffuser tube)或位于钎焊波(solder waves)之间的扩散器管。在一替代实施例中，在钎料储存器中采用三个扩散器管且封闭所有三个扩散器管。在这些或其它实施例中的一些实施例中，外壳材料包括钛以便避免外壳材料由于熔融钎料而溶解。
在本发明的一些实施例中，提供一种用于在工件的钎焊期间提供惰化气体的外壳，包括：基部，其包括与惰化气体源流体连通(fluidcommunication)的内部容积；颈部，其包括开口和与基部的内部容积流体连通的内部容积；帽，其靠近所述开口；以及，管，其包括一个或多个开口供惰化气体流从中穿过，其中管在基部内且与惰化气体源流体连通；其中惰化气体行进穿过管到基部和颈部的内部容积内且穿过开口出来。
优选地，根据上述的外壳，其中，在所述管中的开口为孔隙且平均孔隙大小为0.2μm或更小。
在本发明的其它实施例中，提供一种用于在工件的钎焊期间提供惰化气体的设备，设备包括：在设备底部上的至少一个凹槽，其用于放置到钎料储存器的至少一个边缘上，其中钎料储存器包含熔融钎料且其中凹槽的至少一个侧壁和设备的至少一个壁限定在钎焊储存器外的腔室；在设备顶表面上的至少一个开口，从钎料储存器发射的至少一个钎焊波穿过至少一个开口且接触工件；以及，一个或多个管，其包括与惰化气体源流体连通的一个或多个开口，其中管中的至少一个位于腔室内；其中设备定位于钎料储存器上方且在待钎焊的工件下方从而形成气氛。
优选地，根据上述的设备，其中，所述设备还包括一个或多个凹槽且所述凹槽限定一个或多个腔室，一个或多个侧扩散器管位于所述一个或多个腔室中。
优选地，根据上述的设备，其中，所述钎料储存器产生多个钎焊波且包括中央扩散器管的外壳插置于所述钎焊波之间。
优选地，根据上述的设备，其中，所述惰化气体包括选自下列的气体：氮气，氢气，氦气，氖气，氩气，氪气，氙气，和其组合。
在本发明的另外的实施例中，提供一种用于在工件波峰钎焊期间提供惰化气氛的方法，该方法包括：提供波峰钎焊机，其包括：钎料储存器，其中包含熔融钎料，至少一个喷嘴和至少一个泵，至少一个泵用于从熔融钎焊浴槽产生向上通过喷嘴的至少一个钎焊波；将设备放置于钎料储存器的至少一个边缘的顶部，其中设备包括：在顶表面上的至少一个开口，搁置于钎料储存器的至少一个边缘的顶部的至少一个凹槽；以及，多个管，管包括与惰化气体源流体连通的一个或多个开口，其中工件和熔融钎料的顶表面限定气氛；沿着路径传递工件使得工件的至少一部分接触通过设备开口发射的至少一个钎焊波；以及通过一个或多个管将惰化气体引入到该气氛内，其中至少一个管在外壳内；其中外壳包括：基部，其包括与惰化气体源流体连通的内部容积；颈部，其包括与基部流体连通的内部容积和开口；以及，帽，其靠近开口，其中处于外壳中的管容纳于基部内；以及，惰化气体通过管行进到外壳的内部容积内且通过由颈部和帽限定的开口到该气氛内。
优选地，根据上述的方法，其中，所述外壳、颈部、帽或其组合的至少一部分包括不粘涂层或材料。
优选地，根据上述的方法，其中，所述至少一个管处于邻近所述至少一个钎焊波处。
优选地，根据上述的方法，其中，所述一个或多个管包括孔隙且平均孔隙大小为0.2μm或更小。
优选地，根据上述的方法，其中，所述设备包括一个或多个凹槽，所述凹槽限定一个或多个腔室，所述管中的一个或多个处于所述一个或多个腔室内。
优选地，根据上述的方法，其中，所述钎料储存器产生多个钎焊波且处于所述外壳中的至少一个管插置于所述钎焊波之间。
优选地，根据上述的方法，其中，所述惰化气体包括选自下列的气体：氮气，氢气，氦气，氖气，氩气，氪气，氙气，和其组合。
附图说明
图1示出了本文所述的包括孔隙的扩散器管或多孔管的实施例的等距视图。
图2a提供了本文所述的包括孔隙的扩散器管或多孔管的实施例的分解等距视图，其还包括外壳和帽。
图2a’提供了本文所述的包括孔隙的扩散器管或多孔管的实施例的分解等距视图，其包括外壳和帽且还包括在所述外壳颈部中的一个或多个孔。
图2b提供图2a所示的实施例的组装等距视图。
图2c提供了图2a所示的实施例的侧视分解图。
图2d提供了图2a’所示的实施例的侧视分解图。
图3a提供了外壳或保护壳体的实施例的顶视图，其包含由顶帽封闭于瓶颈部外壳中的中央扩散器管。
图3b提供本文所述和图3a所示的设备实施例的等距视图。
图3c提供本文所述和图3a所示的设备实施例的侧视图，其中，中央扩散器的外壳部分地浸没于熔融钎料内。
图4a提供了实施例的侧视图，其中封闭了中央扩散器管且至少一部分浸没于钎料储存器上。
图4b提供了本文所述且图4a所述的设备实施例的顶视图。
图5a提供了实施例的侧视图，其中封闭了中央扩散器管和两个侧扩散器管且至少一部分浸没到钎料储存器上。
图5b提供了本文所述且图5a所示的设备实施例的顶视图。
图6提供了可用于本文所述的设备和方法的可选覆盖物的等距视图。
图7提供了可选覆盖物的端视图，其能安装于移动轨道上，在所描绘的实施例中，工件在移动轨道上行进。
图8提供了展示用于测量比较实例1中的O2浓度的位置的图片。
图9提供了展示用于测量比较实例2中的O2浓度的位置的图片。
具体实施方式
通过本文所述的用于在钎焊期间进行惰化保护的方法和设备来实现在本领域中目的中的至少一个或多个。本文所述的设备和方法提供在钎焊期间的惰化保护，特别是对于下面的那样的实施例而言：在诸如印刷电路板的工件钎焊期间，可能会出现钎料显著移动和旋流且工件表面增加的氧化。预计可使用本文所述的设备和方法，例如以改造现有波峰钎焊机。在操作中，在本文的一些实施例中，该设备放置于钎料储存器上方且在移动轨道或用于运输待钎焊的工件的其它输送机构下方。容纳于该设备内的一个或多个扩散器管路与诸如氮气，另外的惰性气体(例如，氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和其组合)，合成气体(例如，氮气和氢气的混合物，其包括按重量计高达5％的氢气)或其组合的惰化气体源流体连通以提供惰化气氛。本文所述的设备和方法的一个目的在于在由待钎焊的工件表面和包含于钎料储存器内的熔融钎料表面限定的气氛中减小的氧气(O2)浓度，诸如但不限于百万分之2500(ppm)或更少，其当钎料储存器上方不加载电路板时进行测量。
本文所述的设备预期放置于包含熔融钎料的钎料储存器顶部，其维持在钎料熔点或更高(例如，高达超过钎料熔点50℃)。本文所述的设备具有设置于钎料储存器顶部的内部容积，从而在待焊接的工件(其在钎料储存器上方在移动轨道上在一个方向上输送)与熔融钎料表面之间限定气氛。在一些实施例中，工件由在设备侧边缘的移动轨道或输送机指状物支承且指状物穿过钎焊波。在其它实施例中，工件在它们输送经过波峰钎焊机时支承于托盘、固定件或框架上。钎料储存器中具有一个或多个喷嘴，其投射由钎料泵所产生的一个或多个钎焊波。钎料泵通常为变速泵，其允许终端使用者控制钎料从钎焊波的流量且升高或降低钎焊波的顶峰或波峰来适应处理条件。在本文的一个或多个实施例中，壳体或其它外壳也可放置于钎料泵或钎料泵的一部分周围且可供应惰化气体以形成绕泵至少一部分的惰性气氛，从而最小化浮渣形成。
一个或多个钎焊波通过在本文所述的设备顶表面中的一个或多个开口而接触待钎焊的工件表面。在此过程中，该设备额外地包括一个或多个扩散器管，其包括与诸如N2的惰化气体源流体连通的一个或多个开口、孔口、槽、穿孔或孔隙，使得惰化气体穿过管的内部容积且通过管的开口或孔隙出来到该气氛内。这样一来，在工件穿过钎焊波时，惰化气体均匀地覆盖工件的下表面，前边缘，后边缘和侧边缘。
在本文所述的设备和方法的某些实施例中，最小化放置于钎料储存器顶部的设备大小以增强移动钎焊波周围的惰化效率。在此实施例或其它实施例中，静态熔融钎料表面或者在钎料储存器中设备的基地面外部的区域能由高温材料覆盖，高温材料能耐受包含于焊剂储存器内的熔融钎料的温度。
本文所述的设备和方法包括一个或多个扩散器管，扩散器管包括内部容积和一个或多个开口，一个或多个开口可为(但不限于)孔隙、孔、槽、通风口、孔口、穿孔或允许氮气和/或其它惰化气体传递到管的内部容积内且通过管开口出来的其它方式。在一特定实施例中，管为多孔的且包括大约0.2微米(μm)或更小的平均孔隙大小以提供从多孔管出来的惰化气体或N2气体的层流。在此实施例或其它实施例中，管与惰化气体源流体连通，惰化气体源供应例如N2的惰化气体通过管的内部容积且通过管的开口或孔隙出来到由储存器中的熔融钎料表面和所输送的工件限定的区域内。
通过封闭多孔扩散器管中的至少一个，本文所述的设备通过防止由于钎料喷溅和焊剂蒸气冷凝而堵塞扩散器管的开口或孔隙而满足本领域中需求的一个或多个。就此而言，解决位于中央的扩散器管的堵塞问题是较难的任务，因为中央扩散器管通常位于两个钎焊波之间。常常，在两个波之间的距离大约与扩散器直径相同，使得不存在足够空间来提供在中央扩散器周围具有开放槽的保护壳。本设备的一实施例通过在外壳中容纳中央扩散器而解决了这个问题。外壳包括“瓶颈”型形状，其在颈部顶部上具有覆盖物，其中外壳基部至少部分地浸没于熔融钎料储存器内且颈部从熔融钎料表面出来，诸如图3c所示的实施例中那样。在钎焊波上的惰化气体覆盖层能从外壳颈部顶部的开口产生。
在本文的一个或多个实施例中，本文所述的外壳颈部包括一个或多个孔或其它开口。一个或多个孔被设计成允许钎料通过外壳颈部，从而改进了在钎料储存器内的钎料流动，特别是当外壳定位于两个钎焊波之间时。孔可为圆形，椭圆形，正方形，矩形或任何其它形状，只要允许钎料流动通过。同样，当采用多于一个孔时，孔可以任何排列来布置，例如呈沿着颈部长度的水平线或者呈锯齿状排列。一个或多个孔可具有任何大小从而实现改进钎料流动的目的且其将取决于外壳总尺寸。在某些实施例中，在外壳颈部中的一个或多个孔可布置为从大约1/4”至大约1”直径，或者从大约3/8”至大约7/8”直径，或者从大约1/2”至大约3/4”直径。
在本发明的某些实例实施例中，覆盖物定位于外壳颈部上方以在颈部与覆盖物之间形成开放空间且在其离开颈部顶部的开口时引导惰化气体的流动。该覆盖物可为单独的且可与颈部分开，或者其可在一个或多个点固结到颈部上以便保持覆盖物就位。当覆盖物为单独的且与颈部分开时，可通过将覆盖物固结到另一表面上，诸如到设备的壳体或壁上的一个或多个点且通过任何合适附连方法而将其保持就位。举例而言，该覆盖物可由一个或多个螺钉，销，夹子，通过焊接或通过另外的机制而附连到颈部上，附连到设备的壁上，或者到另一表面上。
本文所述的设备和方法的优点包括下列中的一个或多个：1)扩散器为封闭的，从而避免了由于喷溅的钎料导致的管开口的可能堵塞；2)外壳的颈部窄且包括导热材料，导热材料变热且排除了焊剂蒸气冷凝和喷溅的钎料凝固的机会；3)外壳颈部在某些实施例中可涂布不粘涂层或材料来最小化接触液体焊剂时的焊剂残余物的涂布；以及4)外壳颈部可被制成具有比包含扩散器管的基部更窄的直径，以便装配到两个钎焊波之间的窄空间内而不阻挡或干扰波的动态移动。在某些实施例中，较低的氧气读数，诸如小于百万分之2000，能通过在本文所述的外壳中容纳至少一个或多个扩散器管而实现，其中氧气测量在钎料罐上方不加载电路板的情况下进行。
在一特定实施例中，扩散器管中至少一个容纳于保护外壳的基部内且外壳的至少一部分浸没于熔融钎料内以保持在高温。在此实施例或其它实施例中，最靠近基部的外壳颈部的部分也能充当热导体来保持颈部的上部处在高温。在同一实施例或其它实施例中，由于外壳基部和颈部的预热或者热传导，离开外壳的惰化气体为热的，诸如从大约160℃至大约220℃，或者从大约170℃至大约210℃，或从大约180℃至大约200℃。在一些实施例中，惰性气体(诸如氮气)在周围温度供应到扩散器管且在其行进穿过外壳时加热使得其以大约180℃至200℃离开外壳颈部。在其它实施例中，气体可被预热。在波峰钎焊设备内使用热惰化气体有益于减小钎焊缺陷，诸如不完全或不一致的管筒填充(barrel fill)。管筒填充缺陷是由于温度梯度造成且热惰化气体可用于最小化工件在X-Y和Z方向上的温度梯度。
在一特定实施例中，本文所述的设备和方法解决了在一对钎焊波之间的空间限制。就此而言，可最小化颈部和帽的截面大小到大约5至大约8mm的范围。外壳基部的直径在大约13mm至大约20mm的范围或大约15mm。应了解这些尺寸可取决于波峰钎焊设备的构造而改变且能成比例缩放。特定而言，需要改变外壳颈部的高度，这取决于所用钎焊器械的尺寸。
在包括中央扩散器管和一个或多个侧扩散器管的某些实施例中，仅中央扩散器管包入于本文所述的外壳中。在替代实施例中，中央扩散器管和侧扩散器管中的一个或多个包入于本文所描述的外壳中。
如先前所提到的那样，本文所述的设备包括壳体，壳体包含一个或多个扩散器管和内部容积。在某些实施例中，管可位于多个钎焊波之间，位于钎料储存器的板进入侧，位于钎料储存器的工件引出侧，或其组合。在某些实施例中，管中的一个或多个还可包括瓶形外壳，其具有内部容积以允许惰化气体流入到扩散器管内且出来到该容积内，其中外壳的至少一部分接触或浸没于熔融钎料内。外壳还包括带有开口和帽的颈部，其允许惰化气体流经颈部从由口部和帽限定的开口出来且到该气氛内。在某些实施例中，在外壳颈部开口上的帽的截面为倒置U形、V形或C形。在诸如其中封闭侧扩散器中的一个或多个的其它实施例中(参看，例如图5a)，外壳并不具有帽，因为设备的底侧提供惰化气体进入到由设备和熔融钎料表面限定的气氛内的方向。
在某些实施例中，外壳的至少一部分例如可为设备的竖直壁的部分，诸如用于侧扩散器管中一个或多个的外壳。将一个或多个扩散器管放置于外壳内且到钎焊浴槽内避免了与现有技术相关联的多孔管直接浸没和/或接触钎焊浴槽的先前问题，因为扩散器管容纳于外壳内，外壳防止熔融钎料堵塞多孔管的开口。
在本文所述的设备和方法的一特定实施例中，基部外壳、颈部、帽或其组合的至少一部分包括不粘涂层或材料。不粘涂层的实例为聚四氟乙烯(PTFE)涂层，其可以商标
Figure BSA00000717136600111
不粘涂层得到(Teflon由特拉华州的威明顿(Wilmington，Delaware)的DuPont，Inc.制造)。在本文所述的设备的一实施例中，外壳包括基部、颈部和帽。在这些或其它实施例中，所选的不粘涂层应在或高于无铅波峰钎焊过程中通常使用的熔融钎料温度(例如，高达大约260℃)维持其完整性。在一更特定的实施例中，不粘涂层包括ThermolonTM不粘涂层，由韩国(South Korea)的Thermolon Ltd.制造的无机(矿物质基)涂层，且其可在450℃维持其完整性并避免在高温产生有毒蒸气。
在中央扩散器管处于具有C形，U形或V形帽的瓶形外壳内且还处于一对或多对钎焊波之间的一特定实施例中，在钎料储存器中溶解的焊剂能由于熔融钎料的持续动态移动而直接接触位于第一波与第二波之间的外壳颈部，帽或者二者。当在外壳颈部和/或帽表面上的液体焊剂蒸发或热分解时，固态焊剂残留物可留在外壳颈部表面和/或帽上。因此，不粘涂层可涂覆到外壳基部、颈部、帽或其任何组合上以缩短该设备的例行维护的时间和费用。不粘涂层也能涂覆到设备的内表面或者顶部覆盖物的内表面的至少一部分上，以允许容易地清洁。
在本文所述的设备和方法的又一实施例中，该设备还包括安装于移动轨道上的可选覆盖物，从而形成供工件穿过它的隧道。可选覆盖物还包括通风孔，通风孔与波峰钎焊机的通风排出口流体连通，其允许从覆盖物下方的气氛收集焊剂蒸气。在一实施例中，可选覆盖物由单层金属覆盖物制成，单层金属覆盖物具有连接到机器通风排出口的中心孔。在另一实施例中，可选覆盖物由双层金属板制成，且双层空间连接到炉通风排出口从而形成边界气体阱。在一特定实施例中，在两层金属板之间的距离可在大约1/8”至大约1/4”的范围。当工件或电路板在覆盖物下方传递时，在钎焊区域内产生的焊剂蒸气能通过边界阱来收集，而在钎料储存器周围的空气也能截留于双层空间中从而确保良好的惰化性能。对于在钎料储存器顶部上并无工件或电路板的情况，从如本文所述封闭于惰化设备中的一个或多个扩散器产生的惰化气体能吸入到覆盖物的双层空间下方的容积内，从而形成边界惰化气体幕来最小化进入到该容积内的空气。
图1提供了在本文所公开的设备和方法中使用的多孔管或扩散器的一实施例。多孔管10被描绘为圆柱形管，其具有内部容积15，内部容积15允许诸如氮气和/或诸如(但不限于)另外的惰性气体(例如，氩气、氦气，氖气等)、氢气或其组合的惰化气体流过它且与惰化气体源(未图示)流体连通。在一实施例中，多孔管10由不锈钢制成。但是，用于多孔管10的其它材料也是适用的，只要材料并不与钎料材料起反应。多孔管10通过气体管道或其它方式(未图示)与惰化气体源流体连通。多孔管10还包括多个穿孔，孔隙，或孔20(在本文中统称作“穿孔”)，其允许气体从内部容积15流入到钎焊浴槽，外壳的内部容积(未图示)，由熔融钎料表面(未图示)和待钎焊的工件(未图示)的下侧限定的气氛，或其组合。虽然多孔管10被示出为圆柱形且具有圆形截面，但预计可使用其它几何形状，诸如(但不限于)环形、正方形、矩形、椭圆形等。
穿孔20被设计成使得气体流动由例如圆形孔狭窄地导向，圆形孔如在图1的实施例中所示且分布于钎焊储存器(未图示)的整个长度上。在另一实施例中，穿孔20可为纵向孔或狭缝。在这些或其它实施例中，穿孔20可为斜角或成角度以将气体流动进一步从内部容积15导入至钎焊浴槽(未图示)和/或在钎焊浴槽与工件之间的间隙。穿孔20的平均孔隙大小可在0.05微米至100微米，或者0.1微米至10微米，或0.2微米至5.0微米的范围。在一特定实施例中，穿孔20的平均孔隙大小为大约0.2微米或更小。优化在多孔管10上的穿孔大小和数量以追求从多孔管出来的气态N2层流。在这些或其它实施例中，优选N2和/或其它惰化气体层流来最小化从待惰化的钎焊区域(例如，工件，输送带等)的边界侵入的空气。
图2a、图2a’、图2b、图2c和图2d提供了外壳2000的两个分解等距视图，组装等距视图和两个分解侧视图，该外壳2000包括扩散器管10’，扩散器管10’带有在先前所述的一个或多个穿孔20’。如本文所述的那样，封闭的扩散器管可用作中央扩散器管，一个或多个侧扩散器管或其组合。扩散器管10’具有一个或多个穿孔20’且容纳于外壳基部2010内。基部2010与惰化气体源(未图示)流体连通且容纳扩散器管10’并包括内部容积2015，内部容积2015允许惰化气体源流入到内部容积2015内且到扩散器管10’内，如由箭头2017所示的那样。认为将多孔管包入于外壳内能最小化焊剂和钎料堵塞扩散器开口的机会。虽然多孔管10’和其周围基部2010被示出为圆柱形且具有圆形截面，但预计可使用其它几何形状，诸如(但不限于)环形、正方形、矩形、椭圆形等。外壳2000还包括靠近基部2010的颈部2020和内部容积2025，内部容积2025与基部的内部容积流体连通。外壳2000还包括帽2030，帽203靠近颈部2020的口部，颈部2020的口部限定开口2027，惰化气体通过开口2027向外流动，如由箭头2029所图示的那样。在操作期间，惰化气体在箭头2029所示的方向(参看图2a、图2a’、图2c和图2d)从源(未图示)传递到基部2020的内部容积2015，通过扩散器管10’，通过穿孔20’出来且到颈部2020的内部容积2025内。在一些实施例中，如在图2a’和2d中所图示的那样，外壳2000颈部2020可包括一个或多个孔2023，钎料能穿过一个或多个孔2023，从而改进了在钎焊设备内的钎料流动。
图3a、图3b和图3c分别提供了本文所述的外壳的一个实施例的顶视图、等距视图和侧视图。参看图3a和图3c，设备30放置于波峰钎焊设备70上以在波峰钎焊操作期间提供惰化气氛。波峰钎焊设备70包括钎料储存器75，钎料储存器75包含熔融钎料80和一个或多个喷嘴185，喷嘴185投射一个或多个钎焊波(未图示)，钎焊波由钎料泵(未图示)产生。参看图3a至图3c，设备30具有顶表面35，顶表面35可从设备的其余部分移除，从而对于终端使用者而言能相对容易地移除浮渣。顶表面35还包括至少一个开口40，通过开口40，从包含于钎料储存器75内的熔融钎料80发射的至少一个钎焊波通过喷嘴185且接触沿着移动轨道(未图示)传递的工件。参看图3a至图3c，设备30还包括在设备30底部上的至少一个凹槽45，其搁置于钎料储存器75的边缘顶部上。在某些实施例中，设备30可包括多于一个凹槽，其允许将设备30放置于钎料储存器75顶部上且将前扩散器155和后扩散器155放置于钎料罐区域外，如图3a和图3c所示的那样。本文所述的设备的其它实施例可具有仅一个凹槽来将前扩散器155定位于钎料罐区域外。本文所述的设备的另外的实施例并不具有一个或多个凹槽，而是具有多个凸缘，其允许设备定位或放置在钎料储存器上且将所有扩散器定位于钎料罐区域内，诸如图4a和图4b和图5a和图5b所描绘的实施例。再次参看图3a至图3c，凹槽45的侧壁和前壁33或后壁37限定腔室，其允许将多孔管10’放置于设备30内。多孔管10’经由管路(在图3a中以点线示出)流体连通到惰化气体源65。如先前所提到的那样，用于本文所述的设备和方法的惰化气体可包括氮气、氢气、另外的惰性气体(例如，氦气、氩气、氖气、氪气、氙气等)或其组合。在某些实施例中，惰化气体在引入到多孔管10’内之前预热。应了解图3a至图3c所示的实施例可取决于波峰钎焊机的构造而改变。
现参看图3b和图3c，设备30还包括由熔融钎料表面(未图示)、工件(未图示)、前壁33、后壁37和侧壁43和47限定的内部容积69。设备30还包括至少一个扩散器管10’，扩散器管10’具有容纳于外壳内的多个穿孔(未图示)，其中基部2010的至少一部分浸没于熔融钎料储存器内且用于将基部2010和颈部2020在中央加热到高于熔融钎料熔点的温度。
图3b提供了本文所述设备30的实施例的等距视图。参看图3b和图3c，设备30放置于波峰钎焊设备70上以在波峰钎焊操作期间提供惰化气氛。波峰钎焊设备70包括钎料储存器75，钎料储存器75包含熔融钎料80和一个或多个喷嘴185，喷嘴185投射一个或多个钎焊波115，钎焊波由钎料泵(未图示)产生。设备30具有顶表面35，顶表面35可从设备的其余部分移除，从而对于终端使用者而言使得浮渣移除相对容易。顶表面35还包括至少一个开口40，经过至少一个开口40从包含于钎料储存器175内的熔融钎料80发射的至少一个钎焊波通过喷嘴185且接触沿着移动轨道(未图示)传递的工件。在其它实施例中，本文所述的设备可包括多个凸缘(未图示)，其允许设备定位或放置于钎料储存器上。多孔管10’经由管路与惰化气体源(未图示)流体连通。如先前所提到的那样，用于本文所述的设备和方法的惰化气体可包括氮气、氢气、另外的惰性气体(例如，氦气、氩气、氖气、氪气、氙气等)或其组合。在某些实施例中，惰化气体在引入到多孔管10’内之前预热。应了解图3a至图3c所示的实施例可取决于波峰钎焊机的构造而改变。
参看图3c或本文所限定的设备30的实施例的侧视图，通过将凹槽45放置于钎料储存器75的至少一个边缘上而将设备30放置于波峰钎焊设备70顶部上，如图所示的那样。钎料储存器75中包含熔融钎料80。移动轨道(未图示)在图示箭头105所示的向上方向上运输待钎焊的工件100。至少一个或多个钎料泵(未图示)用于通过喷嘴185产生多个钎焊波115。多个钎焊波115通过设备30中的开口接触工件100底侧。引入到封闭多孔扩散器管内的惰化气体容纳于钎料储存器75外部的腔室(未图示)内。在图3c所示的实施例中，扩散器管155位于钎料储存器75的进入口和引出口处。在再一实施例中，扩散器管10’中的一个或多个垂直于钎焊波(未图示)方向定向。扩散器管10’中的至少一个容纳于外壳内，外壳包括具有内部容积的基部2010，具有内部容积和开口2027的颈部2020和靠近颈部开口2027的帽2030。诸如基部2010和颈部2020的外壳的至少一部分浸没于钎料80中。惰化气体填充在工件100下方且在熔融钎料表面80上方的视作120的区域或气氛。
图4a和图4b提供了本文所述的设备930的实施例的侧视图和顶视图，其中第一多孔管955、第二多孔管955’和中央扩散器管10’在钎料储存器975内，且中央扩散器管10’容纳于外壳内，其中外壳的至少一部分浸没于钎料储存器975内。设备930并不具有凹槽以将前扩散器和后扩散器或者第一扩散器和第二扩散器定位于钎料储存器975外，诸如在图3a至图3c中所描绘的那些。替代地，设备930具有多个凸缘967，其允许设备930放置于钎料储存器975顶部。设备930被图示为由诸如金属的双壁材料构成，其限定至少一个腔室950，至少一个腔室950容纳诸如图示的955和955’的多孔管中的至少一个。工件923在设备930上方在箭头925所示的方向上行进且与从喷嘴985所发射的多个熔融钎焊波接触。多个多孔管与诸如N2的惰化气体源(未图示)流体连通，惰化气体源通过管向腔室950内，向由930的双层材料限定的容积内和向钎料储存器975中熔融钎料表面、工件923和设备930的壁限定的内部容积内提供惰化气氛或N2气氛。
图5a和图5b提供一实施例的侧视图和顶视图，其中，第一多孔管555、第二多孔管555’和第三多孔管555”在钎料储存器575内，且每个多孔管封闭于外壳中，其中外壳基部2020”的至少一部分浸没于熔融钎料580内且加热外壳到高于钎料熔点的温度。设备530并不具有凹槽来将第一扩散器和第二扩散器定位于钎料储存器区域575外。设备530具有多个凸缘567，其允许设备530放置于钎料储存器575顶部。
图6提供了放置于设备30和移动轨道(未图示)上使得工件穿过它行进的可选覆盖物90的等距视图。示出可选覆盖物90，其具有允许观看的玻璃窗口95。可选覆盖物90还具有通风口97，通风口97与波峰钎焊机的通风排出口(未图示)流体连通以移除在钎焊站的气氛内的任何焊剂蒸气。
图7提供了设备830的一实施例，设备830还包括在钎料储存器880顶部的可选覆盖物890，从而形成隧道供保持于移动轨道900上的工件(未图示)通过。图7提供了设备830的端视图。在某些实施例中，可选覆盖物890与波峰钎焊机(未图示)的通风管路流体连通。可选覆盖物890由双层金属板或其它合适材料形成，且双层空间连接到炉通风排出管路897，其形成边界气体阱。在某些实施例中，在两层薄板之间的距离能(但不限于)在1/8”至1/4”的范围。在图7所示的实施例中，可选覆盖物890可包括惰化气体入口895，惰化气体入口895与惰化气体源(未图示)流体连通以进一步辅助将焊剂蒸气和空气从钎焊区域清除出来。在某些实施例中，当电路板在覆盖物890下方传递时，在钎焊区域内产生的焊剂蒸气能通过边界阱来收集，而在钎料储存器870周围的空气也能截留于覆盖物890下方的双层空间中，这有助于确保良好的惰化气氛。在钎料储存器870并未由工件覆盖的情形中，由多个多孔管(未图示)产生的惰化气体能吸入到覆盖物890的双层空间内从而形成边界惰化气体幕，以最小化从外部环境进入到钎料储存器870上方的气氛920内的空气。
虽然参考其具体实例和实施例详细地描述了设备和方法，但对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下能对该设备和方法做出各种变化和修改。
实例
比较实例1：中央扩散器的初始设计
如图8所示的那样，在电路板并未加载于钎料储存器上方且并无顶部覆盖物(诸如图6所示的顶部覆盖物)的情况下得到在钎料储存器顶部空间周围的氧气(O2)浓度测量。参看图8，在以下位置进行测量：点a(靠近第一钎焊波的左边缘)；点b(靠近第一波的中部表面)；点c(在两个钎焊波之间)；点d(靠近第二钎焊波的中部表面)；以及，点e(靠近第二钎焊波的右边缘)。
在表1和表2中示出了基于测量氧气浓度而评估的中央扩散器的两种不同设计。表1为与第一设计相关的结果。在第一设计中，中央扩散器封闭于金属保护管内。保护管包含多行开口槽以允许惰性气体流动且由PTFE涂层覆盖以提供不粘性质。在表2中，中央扩散器管也封闭于带槽且涂层的保护管内，但并非在其表面上具有多行槽，该扩散器管具有朝向下方向的两个纵向槽。
表1：氧气浓度-PTFE涂层管(多行槽)且内多孔扩散器作为中部扩散器
Figure BSA00000717136600181
表2：氧气浓度-PTFE涂层管(两行槽)且内多孔扩散器作为中部扩散器
Figure BSA00000717136600182
在上文的表1和表2中，以每小时立方米(m3/hr)为单位提供流率且对于左/中央/右或前/中央/后扩散器提供三个流率读数。测量的氧气浓度表达为百分比。在氧气测量期间，钎料储存器温度维持在260℃，且产生两个钎焊波并且通风完全打开。如表1和表2所示的那样，两种情况的氧气浓度显著地高于2000ppm或0.2％的目标水平。这些高氧气读数的原因在于在两个波之间的空间太紧密从而不能优化中央扩散器位置。执行短时间焊剂测试(1至2小时)。发现PTFE涂布的保护管有效地用于减少焊剂和钎料污染，但其不能完全排除污染，因为保护管并未加热。
实例2：本发明的中央扩散器设计
本实例展示了在根据本发明的外壳中容纳中央扩散管的结果，类似于图2a至图2c所描绘的实施例，且被设计成减小氧气浓度并防止扩散器堵塞。在本实施例中，中央多孔管容纳于外壳内且位于两个钎焊波之间。认为此布置能避免诸如扩散器表面上钎料喷溅凝固和焊剂蒸气冷凝所造成的堵塞问题。如在实例1中那样，在钎料储存器上并无工件或覆盖物的情况下进行氧气浓度测量。在图9中所标注的位置在不同N2流动布置测量在钎料储存器周围九个位置的O2浓度。在实例2中，在图9中的位置b0和d0与图8中的位置b和d相当。在O2测量期间，钎料储存器温度维持在260℃，且产生两个钎焊波并且通过炉管路线的通风完全打开。以每小时立方米(m3/hr)为单位提供流率且对于左/中央/右或前/中央/后扩散器提供三个流率读数。测量数据是表达为百分比的氧气浓度。如表3所示的那样，在大部分情况下，氧气浓度低于目标水平，例如2000ppm或0.2％。此外，基于使用焊剂的两天测试，并未观察到扩散器堵塞。在下面的表3中提供氧气浓度测量结果。
表3
Figure BSA00000717136600201
实例3：在外壳颈部中带有孔的本发明的中央扩散器设计
也测量沿着外壳颈部具有孔的中央扩散器设计的氧气浓度，类似于在图2a’和图2d中所描绘的那些。在具有顶部覆盖物且具有工件和不具有工件的情况下测量结果。氧气浓度在未加载工件的情况下在大约2000ppm(0.20％)的所需范围，且在具有工件的情况下大约500-600ppm (0.05-0.06％)。此外，观察到绕中央扩散器良好的钎料流动。
实例4：浮渣形成-本发明的中央扩散器设计
本实例展示了由于在根据本发明的外壳中容纳中央扩散器管而造成的浮渣形成减少。该设备在左扩散器管、中央扩散器管和右扩散器管中6m3/hr的氮气流率下且4.0巴的氮气压力下运行。通过在具有工件和不具有工件和在钎料储存器上具有覆盖物和不具有覆盖物的情况下测量每天收集的浮渣量(6小时的运行时间)来确定浮渣形成。所采用的工件为具有350mm乘以450mm尺寸的板。在下表4中报告了浮渣收集结果且与不采用提供惰化气体设备的基准相比较。如表4中所示的那样，在大部分情况下显著地减小浮渣形成。
表4
Figure BSA00000717136600211
*扩散器堵塞且对于测试的至少部分移除
根据本发明的设备和方法的另外的益处包括制造和材料成本降低，改进的钎焊接头品质和到无铅钎焊技术改进的过渡。关于制造和材料成本，观察到钎料消耗20-40％的减小，浮渣形成40-90％减少，焊剂消耗10-30％减少，和设备维护70-80％减少，以及组装板后清洁更低的成本，减少的板缺陷和再加工，和更高生产率正常运行时间。本文所公开的设备的另外的益处在于它们能容易地缩放且能构造成适合具有多种不同尺寸的钎料罐。特别地，本文所述的外壳颈部足够小以装配于两个钎焊波之间很狭窄的空间内，且总扩散器外壳设计可水平地，或竖直地，或者在两个维度调整以适合所需应用。
各种用语在上文中定义。假如在权利要求中所用用语并未在上文中定义，其应给予相关技术人员对于该用语给出的最广泛的定义，如在至少一个印刷出版物或者发布专利中所反映的那样。而且，所有专利、测试程序和在此申请中引用的其它文献完全以引用的方式结合到本文中，只要这些公开并非与本申请不一致，用于其中允许这种结合的所有权限。
本发明的某些实施例和特点使用数值上限集合和数值下限集合来描述。为了简要起见，仅在本发明中明确地公开了某些范围。但是，应了解除非另外指示，涵盖从任何下限到任何上限的范围。同样，来自任何下限的范围可与任何其它下限组合以陈述并未明确地陈述的范围且来自任何上限的范围可与任何其它上限组合以陈述并未明确陈述的范围。另外，一范围包括在其端点之间的每个点或个别值，尽管并未明确地陈述。因此，每个点或个别值可用作与任何其它点或个别值或任何其它下限或上限组合的其自己的下限或上限，以陈述并未明确地陈述的范围。所有数值为所示值的“大约”或“近似”，且考虑本领域普通技术人员预期的经验误差和变型。
虽然前文的描述针对于本发明的实施例和其替代实施例，但在不偏离本发明的预期精神和范围的情况下可设想到本发明的各种变化、修改和更改。预期本发明仅受到所附权利要求的用语限制。

Claims (15)

1.一种用于在工件的钎焊期间提供惰化气体的外壳，其包括：
基部，其包括与惰化气体源流体连通的内部容积，
颈部，其包括开口和与所述基部的内部容积流体连通的内部容积，
帽，其靠近所述开口，以及
管，其包括一个或多个开口供惰化气体流从中穿过，其中，所述管处于所述基部内且与所述惰化气体源流体连通；
其中，所述惰化气体行进穿过所述管到所述基部和颈部的内部容积内且穿过所述开口出来。
2.根据权利要求1所述的外壳，其特征在于，所述颈部还包括沿着其表面的一个或多个孔。
3.一种用于在工件的钎焊期间提供惰化气体的设备，所述设备包括：
在所述设备的底部上的至少一个凹槽，其用于放置到钎料储存器的至少一个边缘上，其中，所述钎料储存器包含熔融钎料且所述凹槽的至少一个侧壁和所述设备的至少一个壁限定在所述钎焊储存器外侧的腔室；
在所述设备的顶表面上的至少一个开口，从所述钎料储存器发射的至少一个钎焊波穿过所述至少一个开口且接触所述工件；以及
一个或多个管，其包括与惰化气体源流体连通的一个或多个开口，其中，所述管中的至少一个处于所述腔室内；
其中，所述设备定位于所述钎料储存器上方和待钎焊的所述工件下方，从而形成气氛。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于还包括覆盖物，其放置于移动轨道上，由此所述工件由所述覆盖物运输横穿所述设备的顶表面，且所述覆盖物还包括通风口，所述通风口与通风系统流体连通。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述覆盖物包括多个薄板，所述多个薄板限定内部容积且所述内部容积与钎焊炉的通风排出口流体连通。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述覆盖物还包括与所述惰化气体源流体连通的入口。
7.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述惰化气体包括氖气。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述惰化气体还包括按重量计5％或更少的氢气。
9.一种用于在工件的波峰钎焊期间提供惰化气氛的方法，所述方法包括：
提供波峰钎焊机，其包括：其中包含熔融钎料的钎料储存器，至少一个喷嘴，和至少一个泵，所述至少一个泵用以从熔融钎焊浴槽产生向上通过所述喷嘴的至少一个钎焊波；
将设备放置于所述钎料储存器的至少一个边缘的顶部，其中，所述设备包括：在顶表面上的至少一个开口；至少一个凹槽，其搁置于所述钎料储存器的至少一个边缘的顶部；以及，多个管，所述管包括与惰化气体源流体连通的一个或多个开口，其中，所述工件和所述熔融钎料的顶表面限定气氛；
沿着路径传递所述工件使得所述工件的至少一部分接触通过所述设备的开口发射的至少一个钎焊波；以及
通过所述一个或多个管将惰化气体引入到所述气氛内，其中，所述至少一个管处于外壳内；
其中，所述外壳包括：基部，其包括与惰化气体源流体连通的内部容积；颈部，其包括与所述基部流体连通的内部容积和开口；以及，帽，其靠近所述开口，其中，处于所述外壳中的管容纳于所述基部内；并且
其中，所述惰化气体通过所述管行进到所述外壳的内部容积内且通过由所述颈部和帽限定的开口到所述气氛内。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于还包括覆盖物，其运输所述工件横穿所述设备，所述覆盖物还包括通风口，所述通风口与通风系统流体连通。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述覆盖物包括多个薄板，所述多个薄板限定内部容积且所述内部容积与钎焊炉的通风排出口流体连通。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述覆盖物还包括与惰化气体源流体连通的入口。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述惰化气体包括氮气。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述惰化气体还包括按重量计5％或更少的氢气。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述颈部还包括沿着其表面的一个或多个孔。
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