CN103269820B - 用于将熔融焊料传递到印刷电路板的下侧的焊接喷嘴及降低焊接喷嘴的缩锡发生率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于将熔融焊料传递至印刷电路板下侧的改进焊接喷嘴（61，81）。所述喷嘴（61，81）包括喷嘴出口，所述喷嘴具有内孔，熔融焊料流体能够通过所述内孔注入以溢出所述喷嘴出口，喷嘴（61，81）具有设置成收集回流的熔融焊料流体的外表面。所述喷嘴（61，81）的外表面包括围绕所述喷嘴出口的至少一部分的狭槽特征件或凹槽特征件。该特征件用于容纳回流的熔融焊料流体的至少一部分。本发明的焊接喷嘴（61，81）具有改进的缩锡性能。

Description

用于将熔融焊料传递到印刷电路板的下侧的焊接喷嘴及降低焊接喷嘴的缩锡发生率的方法
本发明涉及用于传递熔融焊料的喷嘴。特别地，本发明涉及用于将熔融焊料流体传递到印刷电路板(PCB)及类似物的喷嘴。
印刷电路板使用位于非导电板上的导电轨迹而被用于支撑和电连接电子元件。电子元件被焊接到电路板上。印刷电路板通常通过采用机器人或其它自动化机械的自动化过程来处理。
印刷电路板可被设计成使得元件的焊接可从下侧进行。从下侧焊接印刷电路板元件的一种方法为提供以“焊珠”形式的熔融焊料流体，该流体从焊接喷嘴的尖端或顶端开口流出，并经过在印刷电路板下面延伸的的元件的终端而形成焊珠使得印刷电路板元件被焊接(或者将焊珠移动到所述终端以进行焊接)。热的、液体的、流动的焊料以向上的方向流出喷嘴的出口以形成焊珠，其中，待焊接的终端被浸润以便在终端上面施加焊料。值得注意的是，这通常在熔化过程后进行，这有利于终端与印刷电路板的轨迹之间的良好焊接连接。
由于焊珠由热的液体焊料流体形成，在从尖端或顶端出口排出形成焊珠之后，此焊料流体沿着尖端或出口的外侧流下，以使得它可通过重力沿着喷嘴的外表面朝焊料池或焊料供给箱回流。然而，由于喷嘴的表面被弄湿，回流的熔融焊料流体优选围绕喷嘴的外表面扩散－喷嘴通常由较纯的铁材料形成，而且该表面被锡化成允许/有助于/增强润湿效果。焊料由此在喷嘴的外部形成液体焊料薄膜，随后其以基本上非紊流的方式(至少视觉上)沿着喷嘴的外表面落下。
该焊接方法提供点状焊接或单点焊接，用于利用焊珠在任何点及时焊接PCB的单个区域。条状焊珠和利用多个喷嘴的多点焊珠也是已知的。
利用该技术焊接终端通常非常快，由于热，液体焊料几乎同时附着到该终端以便终端上的焊接。焊接喷嘴随后可在X-Y平面上(同时也许在Z平面上，除非PCB自身被提升)移动，以达到要被焊接的下一个点或区域。
焊接喷嘴的轨迹、在每个位置花费的时间以及替换焊接喷嘴的记录，为可以通过软件控制的机器人或其它自动化机械进行数字控制的参数的示例。在工业上对能够以加快的速度和以增强的精度及效率水平来执行上述操作，存在强烈的兴趣。然而，当这种类型的焊接喷嘴以较高速度或者通过频繁的加速来进行移动时，可能出现喷嘴的“缩锡”率增加的现象。
通过沿喷嘴的一部分的回流的焊料薄膜的的不完美流动(即焊料流的视觉外观是紊乱的)引起缩锡或使缩锡加速。缩锡可以以液固界面上的液滴的形成，或者以来自于喷嘴的流体的诸如焊料流体的不均匀或不流畅的外观的流动性恶化为特征。喷嘴的缩锡因此可以在沿着喷嘴的外表面的回流的熔融焊料薄膜中引起非对称流，且这样可以引起流体动平衡的失衡，该流体动平衡维持焊珠的均匀性/对称性。例如，这种失衡将由喷嘴出口处的焊珠相对于喷嘴出口中部的水平移动来证实。
焊珠的水平移动通常为不可预测的或者不可预期的。这是因为如果焊珠从它的稳定的(通常为中部)的位置动态地移开时，将潜在地引起焊接过程中的误差-终端可能不会接触焊珠或者仅仅部分浸没在焊珠内。这种误差可因此严重地损害将元件焊接到PCB上的准确性，尤其是在焊接过程自动地并且以高速进行(其中仅周期性地进行手动检查)的时候。
此外，因为流动不流畅，缩锡的尖端可能产生更多地废料－焊料的氧化物。这也是非常不希望的，因为碎屑的堆积可能导致设备的停止运行，在此期间碎屑被移除或清理干净。
因此，需要增加焊接设备的喷嘴上的焊珠的稳定性。
而且，印刷电路板在它们的设计和布局规划(使用电子元件)上已经越来越复杂，并通常利用越来越小的元件非常密集地布居，并且由于电子元件变得越来越小，理论上可以在单位空间内容纳更多的电子元件。因此在工业上还存在强烈的动力来寻求降低焊料流的焊珠或焊点尺寸。原则上这可以通过降低焊接喷嘴的顶端直径来实现，但是这最终导致了喷嘴故障或者焊珠的破裂。这能够以诸如“凝固”、过度“晃动”(在使喷嘴移动/加速时，焊珠变得不稳定/不规则)或“喷射”的现象的形式体现。这些经常发生，这是因为由于焊料中的环境热量损失，焊料、喷嘴或终端的给定热容量以及熔融焊料流的给定流体动态特性，在用于产生期望的焊珠的所需要的流速下不能保持所需的喷嘴温度。因此，可用的焊接喷嘴顶端的尺寸可以为印刷电路板的设计以及它们的元件布局的限定因素。
目前，已经制成了下至2.5mm的可用的喷嘴，但是任何小于2.5mm的喷嘴将不能执行所期望的焊珠产生功能。
“凝固”为焊接喷嘴的全部或部分堵塞的结果，通常表示为由于喷嘴出口处的熔融焊料的温度下降而导致的焊料流的固化，并且通常由焊珠内的焊料温度的下降(诸如由于终端与焊料焊珠之间的温度差异)引起。凝固因此通常导致焊料流的中断，或者无疑地导致了不适当焊接的终端，且当焊接以较高的速度进行更加可能出现该情况――喷嘴顶端的温度或者此处的焊料的温度没有为终端间的稳定提供条件。
已经想出了缓解凝固的方法例如给印刷电路板板或终端预热，但是存在可以将印刷电路板或终端加热到什么程度或加热多久而不会损坏它或者电子元件的的限制。同样的预热不可能在焊料接触终端之前防止喷嘴中的焊料固化。
“晃动”为流出喷嘴的熔融焊料流体的不稳定或不规则的结果。它由喷嘴顶端处的熔融焊料的焊珠的弹性作用来体现。晃动程度通常在利用焊料焊珠的几乎所有焊点焊接应用上体现，尤其在使焊接喷嘴相对于X，Y或Z(即相对于位于X－Y平面的印刷电路板)平面中的任一个平面移动/加速中来体现。然而，当喷嘴变窄时，晃动的影响可能变得更难以捉摸，这是因为相同程度的晃动－比如1mm的移动表示相对于焊珠尺寸的更大程度的晃动。先前没有尝试过使相应于喷嘴的给定移动/加速而发生的晃动的程度降低，而是试图阻碍该晃动，在终端被焊接时，喷嘴通常不会快速移动或剧烈加速。可替换地，可以在移动/加速之后、在将终端浸人焊珠之前采用瞬时中断，以给焊珠提供稳定的条件。
“喷射”为焊料流体从喷嘴外表面的至少一部分脱离，由此防止预定的焊珠形成，且它通常在对于给定的喷嘴出口的焊料的流速过高或者焊料的表面张力过低时发生。因此在提供较窄的喷嘴出口的情形下更难避免喷射。
尽管喷射具有有益的用途，在需要基于焊珠的浸入处理的情形中，它是不需要的。
因此要理解，迄今为止，由窄喷嘴出口所带来的优点基本上被增强的凝固、晃动或喷射水平所引起的缺点所抵消。因此，不可能总是仅仅通过使焊接喷嘴的出口变窄来实现较高的焊接精度。
本发明旨在消除或至少缓解上述问题中的至少一个问题。
根据本发明的第一个方面，提供一种用于将熔融焊料传递至印刷电路板下侧的焊接喷嘴，该喷嘴包括喷嘴出口，所述喷嘴具有内孔，熔融焊料流体能够通过所述内孔注入以溢出所述喷嘴出口，所述喷嘴具有设置成支撑回流的熔融焊料流体的外表面，其中，所述喷嘴的外表面包括围绕所述喷嘴出口的至少一部分的狭槽特征件或凹槽特征件，以用于容纳所述回流的焊料流体的至少一部分。
狭槽特征件或凹槽特征件促使一部分回流的焊料被引入狭槽特征件或凹槽特征件，由此，稳定了溢出所述喷嘴出口的熔融焊料流体。
优选地，所述喷嘴具有限定喷嘴轴线的轴对称形状，使得从所述出口溢出熔融焊料的动作独立于所述喷嘴移动的方向。
优选地，所述喷嘴由铁形成。优选地，在所述喷嘴的外表面镀锡。
喷嘴可以具有大致为钟形的形状。这允许它流畅地容纳回流的熔融焊料流体。
喷嘴出口可以位于所述喷嘴的顶部或顶端。
优选地，所述喷嘴设置成使得流出所述喷嘴的熔融焊料流体可以从所述出口沿围绕所述喷嘴的任何方向均匀地喷流。
优选地，所述内孔的轴线和所述喷嘴的轴线基本上同轴。
优选地，所述狭槽特征件或凹槽特征件围绕所述喷嘴出口的至少一部分或围绕所述喷嘴的顶端的至少一部分，使得能够促使回流的熔融焊料流体围绕所述出口/顶端的至少一部分，由此，有助于使焊珠稳定，并因此更有助于从所述喷嘴出口获得稳定的熔融焊料流体。
所述狭槽特征件或凹槽特征件可以相对于所述喷嘴的外表面切向地延伸。
所述狭槽特征件或凹槽特征件可以围绕所述喷嘴的外表面的至少一部分或围绕整个所述外表面笔直地延伸。
在一种实施方式中，狭槽特征件或凹槽特征件可以围绕整个出口或围绕整个顶端延伸。这可以进一步改进它的功能，并且它可以使得所述喷嘴更好地适于需要沿不同的方向移动焊接喷嘴的应用。
优选地，在使用时所述狭槽特征件或凹槽特征件基本上水平地延伸以使得回流的流体将基本上同时沿任何方向挤入狭槽特征件或凹槽特征件。
在一种实施方式中，所述狭槽特征件或凹槽特征件为沟槽；优选地为环形沟槽。这种沟槽可以简单地机械加工到所述喷嘴上。
沟槽特征件或狭槽特征件或凹槽特征件有助于利用熔融焊料涂覆整个所述喷嘴的表面，且这可通过围绕顶端的焊料的渗透，或者通过进入所述沟槽、狭槽或凹槽的回流流体的毛细流动，或者通过沟槽、狭槽或凹槽将熔融焊料拉入/拖入其中来实现。
沟槽、狭槽或凹槽的宽度、形状或深度可能对实现焊珠稳定的效果很重要。沟槽可以具有圆形边缘或者有角度的截面。同样地，沟槽、狭槽或凹槽可以通过形成两个向外延伸的脊来形成。沟槽、狭槽或凹槽位于这些脊之间。
沟槽优选地具有相对较浅的深度。这有助于防止形成本身可能冷却的较大量的焊料。
沟槽优选具有大致为长方形的深度轮廓，该深度轮廓可以很容易地使用铣床或车床来形成。它可以在边缘处或在底角处或者这两处具有圆角。
优选地，狭槽、沟槽或凹槽的深度范围在0.1mm至0.5mm之间。
优选地，狭槽、凹槽或沟槽的宽度范围在0.5mm至1.5mm之间。
优选地，狭槽、凹槽或沟槽与所述喷嘴的出口或自由端隔开一定的距离，沿轴向测得该距离位于1mm和4mm之间、或者该距离至少为狭槽、凹槽或沟槽的宽度，或者更优选地至少为狭槽、凹槽或沟槽宽度的两倍、但是优选地不超过5倍、或者更优选地不超过四倍、或者最优选地不超过三倍，且该距离从沟槽的中间测量。
优选地，喷嘴包括至少另一个或第二个狭槽、凹槽或沟槽。优选地，与第一狭槽、凹槽或沟槽相比，它距喷嘴的自由端进一步隔开更远。优选地，它们彼此相邻，或许由宽度在1mm和3mm之间的刀棱部分隔开，或者使它们的中心隔开2mm至5mm。另一个狭槽、凹槽或沟槽可进一步改进使焊料流动的稳定特性。
与以上沟槽相比，另一个沟槽优选具有基本上相似的纵横比。这允许使用同样的方法形成这两个沟槽。然而，可能替代地使用较深或较浅、较宽或较窄的第二沟槽。
优选地，另一个沟槽和第一个沟槽在它们之间沿喷嘴或出口的轴向限定了沟槽距离，两个沟槽之间的沟槽距离的范围在1mm至4mm之间。利用该设置，这些沟槽可配合以对回流的熔融焊料流体进行联合的牵引作用。
根据本发明的第二个方面，提供用于将熔融焊料传递至印刷电路板下侧的焊接喷嘴，该喷嘴包括喷嘴出口以及第一可堆叠部分和第二可堆叠部分，第一可堆叠部分和第二可堆叠部分设置成使得在使用时它们将被流动地连接以允许熔融焊料通过它们注入以从喷嘴出口溢出。优选地，两个可堆叠部分的外表面被镀锡以使得焊料将从它们溢出。优选地，喷嘴用于在焊料溢出出口时提供焊珠。
该喷嘴可以包括本发明的第一个方面的喷嘴的任何特征。
设置成两个部分的本发明的第二个方面的喷嘴，在于该两个部分可被彼此分离且必要时每个部分可以被更换或替换。
优选地，该喷嘴设置成还释放过量的熔融焊料。优选地，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的一个或两个限定了一个或多个孔，过量的熔融焊料可以通过所述孔被释放。过量熔融焊料的释放可被用于允许更多的焊料流体通过喷嘴，而不只是通过出口。这能够允许将喷嘴顶端被得更小，而不会增加其中的焊料凝固的趋势。那是因为增加的焊料流体允许更大的热质量环绕喷嘴顶端或接近喷嘴顶端。
优选地，第一可堆叠部分和第二可堆叠部部分一起限定了它们之间的孔或多个孔。这给出了设置用于过量流体的的非常简单的方式。例如，其中的一个部分中的狭槽可以形成这些孔。在优选的设置中，具有四个孔，并因此具有四个狭槽。
优选地，一旦将可堆叠部件堆叠，它们被保持在一起以使得在使用期间不会分离。
可堆叠部分可以适于通过它们之间的过盈配合保持在一起。然而，可替换的方式是可能的，例如螺纹配合。可堆叠部分可替换地如此形成以允许例如通过卡接配合使一个与另一个互锁。
优选地，该喷嘴具有轴对称的形状，且旋转中心为喷嘴轴线。这能够允许喷嘴在X－Y平面的所有方向上(无论它以哪种方式在PCB下面运动)起作用。
优选地，第一可堆叠部分及第二可堆叠部分中的每一个都具有穿过它的孔，且所述孔限定第一孔轴与第二孔轴。在使用时，两个孔轴优选为基本对齐以使得连续且流畅的焊料流体可以被向上传递并且流出喷嘴的出口。
优选地，所述孔轴与喷嘴的中心轴线对齐。
优选地，第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的至少一个具有大致为钟形的形状。该钟形形状可使得喷嘴形成为钟的把手。
可替换地，第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的至少一个具有烧瓶或酒瓶状的形状。
优选地，第一可堆叠部分与第二可堆叠部分都具有限定各自的宽基底和窄颈部的形状。优选地，其中一个部分的基底部分堆叠在另一个部分的窄颈部分之上。优选地，堆叠在上的部分在外观上通常小于另一个部分。然而优选地，堆叠在上的部分的基底比另一个部分的颈部宽。优选地，堆叠在上的部分的颈部比另一个部分的颈部窄。
优选地，堆叠在上的部分的孔通常比另一个部分的孔窄。
优选地，堆叠在上的部件的基底在它的下端转向另一个部件。这允许流畅地流过该基底的焊料与从孔或多个孔流出的焊料混合，其中，这些多个孔形成在所述两个部分之间。
优选地，被另一个部分堆叠的部分包括齿形(castellated)结构件或者尖端分叉的颈部。堆叠在上的部分的基底或底部优选地限定了用于在过量焊料堆叠在这些齿形件或尖端分叉件上时使其流过的孔。
根据本发明的第三个方面，提供了用于将熔融焊料传递至印刷电路板下侧的喷嘴，该喷嘴包括喷嘴出口和喷嘴主体，该喷嘴具有内孔，熔融焊料流可以通过该内孔注入以从喷嘴出口流出，该喷嘴具有喷嘴顶端，喷嘴出口位于喷嘴顶端的端部，喷嘴出口的内宽度尺寸在1.5mm至2.5mm之间。
优选地，喷嘴的基底具有至少为15mm、且优选在15mm至25mm之间的外宽度尺寸。优选地，在基底上方该喷嘴附加地具有围绕它的侧部的一个附加孔或多个附加孔，喷嘴的出口在那个孔或那些孔的上方，即位于喷嘴的顶部。附加的孔或多个孔允许过量的焊料被注出到侧部上以允许熔融焊料覆盖层覆盖喷嘴的围绕所述孔的整个外表面－为了保持覆盖如此大的外表面，较小的顶部出口将不会允许充足的焊料流过，而仍以焊珠的形式流出。
优选地，出口以及孔或每一个孔具有近似相同的宽度尺寸或相同的熔融焊料流速容量。
优选地，孔或每一个孔使它的出口相对于朝向上的上部出口大体指向下。
优选地，具有多个孔，每个孔围绕喷嘴的外周隔开。优选地，它们均匀地围绕喷嘴隔开。优选地，具有至少3个出口。优选地，它们适于使得相同的流速可通过所有这些孔。这在喷嘴的外表面上形成了基本规则的、均匀的流体。通过上部出口的流速应该足以覆盖在所述孔上方的喷嘴的整个外表面。
优选地，在所述孔或每一个孔上方的喷嘴的宽度尺寸在6mm至13mm之间。
优选地，宽度尺寸为直径，喷嘴具有大致为圆形的部分，尽管可以设置平板以助于利用扳手将喷嘴结合到焊料供给单元的顶部。
优选地，喷嘴在出口处的全部围绕出口的壁厚在0.25mm至1mm之间。
上面所述的焊接喷嘴，可以具有前述喷嘴的特征中的任何一个或多个特征。
本发明的该方面允许焊料装置制造者为单点焊接应用而实现焊珠/焊点焊料尺寸减小，即，小于之前达到的尺寸，并且不会经受出口的凝固或从出口喷射。此外，喷嘴的外表面可以全部被焊料流体覆盖，因此，减少了从外表面(从那里焊料流停止)的凝固回流并因此额外地减少由横跨喷嘴的外表面的不规则流体的轮廓导致的废料的形成。
当附加地与狭槽特征件、凹槽特征件或沟槽特征件结合时，如在镀锡被磨损时所经受的一样，它也对焊珠具有减小的趋势，并因此也对缩锡具有减小的趋势。
尽管喷嘴和参考优选为圆形，它们可以替换地为方形、长方形或椭圆形。
然而，所述孔或每一个孔优选地大致为方形或长方形，并在喷嘴内形成在齿形件的指状物或塔状物之间。然而，它们可以形成为一连串形成在喷嘴内的圆孔。
还提供一种利用以此处所限定的焊接喷嘴为特征的焊接装置的焊接方法，该方法包括形成溢出喷嘴出口的焊珠。现有的喷嘴从未成功地获得过穿过上部出口的具有小至1.5mm至2.5mm之间的尺寸的稳定焊珠。
根据本发明的另一个方面，提供了一种降低焊接喷嘴顶端的缩锡发生率的方法，该方法包括通过在喷嘴的外表面或喷嘴出口的至少一部分的周围添加狭槽特征件或凹槽特征件来修改现有的喷嘴设计。这将使得流出喷嘴顶端且围绕喷嘴顶端的焊料流体稳定，因此降低由喷嘴在印刷电路板下的焊接位置之间运动而带来的晃动，并因此改善喷嘴顶端上的镀锡的寿命，并因此使得喷嘴花费更长的时间缩锡。
根据本发明的另一个方面，提供了一种生产焊接喷嘴的方法，其包括形成喷嘴主体，形成具有焊料出口的单独的喷嘴顶端，使喷嘴顶端与喷嘴主体连接以及在喷嘴的侧部至少形成第二焊料流体出口。优选地，喷嘴具有在1.5mm至2.5mm之间的上部焊料出口尺寸。优选地，第二焊料流体出口在两个部分连接在一起时形成，它最优选地形成在这两个部分之间的接口处。该喷嘴用于在上部焊料出口形成焊珠，且该方法允许为单点焊接应用产生尺寸减小的、但仍可用的焊珠/焊点。
这些方法可以附加地利用上述的喷嘴的特征。
现在将参考附图，仅仅通过示例的方式，描述本发明的这些以及其它特征，其中：
图1为根据本发明的一个方面的焊接喷嘴的立体前视图；
图2为具有用毫米(mm)标记尺寸的图1的喷嘴的侧立视图；
图3为图1的喷嘴的俯视图；
图4为具有以mm为单位的尺寸的图1的喷嘴的侧平面视图；
图5为具有以mm为单位的尺寸的，根据图4中的剖面A－A线的图4的喷嘴的剖视图；
图6为图1的喷嘴的底/平面视图。
图7为具有以mm为单位的尺寸的根据图5的B线的图5的喷嘴的顶端细节的剖视图；
图8为根据本发明的一个方面的焊接喷嘴的第二种实施方式的立体前视图；
图9为具有以mm为单位的尺寸的图8的焊接喷嘴的测立视图；
图10为图8的焊接喷嘴的俯视图；
图11为具有以mm为单位的尺寸的图8的焊接喷嘴的侧平面视图；
图12为具有以mm为单位的尺寸的根据图11的C－C线的图11的焊接喷嘴的剖视图；
图13为图8的焊接喷嘴的底平面视图；
图14为具有以mm为单位的尺寸的根据图12的D线的图12的焊接喷嘴的顶端细节的剖视图；
图15为根据本发明的一个方面的第三种实施方式的焊接喷嘴的一个部分－顶端部件的俯视图；
图16为具有以mm为单位的尺寸和给定公差的根据图15的E-E线的图15的焊接喷嘴部件的剖视图；
图17为具有以mm为单位的尺寸的根据图16的F线的图16的喷嘴部分的顶端细节的剖视图；
图18为焊接喷嘴的第三种实施方式的第二部分－主体部件的俯视图；
图19为图18的焊接喷嘴部分的底平面视图；
图20为具有以mm为单位的尺寸的图18的部分的侧平面视图；
图21为从图20的不同角度显示部件的轴对称的图18的部分的侧平面视图；
图22为具有以mm为单位的尺寸和公差的根据图18的H线的图18的部分的顶部细节的剖开俯视图；
图23为图18的部件的立体前视图；
图24为具有以mm为单位的尺寸的根据图21的G－G线的图21的部分的剖视图；
图25为将图15和图18的部件组装以形成焊接喷嘴的第三种实施方式的俯视图；
图26为根据图25的H线的图25的焊接喷嘴的剖视图；
图27为图25的焊接喷嘴的立体前视图；
图28为图25的焊接喷嘴的剖开透视图，其示出了齿形件在顶端部件的下部内的主体部件上的过盈配合；
图29为用于将熔融焊料传递到图25的喷嘴的装置的前部剖视图，其包括用于控制回流的焊料流体传递回焊料池的螺旋形物体。这有助于减少废料形成。
参考所有图1至图7中的第一个图，图中示出了根据本发明的焊接喷嘴1的第一种实施方式。喷嘴1具有以围绕它的顶端5加工而成的单个环形沟槽3的形式的凹槽特征或狭槽特征。这种凹槽或狭槽特征的出现改进了喷嘴1的功能，且这种改进将在下面更详细的讨论。
喷嘴出口7设置在喷嘴1的顶端、顶部或末端5。喷嘴出口7允许熔融焊料以焊珠的形式被传递到印刷电路板的下侧，通过将喷嘴提升到终端/印刷电路板的下侧，或者通过将印刷电路板以及从印刷电路板延伸的终端下放至与焊珠结合，从印刷电路板的下侧延伸的终端可以浸入到焊珠中。以这种方式，熔融焊料可以以适当的方式传递以用于将电子元件的终端焊接至印刷电路板的轨迹。
热的、熔融的焊珠由气泵所产生的压力维持。
对于有效的焊珠，焊珠必须利用这样的压力维持以使得它既不会与出口7分离也不会以不稳定的流体滴下，这是因为这可能引起一定程度的喷射或不稳定的焊珠，并因此不能准确地将焊料传递到印刷电路板的下侧，并潜在地增加了不必要的喷溅或废料形成。相反地，焊珠只需大到足够稳定以与印刷电路板的下侧接触。气泵由此仅仅以足够使熔融焊料通过喷嘴喷出的速度运行。这种压力和引力/表面张力相互配合以使熔融焊料在出口7形成大致为半球形的焊珠。气泵和焊珠未在附图中示出。
熔融焊料在喷嘴的近端部10处进入焊接喷嘴1，并且在该实施方式中，熔融焊料沿着以钻孔或以其它方式形成在喷嘴主体内的内孔或通道12流过喷嘴主体，直到到达焊料出口7。随后焊料将以向上的方向流动并且流出出口。图1和2示出了在使用中的焊接喷嘴的定向。
由于熔融焊料受控地流过喷嘴1，印刷电路板和熔融焊料以受控的方式开始接触。随后流动的焊料围绕喷嘴顶端5的圆形边缘14溢出。在图7中详细地示出了所述边缘。于是，那个焊料继续从喷嘴的外部流下，形成具有非紊流外观的较薄的熔融焊料回流。该较薄焊料层围绕喷嘴的整个外表面16蔓延开，知道它从底部离开并流进通往焊料供给箱或焊料池的通道。
为了有利于熔融焊料的回流流畅，喷嘴1已具有光滑轮廓的钟形或大致锥形的形状。用于焊料的光滑表面降低了废料形成。因此，该喷嘴以用光滑的凸形的和/或凹形的曲面17，18来限定的弯曲光滑的外表面16的形状为特征，该形状以熔融焊料的回流方向，即向下的方向形成，且在该实施方式中，曲面17为凹面，曲面18为凸面。这种曲面的半径可以在图2中看到，并且本文给出了各自的尺寸。其它的曲面也是可以的。
在图4中可以看出，在该实施例中，喷嘴1的高度为25mm。该高度足够允许通过薄膜的表面张力而由薄膜将期望的拉力施加于熔融焊料的焊珠。该高度还低至以便熔融焊料的保护层在焊接喷嘴1的扩大的底部处不会过度地散开。
该喷嘴由高铁成分的材料形成，并且它将被镀锡以允许焊料快速地润湿其表面。
在该实施方式中，环形沟槽3为1mm宽并且约为0.2mm深。同样优选地，沟槽的外表面被镀锡。
如图7所示，沟槽具有长方形轮廓且它的末边缘沿轴向与喷嘴尖端5距离2mm。由于回流的熔融焊料优选地通过毛细管张力或表面张力、作用力被引入沟槽，喷嘴变得不太能够缩锡－即镀锡损失，这是因为焊珠倾向于以更稳定的方式保持，即以某种方式“吸引”或容纳在环形沟槽中。
关于缩锡，已知无铅焊料通常比铅焊料更易于引起喷嘴顶端的缩锡。借助于沟槽，已看到使喷嘴快速缩锡的趋势被缓和，由此，现在可以用无铅焊料甚至用小直径的焊珠来使喷嘴工作。
尽管为了实现本实施方式的目的已经使用了环形沟槽，可以使用替代的凹槽或狭槽以基本上实现相同的功能，即吸引和维持更大流量的回流的焊料材料。确实，如果焊料可被有效地吸引和保持于此处，各种形状和尺寸的这种凹槽或狭槽将执行该实施方式的沟槽的功能。此外，可使用多于一个的狭槽或凹槽，每一个狭槽或凹槽增加了针对回流的焊料的容纳部分。
用于该实施例的喷嘴1的焊点尺寸约为10mm。在图5中可以看出，那个尺寸大约相应于喷嘴1的出口7的宽度。实际上，由于焊料围绕喷嘴的边缘溢出，焊珠将稍大于那个出口。
图8至图13涉及根据本发明的焊料喷嘴21的第二种实施方式。尽管形状有点类似于之前的实施方式的喷嘴，该喷嘴21具有更细、即更窄的顶端25。然而，基底30的尺寸和高度不变(从图11中可以看出分别为24mm和25mm)。尽管对于该实施方式也可再考虑允许不同尺寸和不同形状的沟槽(例如，“V”形沟槽或半圆形沟槽)，但该沟槽在轮廓上仍旧为长方形的。
该沟槽23的尺寸基本上与之前的实施方式的沟槽3相同。然而，沟槽的周长由于喷嘴顶端25的颈部的直径的减小而相对减小了。
图8至图13示出了该喷嘴21与之前的喷嘴1相比具有附加的相应特征，诸如顶端25处的圆边34、具有凹形曲面37和凸形曲面38的钟形外表面36、内孔32等等。
如图12中所示的，用于该喷嘴的焊点尺寸将为2.2mm，其相应于喷嘴21的出口27的宽度。
上述焊接喷嘴1、21由铁制成并由锡薄层覆盖以有助于回流的熔融焊料的附着。喷嘴1、21均已在各种单点焊接应用中被测试并具有改进的缩锡性能――缩锡前喷嘴寿命更长。
尽管两种实施方式的环形沟槽的轴向位置从喷嘴顶端5、25的远端到沟槽3，23的末边缘被测得为2mm，位于喷嘴更上方或更下方的沟槽也将起作用。沟槽3、23与喷嘴顶端5、25之间的优选距离在1mm到5mm之间的范围中。
现在转到焊料喷嘴的第三种实施方式，图15为根据本发明的喷嘴的第三种实施方式100的上部分61的俯视图。该部件61为两部分形式的喷嘴100的上部分。喷嘴的下部分可以在图18至图25中看到并且将在后面描述。
与之前的喷嘴1、21相比，出口67的尺寸进一步减小。现在测得喷嘴出口67的尺寸为1.5mm。因此，该喷嘴可被用于焊接更小的区域，且它对于焊接较小的终端是理想的。下面我们将解释利用这种狭窄的出口67如何能够在不经历凝固/喷射时获得令人满意的喷嘴性能――某些先前不可能获得的性能。然而，首先将描述喷嘴的该部件部分的特征。
喷嘴的形状仍旧为钟形或钟形结构，且它也可有点类似于烧瓶。然而，喷嘴的颈部或顶端65的形状现在基本上为具有内孔72的直筒形。在它的外表面上具有一对环形沟槽63、64，还可以采用单个沟槽(具有较短颈部)代替。
参考附图16，给出了所有尺寸。
在颈部上设有两个沟槽，它们占据了第三喷嘴100的上部分61。如前所述，环形沟槽63、64是为了改善喷嘴100的抗缩锡性能。熔融焊料将会像以前一样以焊珠的形式从喷嘴顶端65的顶部处的出口被传递经过圆形边76(见图17)，且回流的焊料将沿着喷嘴76的外表面流下至喷嘴的颈部65。喷嘴的上部分的下半部－近端70或基底－被设计成连接到或堆叠到第二部分81的顶部85。基底70具有大体圆形的轮廓－由一连串具有图16中所示的不同曲率的曲面77、78获得的凸面。
图18－24示出了第三种实施方式的喷嘴100的下部分81。图18为喷嘴100的下部分或第一部分的俯视图，其示出了形成在该部分的颈部83的顶部上的齿形特征件94，焊料穿过该齿形特征件94的中部向上传递到喷嘴的顶部部分。齿形件由以彼此互相成直角(90度)设置的四个塔状元件89形成。图19从下面显示了在该部分中以钻孔的或以其它方式形成的内孔92，该内孔用于允许熔融焊料流进并向上流过喷嘴100。图24中给出了这种内孔92的细节，包括它的尺寸。
内孔被分成不同形状、长度和宽度的四个部分。第一部分被用于将喷嘴100连接至安装有喷嘴100的焊接装置50的剩余部分52(例如参见图29)。内孔92的相对狭窄的、末端的部分为在熔融焊料从喷嘴100的该部分81排出进入喷嘴100的上部分61的底部之前，熔融焊料最后经过的部分。
图20示出了喷嘴的该下部分或部件81的形状的轮廓，该形状也可以与钟形或烧瓶的形状相比较。
图21突出显示了部分81的外表面96的特征。该部分的近端或基底90稍稍向内弯曲。该部分的近端90的弯曲部分98与朝向颈部83变窄的锥形部分97结合。
图22为图18的一部分的放大图，其详细示出了齿形件94并且给出了它的尺寸。塔状物或指状物成角度并且它们之间的间隔被限定。
图25为组装在一起的喷嘴的两个部分或部件61及81的俯视图。喷嘴的上部分或第二部分61堆叠在喷嘴100的下部分或第一部分81的顶部。堆叠结构由图26详细示出，其中可看到，可堆叠部分61、81过盈配合的连接在一起，上部分70的近端被压靠在第一部分81的齿形件94上。扁平的或稍微弯曲的端部由此被设置在指状物上，顶部部分的近端的内表面与这些端部接合。
当被插入到上部分61的基底70中时，该喷嘴100被设计成允许焊料借助于通过齿形件94在两个部分61、81之间形成的孔101流出。
参考图26、27和28，可进一步解释该喷嘴100的功能。熔融焊料允许经由下部分80的基底90进入喷嘴。由气泵传递到焊料的压力将使得焊料向上流动，直到部分焊料(过量的焊料)先于上部出口经由上部分61的齿形件和基底70所形成的孔101从喷嘴喷出。然而，剩余的焊料流体反而移动穿过上部分61的孔72，直到到达喷嘴的顶部部件中的喷嘴出口67。随后它喷出以从喷嘴的顶端溢出来形成焊珠。
由于孔101的出现，与没有孔101的喷嘴相比，气泵将能够以更高的速度运行。气泵的较高速度确保了给喷嘴补充泵出的新鲜热焊料，其保持了穿过喷嘴的热质量以使喷嘴保持在适当的热度以防止凝固。
而且，由于气泵运行得很快，从喷嘴的外部分发并围绕喷嘴的熔融焊料将保持适当的流量以便覆盖喷嘴的外表面，尽管流出喷嘴的顶部的焊料可能已不足以保持充分地、流动地覆盖。这有助于防止喷嘴外部上的废料或焊料堆积。
而且，流出位于两个部分81、61之间的孔101的流体将以受控的方式与从喷嘴的顶部处的出口流出的外流体相遇，这是因为上部分形成为朝向下部分的顶部/颈部弯回的轮廓，由此该流东为非紊流－过量的焊料的流动由于表面张力将有助于从上部分61“剥落”或“拉开”焊料。该剥落作用与上部分中的沟槽一起，将进一步改善出口处的焊珠的稳定性，由此降低晃动的程度――通常由小尺寸增加的问题。这因此能够常规地使用1.5mm的出口以形成用于点焊应用的稳定焊珠。
图29示出了焊接单元50，在焊接单元50的顶部安装第三种实施方式的喷嘴100。焊接单元50基本防止了废料的形成，这是因为它基本消除了焊料飞溅，且上述喷嘴防止了缩锡。通过防止缩锡，以及通过防止焊料飞溅，一旦离开喷嘴出口67或附加的孔101，作为薄膜的回流的焊料向下流到喷嘴外表面76、96的流畅曲面、向下流到外部螺旋形物体，且随后向下流过该螺旋形物体(仍然不会飞溅)回流到供给箱。
这显著减少了废料。
因此上面仅通过示例的方式描述了本发明。在本发明所附的权利要求的范围内，可以对本发明进行细节上的修改。

Claims (41)

1.一种用于将熔融焊料传递至印刷电路板的下侧的焊接喷嘴，该喷嘴包括喷嘴出口，所述喷嘴具有内孔，熔融焊料流体能够通过所述内孔注入以从所述喷嘴出口溢出，所述喷嘴具有构成为支撑回流的熔融焊料流体的外表面，其中，所述喷嘴的所述外表面包括围绕所述喷嘴出口的至少一部分布置的狭槽特征件或凹槽特征件，所述狭槽特征件或凹槽特征件用于容纳回流的焊料流体的至少一部分，其中所述狭槽特征件或凹槽特征件和所述出口限定所述狭槽特征件或凹槽特征件和所述出口之间的距离，在所述喷嘴的轴向上测得的所述距离的范围在1mm至4mm之间。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有限定有喷嘴轴线的轴向对称形状。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有大致为钟形的形状。
4.根据权利要求3所述的喷嘴，其中，在使用时，所述喷嘴出口位于所述大致为钟形的形状的顶部。
5.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述狭槽特征件或凹槽特征件为环形沟槽，所述狭槽特征件或凹槽特征件的深度的范围在0.1mm至0.5mm之间，所述狭槽特征件或凹槽特征件的宽度范围在0.5mm至2mm之间。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的喷嘴，其中，所述内孔与所述喷嘴基本上同轴。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的喷嘴，其中，所述狭槽特征件或凹槽特征件围绕所述喷嘴出口的至少一部分延伸。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的喷嘴，其中，所述狭槽特征件或凹槽特征件围绕整个所述出口延伸。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的喷嘴，其中，在使用时，所述狭槽特征件或凹槽特征件基本上水平地延伸。
10.根据权利要求1至4中任意一项所述的喷嘴，其中，所述狭槽特征件或凹槽特征件为环形沟槽。
11.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，所述环形沟槽具有矩形深度轮廓。
12.根据权利要求1至4中任意一项所述的喷嘴，其中，所述狭槽特征件或凹槽特征件的深度的范围在0.1mm至0.5mm之间。
13.根据权利要求1至4中任意一项所述的喷嘴，其中，所述狭槽特征件或凹槽特征件的宽度范围在0.5mm至2mm之间。
14.根据权利要求1至5中任意一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴包括邻近所述狭槽特征件或凹槽特征件布置的另一个狭槽特征件或凹槽特征件。
15.根据权利要求14所述的喷嘴，其中，所述狭槽特征件或凹槽特征为第一沟槽，所述另一个狭槽特征件或凹槽特征为第二沟槽，且所述第二沟槽与所述第一沟槽相比具有基本上相似的纵横比。
16.根据权利要求15所述的喷嘴，其中，所述第二沟槽与所述第一沟槽沿所述喷嘴的轴向限定了沟槽间隔距离，从各自的沟槽中心测得的所述沟槽间隔距离的范围在1mm至5mm之间。
17.根据权利要求1至5中任意一项所述的喷嘴，其中，该喷嘴包括第一可堆叠部分和第二可堆叠部分，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分设置成在使用时流体连接，以允许熔融焊料通过所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分注入以溢出所述喷嘴出口。
18.根据权利要求17所述的喷嘴，所述喷嘴还适于通过在所述喷嘴内限定至少一个能够使过量的熔融焊料被释放的孔来释放过量的熔融焊料。
19.根据权利要求18所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分互相配合以限定所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分之间的所述孔或每一个孔。
20.根据权利要求18所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分一旦被堆叠就保持在一起而不会分离。
21.根据权利要求20所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分通过过盈配合保持在一起。
22.根据权利要求20所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分通过螺纹配合保持在一起。
23.根据权利要求20所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分互锁在一起。
24.根据权利要求17所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的每一个具有限定有孔轴线的孔，且其中，在使用时两个孔轴线基本上对齐。
25.根据权利要求24所述的喷嘴，其中，所述孔的轴线与所述喷嘴的轴线基本上同轴。
26.根据权利要求17所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的至少一个具有基本上为钟形或烧瓶形的形状。
27.根据权利要求17所述的喷嘴，其中，在使用时所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的一个堆叠在上的部分的宽的基底部分堆叠在所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的另一个的窄的颈部部分上。
28.根据权利要求27所述的喷嘴，其中，所述堆叠在上的部分通常小于另一个部分。
29.根据权利要求28所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分中的每一个具有限定有孔轴线的孔，且其中，在使用时两个孔轴线基本上对齐，且其中，所述堆叠在上的部分的孔通常比所述另一个部分的孔更窄。
30.根据权利要求29所述的喷嘴，其中，所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分互相配合以限定所述第一可堆叠部分和第二可堆叠部分之间的所述孔或每一个孔，且其中，被所述堆叠在上的部分堆叠的所述另一个部分包括齿形特征件。
31.根据权利要求30所述的喷嘴，其中，所述齿形特征件形成所述两个部分之间的孔。
32.根据权利要求1至5中任意一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有喷嘴顶端，所述喷嘴出口设置在所述喷嘴顶端的末端，所述喷嘴出口的内部宽度尺寸在1.5mm至2.5mm之间。
33.根据权利要求32所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有基底，所述基底的外部宽度尺寸至少为15mm。
34.根据权利要求32所述的喷嘴，其中，所述喷嘴还具有围绕所述喷嘴的侧部的一个或多个附加的孔，所述喷嘴出口位于一个或多个所述孔之上。
35.根据权利要求34所述的喷嘴，其中，所述孔或每一个孔使其出口相对于向上指向的上部出口大致向下指向。
36.根据权利要求34所述的喷嘴，其中，所述喷嘴具有多个孔，每一个所述孔围绕所述喷嘴的外周隔开。
37.根据权利要求34所述的喷嘴，其中，在所述孔或每一个所述孔之上的所述喷嘴的宽度尺寸在6mm至13mm之间。
38.根据权利要求1至5、18至31和33至37中任意一项所述的喷嘴，其中，在所述喷嘴出口处的所述喷嘴的壁厚在0.25mm至1mm之间。
39.一种焊接单元，该焊接单元包括根据权利要求1-38中任意一项所述的喷嘴。
40.一种焊接装置，该焊接装置包括根据权利要求39所述的焊接单元。
41.一种焊接方法，该焊接方法使用以权利要求1至39中的任意一项所限定的喷嘴为特征的焊接装置。
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