CN104400167B - 一种感应回流焊装置及使用该装置的电路板元器件焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感应回流焊装置及使用该装置的电路板元器件焊接方法的技术方案，该方案包括有主机、电感线圈阵列和传输带；电感线圈阵列由多个内置螺线管线圈的磁筒同向排列组成；螺线管线圈缠绕在磁棒上；电感线圈阵列设置在传输带上方；该方案让可调组合电感线圈阵列即作为能量输出器件，又作为焊点温度的取样器件，利用添加剂的5个理化特性，在主机的控制下实现焊点温度直接监控、焊点自动均温、焊接过程动态优化、高效节能等特性的感应回流焊。

Description

一种感应回流焊装置及使用该装置的电路板元器件焊接方法

技术领域

本发明涉及的是电子制造和应用领域，尤其是一种感应回流焊装置及使用该装置的电路板元器件焊接方法。

背景技术

现有的感应焊接工具一般是将烙铁头放在螺线管线圈中，利用线圈中的高频电流在烙铁头中形成高频交变磁场，再通过这个磁场在烙铁头中产生的涡流损耗使烙铁头发热进行焊接，具有升温快的优点，但是存在着与普通恒温烙铁一样的缺陷，无法对一些贴片元件进行焊接，特别是以面阵列封装为代表的贴片元件，因为这些广泛应用的贴片元件的需要焊接的焊盘很多都位于集成块的底部，烙铁头根本无法进入焊接。

在电子制造业中，为解决这类问题，广泛采用了回流焊技术，而在现有的采用空气或氮气为介质的回流焊设备中，不仅印制板（PCB）和印制板上的所有元器件都要承受着足以熔化焊锡的高温循环气体，容易造成热应力耐受较差的元器件失效、也容易造成印制板变形和分层，特别是在广泛使用无铅焊料的今天，由于无铅焊膏中的熔点一般都高于锡铅焊膏，使得问题变得更加严重。同时，由于一些设备的固有缺点：比如气流造成小体积贴片器件立碑、歪斜现象；多种原因造成的温度不均匀导致的焊点受热不均，虚焊等焊接质量问题，直接影响良品率。同时，针对整块电路板进行加热，不仅造成能源浪费，也使提高了设备的运行成本。另外，经常性需要做的炉温测试也使得操作不便。

为彻底解决回流焊和其他一些流体介质焊接的固有缺点，人们开始探索将其他领域中广泛应用的感应加热技术用到电路板元器件的焊接加工中。我国学者与国外学者合作在文献1《EddyCurrentInducedHeatingfortheSolderReflowofAreaArrayPackages》（--IEEETransactionsonAdvancedPackaging,Vol.2,No.31,2008,pp.399-403）中探讨了对面阵列封装的焊料回流的涡流感应加热的可行性，用高频电磁场，锡银无铅焊球将加热到熔化并且浸湿基层上的焊盘，验证了在实际应用中感应加热回流是一个切实可行的焊接方法。白俄罗斯学者在科学研究杂志的文献2《High-FrequencyHeatingforSolderinginElectronics》［-CircuitsandSystems,2012,3,238-241http://dx.doi.org/10.4236/cs.2012.33033PublishedOnlineJuly2012(http://www.SciRP.org/journal/cs)］研究了高频加热的过程和对电子模组的焊接参数优化，并且指出了高频加热的系列优点：利用可选的趋肤效应；能量的高密度、任意环境中的处理；高的生态清洁生产、通过电动力学力改进焊料流动增强焊料连接的品质，高频电磁场加热的研究已经允许在形成焊料连接的局部区域优化加热速度并且由于表面效应和电磁力的结合作用改进它们的品质。这些文献充分表明利用现有感应加热设备，进行涡流感应加热回流焊接的可行性，但是采用文献中的方案也存在严重的不足，主要表现在：1.文献1和文献2中都仅仅利用了目标加热对象在高频磁场中的涡流损耗进行感应加热，而涡流感应加热利用的涡流损耗强烈地依赖于目标加热对象的尺寸大小、感应工作频率、电阻率、磁场强度、磁导率，对于有较大外径的BGA焊球（数百微米）或其他有较大尺寸的焊接对象施加足够的高频交流磁场强度的时候，产生的涡流损耗能够满足焊锡融化和回流焊接的要求，而对于电路板上的铜箔（通常厚度仅有35微米）以及焊膏中的金属颗粒（一般也仅有数十微米的外径），由于尺寸太小则不能被加热到满足焊接要求的温度，若继续增强交流磁场强度，会有具有影响到器件内部电路连接的风险，而感应工作的频率又受到限制，正如文献3《ReducedImpedanceandSuperconductivityofSnAgCuSolderAlloyatHighFrequency》〔-ElectronicMaterialsLetters,Vol.8,No.5(2012),pp.503-505DOI:10.1007/s13391-012-2054-6〕指出的那样：在一个宽频率波段上的研究了无铅焊料结合处的趋肤效应。与通常认为的“焊料合金的等效阻抗随频率增加”相反，当频率达到一个临界值时电阻趋于饱和，对于锡银铜合金为10MHz，在高电流密度处当使用方波交流电流加载时可以观察到负表面阻抗增加率。进一步增加频率导致等效电阻显著减少，在11MHz处以1.06E+6A/cm2的电流密度，焊料合金的等效电阻下降到接近为0。因此文献1和2在实际使用的加热效果受限于目标加热对象的尺寸大小，仅能针对存在较大焊球或模组进行加热，对于仅有小体积铜焊片的集成电路器件进行回流焊接的加热受到极大的局限。2.文献1和文献2中都采用了现有的感应加热设备产生交变电磁场，都要求比较强的交变磁场，产生的交变电磁场越强，不仅所需的视在功率越大，而且电磁辐射也很严重。3.文献1和文献2中，适合于整块电路板上的一个器件的局部加热，而对于块电路板上多个不同器件分布后器件焊点之间的温升差异无法进行统一控制，当整块电路板置于同一个高频交变磁场中加热的时候很容易造成升温快的器件焊点发生过热，升温慢的还没有有融化。4.文献1和文献2中都采用了虽然对用回流焊接中都采用了红外传感器采样目标器件的温度，红外传感器仅能采样器件表面的温度，而对器件表面以下的焊点温度是无法直接采集的，显然对于一块电路上不同厚度、传热系数、封装的贴片元器件，器件表面温度与器件下面焊点温度的差异也是不同的，无法对进行整板焊接温度进行合理控制，而焊接温度是整板焊接中最为核心的工艺参数之一，一般都需要直接预设并及时监控。

网上的资料中也提到的感应回流焊设备在加热头中采用变压器，利用电感涡流原理对焊件进行焊接，这种焊接方法没有机械接触，加热速度快；缺点是对位置敏感，温度控制不易，有过热的危险，静电敏感器件不宜使用。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种感应回流焊装置及使用该装置的电路板元器件焊接方法的技术方案，该方案利用添加剂的5个理化特性，让可调组合电感线圈阵列即作为能量输出器件，又作为焊点温度的取样器件，在主机的控制下实现焊点温度直接监控、焊点自动均温、焊接过程动态优化、高效节能等特性的感应回流焊。由于充分利用添加剂的多种损耗发热，而不是传统的感应回流焊中极其受限的器件焊脚的涡流发热，因此使处于较弱的交变磁场强度中的焊点也能进行高品质的回流焊接，更重要的是直接将焊点温度转换为容易识别的电量信息进行数据处理和焊接过程控制，利用添加剂可调的居里温度来适应不同焊膏的熔点温度，并且对于提前达到居里温度的焊点由该焊点处的添加剂的理化特性决定了该焊点自动停止主要加热机制，使所有焊点的焊接温度较为一致。实现直接针对焊点的可控高效加热，作为代替现有的广泛应用的流体介质回流焊设备和工具，应用到电子制造业当中，实现安全节能，清洁高效，简单易行、高品质的电路板元件焊接加工过程。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种感应回流焊装置，包括有主机、电感线圈阵列和传输带；电感线圈阵列由多个内置螺线管线圈的磁筒同向排列组成；螺线管线圈缠绕在磁棒上；电感线圈阵列设置在传输带上方；主机包括有数据处理单元、射频功放单元和驱动单元；射频功放单元用于向电感线圈阵列输出直流电；驱动单元用于驱动电感线圈阵列运动；数据处理单元用监测和控制射频功放单元和驱动单元的运行。

作为本方案的优选：磁棒和磁筒的外形为圆形或正六边形；电感线圈阵列的排布方式为矩形阵列或蜂窝型阵列；电感线圈阵列中相邻两个磁筒之间存在间隙。

作为本方案的优选：电感线圈阵列的截面大于待焊接电路板的面积；电感线圈阵列能够在水平方向上相对于传输带移动，单次位移的距离小于磁筒的外径，总位移小于两个相邻磁筒的轴心之间的距离。也可以根据需要旋转阵列。

作为本方案的优选：传输带下方设置有电感线圈阵列，下方的电感线圈阵列与上方的电感线圈阵列相互错位放置使上下两方的交变磁场强度互补，且平移时相对位置固定不变。

一种使用上述感应回流焊装置的电路板元器件焊接方法，包括以下步骤：

a.根据磁棒和磁筒的磁导率温度系数和感应工作频率选择确定磁棒、磁筒的磁性材料成分，再根据所需感应功率和所需磁场强度的大小调整确定单个磁棒和磁筒的径向和轴向尺寸、螺线管线圈中绝缘导线的直径，线圈的圈数，然后根据最大可加工电路板的面积调整确定需要使用的磁筒个数，然后根据磁筒的尺寸大小和数量调整组装电感线圈阵列；

b.在电路板的焊盘铜箔上印刷或镀上添加剂，然后在添加剂的镀层上面以传统方式印刷标准类型的焊膏；

c.将电子器件放置在焊膏上，将整块待焊电路板放置在传输带上进行焊接；

d.在主机的控制下对焊点温度进行实时监控。

作为本方案的优选：步骤b中的添加剂在弱磁场下的初始磁导率高于磁筒和磁棒的磁导率；添加剂与焊膏之间具有良好的浸润性和界面反应性；添加剂的磁导率温度系数大于锰锌铁氧体的磁导率温度系数；添加剂的居里温度比焊膏的熔点高0-100℃；添加剂在500KHZ、100mT的交变磁场作用下总损耗大于2900mW/cm³，其中涡流损耗占总损耗的比例小于20%。

作为本方案的优选：步骤d中，焊点温度的实时监控的方法是利用电感线圈阵列的磁路是由磁棒、磁筒、小段气隙和添加剂共同组成的，工作中其余部分的磁导率不变，只有添加剂的磁导率变化会随着自身温度的变化而变化，这种变化直接与射频功放单元的等效负载阻抗变化对应，通过对等效负载阻抗变化的监测就可以直接获得添加剂温度变化的信息。

作为本方案的优选：步骤c中，在预热阶段、保温阶段，回流焊阶段初期，电感线圈阵列水平方向上相对于传输带往复运动；在回流焊阶段后期，当检测到焊点温度已经全部达到居里温度后，即开始按照峰值焊接温度保持时间要求进行计时，计时结束后停止高频磁场输出。

作为本方案的优选：步骤d中，焊点温度直接监控包括：数据处理单元能够及时检测并存储射频功放单元的等效负载阻抗中基波成分电流电压的幅度、相位、功率因数、有功功率、无功功率、变化时序等电量数据，通过这些电量数据计算出射频功单元的等效负载阻抗并且进行实时跟踪记录，实现动态的等效负载阻抗变化的检测、通过查表、数据运算处理将等效负载阻抗变化转换为焊点温度信息，得到感应加热过程中的实时温度信息，也能将这个温度信息转换并存储为与加工产品所对应的温度曲线方便调用。

作为本方案的优选：添加剂为铁镍合金或其他满足规定要求的材料。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中在选择磁棒和磁筒的磁性材料时，首先选择磁导率温度系数小、并且在给定的感应工作频率下损耗低的磁性材料做磁棒和磁筒材料和多股利兹线做线圈绕组，这是从根本上减少在工作中磁筒温度上升的手段，其次当所需高频交变磁场强度较强，感应功率较大造成单个磁筒发热量较大的时候，可以通过磁筒之间的空气隙进行强制风冷，满足了在感应加热工作中电感线圈阵列中磁筒的温升很低的要求。

当单个磁筒线圈中通以高频交流电流的时候，将在对应的磁棒、磁筒中以及磁棒与磁筒之间的气隙附近处产生高频交变电磁场。由于磁棒、磁筒的磁导率远大于空气的磁导率，可以近似认为大部分磁路存在于相应的磁性材料中，只在磁棒与磁筒之间的气隙附近处存在高频交变电磁场。与文献1和文献2中所使用的开放式感应线圈相比，不仅将大部分磁场约束在磁性材料中，极大地降低了自身电磁辐射干扰，同时又可以通过调整线圈中的电流大小、线圈圈数和磁筒大小来完成高频交变磁场的强度的调整。

将单个磁筒线圈组合成阵列之后，由于磁筒的磁导率远高于空气的磁导率，因此单个磁筒线圈之间的互感作用很小，在每个单体磁筒的磁棒与磁筒之间的气隙附近处产生高频交变电磁场强度基本上由线圈中的电流确定。当阵列中所有线圈中的电流大小相等的时候，在靠近阵列几毫米的近场处，将待焊接的电路板水平放置在薄的铝制网状传送带上，再将电感线圈阵列的螺线管线圈一侧从上面尽可能地靠近电路板上所有贴片元器件中高度最高的元器件，可以在电路板上所有的焊盘平面上的获得强度可调、分布较为均匀的若干个环形近场交变磁场。同时，在专业增强型设备中，在待焊接电路板的下面尽量靠近铝制传送网的地方也可放置与上面相同的电感线圈阵列，放置时考虑局部交变磁场强度互补错位放置，进一步改进高频交变磁场强度的均匀性。

在感应回流焊的工作中必须使用添加剂，在感应回流焊的工作中充分利用了一种添加剂同时具备的理化特性来实现高效感应焊接的目的。添加剂即处于待加工电路板的焊盘上，同时也处于磁棒和磁筒之间的气隙中的高频交变磁场中，并用于形成磁路的一部分，而这个磁路参数直接影响到线圈所在的高频功放电路的等效负载阻抗。因为添加剂位于焊盘上会直接与电路板上的铜箔，焊膏进行焊接，因此添加剂首先应当具备的理化特性是本身具备良好的可焊性，比如对焊膏优良的浸润性和界面反应性。同时由于添加剂又用于形成高频磁路的一部分，因此添加剂具备的第二个理化特性是在弱磁场下具备高的初始磁导率，它磁导率远高于磁筒和磁棒的磁导率，当它的磁导率变化时，就能够从高频功放电路的等效负载阻抗的变化中反应出来。添加剂具备的第三个的理化特性是在弱磁场下磁导率随着温度的变化而明显变化，具备较大的磁导率温度系数。因此当添加剂的温度改变就会造成其磁导率的改变，因而可以从高频功放电路的等效负载阻抗的变化中直接反应添加剂温度的变化，实现温度检测。添加剂具备的第四个的理化特性是高频磁场的作用下能够产生较大的损耗，包括磁性弛豫产生的剩余损耗、磁滞损耗和涡流损耗，同时，在选择感应频率的时候，专门选择了前两个损耗占比最大的开关频率，因此工作中添加剂的产生的涡流损耗很小。因此添加剂的总损耗基本上与它的体积重量近似为线性关系。相比于现有技术中采用的感应加热的方式，本发明由于综合利用了多种损耗加热进行焊膏融化和回流焊接，因此提高了加热效率，极大降低了对感应的交变磁场强度的要求，解决了静电敏感元件的感应回流焊问题。

在感应回流焊的工作工程中，使用主机对焊点温度进行实时检测，能够保证在工作过程中防止由于焊点温度过高，烧坏需要焊接的元器件。利用感应焊接工作中其余部分的磁导率是不变的，只有添加剂磁导率变化会随着自身温度变化而变化，这种变化直接与射频功放单元的等效负载阻抗变化对应，通过等效负载阻抗变化的监测就可以直接获得添加剂温度变化的信息的方式，能够较准确测得焊点温度，提高了对焊点温度检测的准确性。

利用添加剂的居里温度特性，当焊点温度达到居里温度时，依然存在的外加高频磁场对该焊点所产生的剩余损耗和磁滞损耗基本消失，相当于自动停止对该该焊点进行加热，而没有达到居里温度的焊点被高频交变磁场继续加热，从而基本消除了不同焊点温度之间的差异，保证了焊点的温度均匀性。

本发明与传统的感应回流焊相比，从根本上解决了传统的感应回流焊中存在的对位置敏感，温度控制不易，有过热的危险，静电敏感器件不宜使用的缺点。也解决了传统手工焊接包括模仿手工焊的焊接机器人无法焊接这类高密度封装的贴片元件的问题。与普通的BGA返修工作站或热风回流焊设备相比，从根本上消除了对PCB翘曲或分层、极大地降低了器件承受的热应力、消除了气流造成的小体积贴片器件立碑、歪斜现象，解决了热风温度不均匀导致的焊点受热不均，虚焊等焊接质量问题，同时具有环境等问题。与文献中提出的技术方案相比，由于同时利用了添加剂所具备的五个理化特性，不仅可以实现对所有种类的贴片器件的焊接，也大大降低了焊接中对交变磁场的强度要求、实现了焊点温度直接监视，同时实现焊点的自动均温和升温速率的优化控制。并在此基础上，通过以磁筒为基本单元的可调电感线圈组合阵列和屏蔽结构，不仅基本消除了设备对外的电磁辐射，也使得感应回流焊的系统结构配置更为灵活，使用更加方便。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的感应回流焊装置的系统框图。

图2为本发明的感应回流焊装置的结构示意图。

图3为磁筒的结构示意图。

图4为正六边形磁筒的结构示意图。

图5为圆形磁筒的结构示意图。

图6为矩形电感线圈阵列的结构示意图。

图7为蜂窝状电感线圈阵列的结构示意图。

图中，1为磁屏蔽保护单元，2为电感线圈阵列，3为网状传输带，4为待焊贴片元件，5为磁筒，6为螺线管，7为磁棒。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

本发明提供了一种感应回流焊的实现方法，包括适用于工业场合应用的专业设备感应回流焊系统和方便个人使用的小型化感应回流焊系统的实现方法，专业设备系统用于对整块印制板上所有的贴片元件同时进行连续、快速和高效率地进行感应焊接，并且在扩展可调线圈阵列的大小的情况下，实现多块印制板的同时焊接。小型化系统用于完成单块印制板上的单个贴片元件的感应焊接。专业设备的感应焊接系统框图如图1所示，小型化系统只是省略了图1中的一些部分来达到小型化的目的，小型化系统主要用于对于焊接的生产效率要求不高的实验室场合。小型化系统省略的部分有步进电机控制的伺服驱动系统、网状传送带，另外辅助结构平台相应地变小了，其余的系统结构框图和基本一致。因此，在针对专业设备系统的图1进行描述时，适当指出它与小型化系统的区别，就可以完整描述。

参见图1，市电经过EMI滤波器后进入感应回流焊系统中的多路输出供电单元，多路输出供电单元以选用了高效率的开关电源来实现，能够输出多路与市电隔离的直流电压，其中，直流电压功率容量最大的一路是送到电压调整单元，为它提供一个固定的直流电压输入。另外几路分别送到伺服驱动系统、数据处理单元、数据显示器及输出接口、工艺参数及系统输入键盘等系统单元，为这些单元提供它们工作所需要的直流电压。在实施例中，对于专业设备和小型设备，都采用了两级架构。由于专业的功率较大，第一级采用了三相双开关PFC电路，采用三相三线380V交流电输入的BOOST拓扑，输出为DC800V。第二级采用了高效率的移相全桥拓扑做DC/DC变换，完成了多路直流电压的输出。小型设备的第一级采用单相无桥PFC电路，市电220V输入，DC400V输出，第二级采用了LLC电路做架构DC/DC变换完成多路直流电压输出。多路输出供电单元位于主机内。由于带有源PFC功能的多路输出AC-DC开关电源的结构和工作原理一般为本领域技术人员所熟知，并且能够从包括TI、ON半导体公司有详尽的技术文档可以参阅，故在此不再详述。

电压调整单元的作用是：按照数据处理单元输出的指令将固定的直流输入电压变换成大小合适的直流输出电压为射频功放单元供电。在实施例中采用了工作在CCM模式的BUCK电路，众所周知它的直流输出电压Uo与固定的直流输入电压、占空比D之间存在着有总所周知的近似关系Uo=D×Uin，当数据处理单元根据需要改变占空比D的时候，在Uin固定的时候，显然Uo与D基本上成正比例关系。因此，数据处理单元使占空比D在0-100%范围内变化时，输出的直流电压也在接近于0-200V的范围进行变化。电压调整单元位于主机内。当然实现这个不隔离DC-DC转换功能的高效率开关电源电路有很多，也为本领域内的技术人员所熟知，故此处不再详述。

射频功放单元选用了高效率的开关放大器，它的负载阻抗包括了电感线圈阵列的等效电路，该等效电路由一个电感Le和电阻Re的串联支路组成。射频功放单元的作用是将数据处理单元送来的方波信号中的基波频率信号进行功率放大，放大后为电感线圈阵列的等效电路提供合适的高频交流电流。在实施例中的射频功放单元选用了D类开关功放电路作为射频功放单元的主架构，采用源于电压调整单元输出的可调直流电压为D类功放电路供电，并同时对电感线圈阵列的等效串联支路两端的基波频率电压和串联电流的幅度和相位信息进行了采样、滤波、比例变换、A\D转换、光电隔离等电路，并将采样的结果经过后级数据处理单元中的接口电路送到数据处理单元进行处理。射频功放单元位于主机内。当然实现这个高效率射频功放单元的主架构开关放大电路还有很多，比如E类、DE类，F类、EF类开关功放电路等，主要按照数据处理单元送来的基波频率高低来确定，其设计方法也都为本领域内的技术人员所熟知，同时，完成对电感线圈阵列的等效串联支路两端的基波频率电压和串联电流的幅度和相位信进行采样、滤波、比例变换、A\D转换、光电隔离等电路的设计方法也都为本领域技术人员所熟知，故此处不再详述。

电感线圈阵列是本发明的一个重要组成部件，在工作中同时具备两个基本功能，它即是射频功放电路能量输出的部件，同时也通过自身等效串联支路参数的变化来改变等效串联支路基波电压和电流的幅度与相位，来实现对焊点温度的取样，并将取样信息反馈给数据处理单元。它的突出特点是可以根据应用需要进行调节。它的设计和调节的步骤为：第一步是按照两个条件折中选择磁棒和磁筒的磁性材料成分，第一个条件是在数据处理单元给定的感应工作频率和可能的最大磁感应强度处的材料损耗较小。第二个条件是材料的磁导率温度系数最小。实施例中，由于选定了通过比较选用了四川省绵阳市维奇电子公司的原用于低频无极灯的低损耗功率锰锌铁氧体材料，在0.15T和500KHz的条件下，该材料的损耗接近于TDK公司的PC95材料损耗比较接近，同时拥有极低的磁导率温度系数，具有很好的温度特性。第二步是调整确定电感线圈阵列中的螺线管线圈的参数。在一块电感线圈阵列中的每个磁筒单元设计成一样，每个磁筒中的螺线管线圈也设计成一样。螺线管线圈如图2所示，它是用多股利兹线均匀密绕在圆形磁棒上组成，多股利兹线中单股绝缘线的直径是依据在满足直径小于或等于感应工作频率决定的穿透深度的2倍的条件下，线径最大的原则来选择；磁棒的长度、多股利兹线的股数、在磁棒上绕制的圈数是根据待加工的电路板上贴片元件的最大高度、焊点大小来调整确定，其调整方法是待加工电路板上贴片元件的高度越高、焊点越大，磁棒的长度也越长，利兹线的股数越多，绕制的圈数也越多，反之亦然。而磁棒的直径是按照磁棒直径与器件的高度成正比进行调整的。在实施例中根据待焊接的实验板调整选用了直径为0.1mm，股数为100的利兹线作为螺线管线圈的绕组线。磁棒的直径和长度分别是4mm和120mm。螺线管线圈确定之后，根据单个螺线管线圈的尺寸，就可以基本确定磁筒的内径和长度尺寸。磁筒的结构示意图参见图3，图3是两种磁筒外形，上面圆柱形磁筒，下面是正六边形磁筒。显然，后者的效果更好，实施例中为了尽量利用现有的磁筒材料，选用了圆形磁筒结构，制作时将磁棒的端面涂上固定胶，将磁棒上的利兹线线圈引脚从磁筒穿出后，将磁棒粘接在图示位置。实施例中，磁筒的外径是13.5mm，内径是8.5mm，长度约150mm，材料与磁棒的材料完全一致，具有很好的温度特性。最后，是制作电感线圈阵列，阵列的大小由待加工电路板的最大尺寸确定，二者是成正比例关系，并且保证即使在阵列移动的情况下，在它的长和宽两个方向上也至少比待加工的电路板多出至少两个磁筒的尺寸。采用圆形磁筒和正六边形磁筒的电感线圈阵列的局部示意图分别见图4和图5，两种结构都基本相似。在确定阵列的大小之后，电路板、铝板、绝缘层的大小也就完全可以确定。电路板可以采用用单面印制板，铝板和绝缘层的长宽与阵列的长宽完全相同,铝板的与厚度与阵列的大小成正比，根据所需的机械强度来确定。单面电路板上的焊盘孔位与排列好的磁筒引出线位置相同,也对应铝板和绝缘层的的孔位,磁筒引出线穿好绝缘导管后依次经过绝缘层,铝板，单面电路板后焊接在焊盘上固定.电路板、铝板、绝缘层之间用环氧树脂粘合在一起固定。由结构可知，当每个磁筒线圈中通过受控高频交流电流的时候，将会在磁筒与磁棒之间附近气隙的地方产生受控高频磁场。电感线圈阵列位于主机外，通过电缆与射频功放单元连接。

从电感线圈阵列输出的高频磁场直接作用到添加剂，使用添加剂的目的是为了综合利用它的理化特性实现可控的焊接过程，来实现发明的目的，同时满足这些理化特性的物质都可以作为添加剂使用。在实施例中的添加剂采用了铁镍合金，其成分除了铁镍而外，还包括一些不可避免的杂质。选用铁镍合金的目的是较为充分地同时综合利用它的总所周知的理化特性。在焊接过程中它首先是处于它具备了总所周知的一些理化特性：（1）它在弱磁场下具备高的初始磁导率，它的磁导率不仅远远高于空气的磁导率，同时也高于磁筒和磁棒的磁导率。在焊接的过程中它不仅位于待加工电路板的焊盘上，因此虽然处于磁筒与磁棒之间附近气隙的受控高频磁场中，但由于这个特性它可以用于形成磁路的一部分。它的磁导率可以直接影响磁筒线圈的等效电感量大小。（2）在高频磁场的作用下能够产生较大的损耗。包括磁性弛豫产生的剩余损耗、磁滞损耗和涡流损耗.由于它处于受控的高频磁场中，因此在磁场的作用下产生的损耗所产生的焦耳热可以用于发热，达到使融化焊膏并实现回流焊接的目的。由于这些损耗可直接作用于焊点，相比于现有的焊接方式，显然是最为高效的方式，不仅保护了极大减小了对器件热应力的要求，也实现了高效节能的目的。并且在传统电镀方式电镀添加剂时，整个电路板的铜箔图形上都会镀上添加剂，使得铜箔焊盘可以达到较高的升温速率。（3）它的磁导率随着温度的变化而明显变化，具备较大的磁导率温度系数。这样，在焊接的过程中，在它发热的过程中，也就是焊接的过程中，由于温度的变化引起了它的磁导率变化，而它的磁导率变化又引起磁筒线圈的等效电感量变化，数据处理单元就可以根据磁筒线圈电感量的变化得到温度的变化，实现对焊点温度的直接监控，不存在现有的焊接工具盒设备中由于焊点与温度检测点之间所存在的温度梯度的影响。例如在文献1中，从电路板检测到的温度与焊点之间的温度相差达到80℃，普通的烙铁芯中热电偶检测的温度与实际焊点的温度差一般都在60℃以上。（4）它不仅具有居里温度特性，而且它的居里温度是可调的。为实现焊点的自动均温，要求添加剂必需具备居里温度特性，这样，当高频磁场作用到待加工电路板焊点的时候，先到达居里温度的焊点可以近似认为自动停止加热，而未达到居里温度的焊点在高频磁场的作用下被继续加热，直到也达到居里温度，不仅实现焊点的自动均温，也从根本上解决了器件过热的问题。另外，由于在焊接过程中使用的无铅或有铅焊膏的种类、工艺参数不一样，显然所需要的焊膏熔点温度和回流焊的温度也是不一样的，所以要求添加剂的居里温度是可调的，而且能够调节的温度范围也是很广的，甚至从几十度到600℃以上，不仅足以满足普通锡焊的要求，也满足一些特殊的焊接，例如金硅共晶焊接的温度要求。而总所周知的是，铁镍合金的其居里温度的调节包括通过制造该材料时改变铁磁材料的成分比例、退火曲线、气氛条件或外加磁场等手段来实现。当焊膏的熔点温度和温度工艺参数确定之后，根据所使用的焊膏，就可以完全确定添加剂的居里温度。一般情况下添加剂的居里温度比所使用的焊膏的熔点高0-100℃。在实施例中，在实施例中，采用的焊膏是常见的锡银铜焊膏，添加剂是居里温度为250℃的铁镍合金。（5）它自身具有良好的可焊性，比如对焊膏优良的浸润性和界面反应性。由于添加剂位于待加工电路板的焊盘上，专业的PCB厂家可以采用电镀或化学镀的方法直接将它镀在焊盘上。没有电镀或化学镀的条件下，在添加适量的与焊膏成分一样的助焊剂之后，添加剂微粒可以与焊膏混合在一起后以印刷或点胶的方式直接到焊盘上，所以具有良好的可焊性是非常重要的，而铁镍合金完全满足这个条件。当然，添加剂的一些其他特性也会对焊接过程中的一些工艺参数有一定影响，包括在不同的感应工作频率，也就是高频磁场的频率作用下，添加剂的总损耗中各个损耗所占的比例不一样，选择的方法主要是通过实验验证，以剩余损耗和磁滞损耗之和占总损耗的比例接近最大为原则，满足国家相关无线电管理频谱规定和考虑对人体和周围设备的安全性要求。一般在10KHz到10MHz的范围内选取。

数据处理单元、数据显示器及输出接口、工艺参数及系统输入键盘主要负责焊接过程和设备运行的监控、工艺参数的设置和控制操作、调整时的数据输入和输出、数据的运算和存储、执行管理功能，负责全部工作部分的调度、分配、安排，使其良好运行等功能的实现。在大型专业设备中为实现控制系统的高可靠性、高稳定性、强抗干扰能力，在实施例中由工控机加自动化板卡组成的IPC＋SSR系统来实现。小型设备中选用了包括触摸屏的嵌入式系统来实现。在专业设备中还包括步进电机控制的伺服驱动系统，该系统主要以电机驱动丝杠沿导轨往复运动的方式，完成上下可调电感阵列的可控往复运动，这是传统高速精密传动方式。另外伺服驱动系统也完成其他的传动系统包括对网状传送带的驱动控制。辅助结构平台是为了配合焊接过程所需要的机械结构平台和及电磁屏蔽外罩，这部分的设计都为本领域技术人员所熟知，并且能够从相关生产厂家直接订做，因此不再详述其硬件结构，而是从本领域技术人员非常熟悉的回流焊工艺流程入手，按照本发明的方法指出各部分需要起到的主要作用与效果，既方便技术对照，也便于到专业厂家提出相关部件的定制要求。

先以图2说明专业设备的实现感应焊接的工作方法，图2是专业设备的局部示意图。与传统的回流焊一样，焊膏种类是实现确定的，实施例中采用的是很常用的锡银铜无铅焊膏，其熔点是217℃，因此实施例中作为添加剂的铁镍合金的居里温度是250℃。在进行感应回流焊接之前，待加工的电路板的焊盘上事先采用化学镀的方式已经镀好了添加剂，然后按照传统的印刷、贴片工艺将锡膏、贴片电子元器件放到对应的待加工电路板的焊盘上，准备焊接。

开机后工控机首先进行自检，包括使电感线圈阵列在水平面内进行快速往复平移、环境温度测试、可调电感阵列等效电路的中等效电感量测试，网状传送带的运行等过程，自检完成后，若无异常就提示输入待加工电路板的图号直接调用或命名新图号并输入对应的工艺参数。录入的工艺参数主要包括添加剂的型号、预热段加热速率、预热感应频率、预热时间；保温段温度速率、保温感应频率、保温时间；焊接段温度速率、焊接段感应频率、峰值焊接温度保持时间、上，下电感线圈阵列的高度位置、在不同焊接阶段中往复平移周期中的步距、步数、速度、；铝制传送带的运行速度。其他特殊工艺过程中的相应参数，例如采用双面感应回流焊工艺的时候由于焊膏熔点温度不同，可能会用到两种不同居里温度的添加剂。

输入完成开始进行焊接过程，上、下电感线圈阵列的高度将待加工电路板放在铝制网状传送带上进入上、下电感线圈阵列之间的中部位置，然后工控机根据输入的添加剂的型号调出事先存储好的，由添加剂的磁导率-温度材料曲线是转化来的电感量-温度曲线，开始本领域技术人员熟悉的预热阶段、保温阶段（有的也称为浸润阶段）、回流焊阶段、冷却阶段这四个阶段组成的回流焊过程。与传统回流焊过程的类似是㈠预热阶段的温度上升速率也必须保证不能损伤电路板上对温升速率敏感的元器件，比如多层陶瓷电容。㈡保温阶段也是为了让助焊剂充分发挥其作用。㈢回流焊阶段的峰值温度持续时间长短、超过焊膏熔点温度的时间长短也与传统回流焊过程的优化曲线要求基本接近。㈣也需要冷却阶段。与传统回流焊预热过程截然不同的是①传统回流焊是在多个温区中进行的，这里不需要专门的温区空间，可以节省设备空间；②传统的回流焊预热是针对整块印制板及板上所有不同的元器件同时预热，这里仅仅针对焊点进行预热，③传统的回流焊的保温阶段另一个主要的目的是保证电路板上的全部元件在进入焊接段之前达到相同的温度，因为电路板上的元件吸热能力通常有很大差别，因此传统回流焊中有时需延长保温周期，但是太长的保温周期可能导致助焊剂的丧失，以致在熔焊区无法充分的结合与润湿，减弱焊膏的上锡能力，太快的温度上升速率会导致溶剂的快速气化，可能引起吹孔、锡珠等缺陷，而过短的保温周期又无法使活性剂充分发挥功效，也可能造成整个电路板预热温度的不平衡，从而导致不沾锡、焊后断开、焊点空洞等缺陷，而在本发明中因为从预热阶段起就是针对焊点进行预热，焊点越大添加剂的体积和重量也就越大，产生的损耗也就越大，极大地减小了回流焊过程中由于元器件热容量不同带来的温度差异。因此可以在保持电路板上焊点温度基本一致的条件下大大缩短保温阶段的时间，最大限度地消除了助焊剂丧失现象。④在冷却阶段仅需采取自然对流冷却即可快速降温，因为在前面的过程中都仅仅针对焊点进行了有效的感应加热，并没有对器件和PCB板进行主动的加热，因此温升极低。⑤不仅从根本上解决了传统的感应回流焊中存在的对位置敏感，温度控制不易，有过热的危险，静电敏感器件不宜使用的缺点，而且在预热阶段、保温阶段、焊接阶段中易于实现温升速率动态调节控制，特别有利于实现可重复的优化后温度曲线。为解决传统感应回流焊对位置敏感的问题，首先从结构上采用了可调电感阵列取代单一的变压器来输出较为均匀的高频交变磁场，在阵列中很多地方的磁场强度都相等，同时在专业设备中采用了上下两块电感线圈阵列，两个阵列排列的位置是按照磁场强度互补的方式进行排列，而不是对正排列，进一步改善了阵列中磁场强度的均匀性问题。最后，在预热阶段、保温阶段、回流焊阶段中，可以预先设定的工艺步距，用伺服系统带动上下的阵列同时进行往复平移或者旋转，完全消除了由于阵列中存在的磁场强度不均匀对焊点加热效果的影响，彻底解决了传统感应回流焊对位置敏感的问题。同时，在整个感应回流焊接的温度控制中，由于可以将电感线圈阵列等效为一个等效电感和等效电阻的串联支路，只需分别采样该等效串联之路两端的基波电压和支路中的基波电流的幅度和相位，工控机按照电路理论公式结合预置的阵列本身的损耗值就可以较为精确算出串联支路中的等效电感量，将该等效电感量与工控机中实现存储的添加剂对应的电感量-温度材料曲线对照进行查表运算，就可以得出任意需要的某个取样时刻的焊点温度值，由于工控机以及自动化板卡极快的运算速度和强大的运算能力，在一次采样和运算过程中实际的焊点温度完全可以视为不变。采用这种办法，显然，通过不断地采样和运算出的焊点温度值，很显然可以快速得出温度变化的速率。当速率不满足工艺参数的要求时，可以对温度速率进行快速的调节。具体调节的方法是：当温升速率略大于规定速率时，工控机通过自动化板卡使输出到电压调整单元的PWM信号中的占空比下降，继续检测温升速率，直到速率满足要求才停止调节占空比，反之亦然。从而可以完成温升速率动态调节控制，使温升速率保持不变。因此不仅彻底解决了传统回流焊中温度控制不易的问题，而且利用添加剂的居里温度特性，彻底解决传统感应焊中存在的过热问题。同时，由于利用了添加剂的多种损耗效应进行加热，而不是局限于传统感应回流焊中采用单一的涡流损耗加热，因此所需的高频交流磁场强度大大下降，彻底消除了由于高强度交变磁场引起的感应电压造成传统感应焊中静电敏感元件失效的问题。

在上述过程中用到的电感量-温度曲线可以有多种获得的办法，只要满足工作中待加工电路板与可调电感阵列的相对位置关系，使镀好添加剂的加工电路板处于需要测试的温度范围中变化，测试不同温度条件下可调电感阵列等效串联支路的等效电感量即可得到。在实施例中获得该曲线的办法是：将一块经过热风整平并镀好添加剂后的待加工电路空板（无任何元件）整面涂覆一层很薄的导热硅脂，紧贴在以半导体制冷器制作的冷热平板上，INSTEC公司冷热平板的可编程精确温度控制范围为-120℃-400℃，足以满足焊接中所用到的温度范围。在待加工电路板的上面覆盖绝热层，绝热层的厚度不超过板子上待焊的元器件的最大高度，实施例中为2mm。将板子按照加工时的位置放在电感线圈阵列下面，在电感线圈阵列的等效串联电路两端接LCR电桥，用Ls-Rs档测试，当冷热平板的温度按照编程好的温度变化时，记录各个不同温度下的等效电感、等效电阻和Q值并作好记录，根据该记录并对数据进行统计运算后即可获得电感量-温度曲线，将该曲线以表格的形式存入工控机即可通过查表编程的方式调用。若待加工电路板拼板后面积较大，可调电感阵列的体积也会较大，也可以按照相应的方法将二者一起放入高低温箱，一般的温冲箱的温度范围也足以满足测试的要求。

使用本发明方法的另一种简易装置是满足个人和实验室的小型工具。在实施例中与专业设备相比的主要的区别是：①电感线圈阵列体积较小，因为它不是针对整块或多块电路板进行焊接，而是针对电路板上的那个面积最大的贴片元器件进行焊接②采用触摸屏输入的嵌入式系统代替了工控机加自动化板卡组成的IPC＋SSR系统作为控制。③只用了一个电感线圈阵列，同时该阵列只采用了手动平移或简单旋转的工作方式。④将预热阶段、保温阶段、回流焊接阶段进行合并为一个焊接过程，温度监控工艺参数设置得较为保守，由添加剂的理化特性保证不会产生过热现象。⑤小型化结构，大大降低了安装和使用要求。

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)

1.一种感应回流焊装置，其特征是：包括有主机、电感线圈阵列和传输带；所述电感线圈阵列由多个内置螺线管线圈的磁筒同向排列组成；所述螺线管线圈缠绕在磁棒上；所述电感线圈阵列设置在传输带上方；所述主机包括有数据处理单元、射频功放单元和驱动单元；所述射频功放单元用于向电感线圈阵列输出射频交流电流；所述驱动单元用于驱动电感线圈阵列运动；所述数据处理单元用于监测和控制射频功放单元和驱动单元的运行。

2.根据权利要求1所述的一种感应回流焊装置，其特征是：所述磁棒和磁筒的外形为圆形或正六边形；所述电感线圈阵列的排布方式为矩形阵列或蜂窝形阵列；所述电感线圈阵列中相邻两个磁筒之间存在间隙。

3.根据权利要求1所述的一种感应回流焊装置，其特征是：所述电感线圈阵列的截面大于待焊接电路板的面积；所述电感线圈阵列能够在水平方向上相对于电路板移动，单次平移的距离小于磁筒的外径，平移时总位移小于两个相邻磁筒的轴心之间的距离；所述电感线圈阵列能够匀速转动。

4.根据权利要求1所述的一种感应回流焊装置，其特征是：所述传输带下方设置有电感线圈阵列，下方的电感线圈阵列与上方的电感线圈阵列相互错位放置使上下两方的交变磁场强度互补，且平移时相对位置固定不变。

5.采用权利要求1-4任一项所述感应回流焊装置的电路板元器件焊接方法，其特征是：包括以下步骤：

a.根据磁棒和磁筒的磁导率温度系数和感应工作频率选择确定磁棒、磁筒的磁性材料成分，再根据所需感应功率和所需磁场强度的大小调整确定单个磁棒和磁筒的径向和轴向尺寸、螺线管线圈中绝缘导线的直径，线圈的圈数，然后根据最大可加工电路板的面积调整确定需要使用的磁筒个数，然后根据磁筒的尺寸大小和数量调整组装电感线圈阵列；

b.在电路板的焊盘铜箔上印刷或镀上添加剂，然后在添加剂的镀层上面以传统方式印刷标准类型的焊膏；

c.将电子器件放置在焊膏上，将整块待焊电路板放置在传输带上进行焊接；

d.在主机的控制下对焊点温度进行实时监控。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤b中的添加剂在弱磁场下的初始磁导率高于磁筒和磁棒的磁导率；所述添加剂与焊膏之间具有良好的浸润性和界面反应性；所述添加剂的磁导率温度系数大于锰锌铁氧体的磁导率温度系数；所述添加剂的居里温度比焊膏的熔点高0-100℃；所述添加剂在500KHZ、100mT的交变磁场作用下总损耗大于2900mW/cm³，其中涡流损耗占总损耗的比例小于20%。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤d中，焊点温度的实时监控的方法是利用电感线圈阵列的磁路是由磁棒、磁筒、小段气隙和添加剂共同组成的，工作中其余部分的磁导率不变，只有添加剂的磁导率变化会随着自身温度的变化而变化，这种变化直接与射频功放单元的等效负载阻抗变化对应，通过对等效负载阻抗变化的监测就可以直接获得添加剂温度变化的信息。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤c中，在预热阶段、保温阶段，回流焊阶段初期，电感线圈阵列水平方向上相对于传输带往复运动；在回流焊阶段后期，当检测到焊点温度已经全部达到居里温度后，即开始按照峰值焊接温度保持时间要求进行计时，计时结束后停止高频磁场输出。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤d中，焊点温度实时监控包括：数据处理单元能够及时检测并存储射频功放单元的等效负载阻抗中基波成分电流电压的幅度、相位、功率因数、有功功率、无功功率、变化时序，通过这些电量数据计算出射频功放单元的等效负载阻抗并且进行实时跟踪记录，实现动态的等效负载阻抗变化的检测、通过查表、数据运算处理将等效负载阻抗变化转换为焊点温度信息，得到感应加热过程中的实时温度信息，也能将这个温度信息转换并存储为与加工产品所对应的温度曲线方便调用。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述添加剂为铁镍合金。