CN104640372B - 将焊接印刷电路板时的空隙减到最少的方法和焊接设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将焊接印刷电路板时的空隙减到最少的方法以及用于执行所述方法的焊接设备。印刷电路板配备有部件，特别是电气和/或电子部件，其中，在焊料熔化时或者在焊料熔化之后向印刷电路板施加机械振动，焊料位于部件和印刷电路板之间。在这方面，振动的频率在起始频率和最终频率之间变化。根据本发明，通过将至少一个致动器直接地或间接地耦接至印刷电路板的至少一个横向边缘来沿着印刷电路板平面的方向引入振动，其中，印刷电路板的横向边缘支承在死止部处，在每种情况下，该印刷电路板的横向边缘均与致动器相对。

Description

将焊接印刷电路板时的空隙减到最少的方法和焊接设备
技术领域
本发明涉及用于将焊接印刷电路板时的空隙减到最少的方法，并且涉及执行所述方法的设备。
背景技术
根据现有技术，用于焊接配备有电和/或电子部件的印刷电路板的各种方法以及焊接设备是已知的，其中，具体地，在部件布置在印刷电路板的表面区域上的情况下，以及更具体地，在所谓的SMD的情况下，固态焊料布置在印刷电路板和相关部件之间。借助适当加热装置，焊料在焊接装置中开始熔化并且随后再次冷却，使得当焊料凝固时，在印刷电路板和部件之间形成导电的机械连接。
在这些已知的焊接方法中，不利的是在部件和印刷电路板之间的焊料中习惯性地形成夹杂物。形成这些通常是气态的所谓的空隙的程度关键取决于选择了哪种焊膏、印刷电路板基板和焊接参数。在这方面，所述空隙的起因通常是在焊膏中所采用的助焊剂、印刷电路板基板的所使用的阻焊剂和挥发性元素。取决于出现了多少空隙以及空隙具有的尺寸和位置，所述空隙可能导致焊接点和/或部件的故障，这可能导致不能容许的现场故障，尤其是在功率电子器件的领域中以及在像航空航天工业的高端工业中。
为了避免这样的空隙或者至少减少空隙，在负压力之下或者在过压力之下的压力室中焊接是已知的。然而，当在负压力之下焊接时，存在特别是在印刷电路板基板和部件的塑料壳体的微间隙中或分子链中的水的夹杂物变成气相并且试图逸出的风险，所述微间隙位于分子链之间。这可能导致部件的塑料壳体损坏以及印刷电路板剥离。当在过压力之下焊接时，空隙未被去除；更确切地说，它们只是被压缩并且尺寸减小了，使得在将来改变焊接连接的温度负荷时，所述连接经受高机械负荷，这可能导致焊接连接被破坏。
此外，根据文献DE 10 2004 036 521 B4，用于制造焊接连接的方法是已知的，在该文献的方法中，因为使用振动器振动两个焊接配对物(soldering partners)，熔化了的焊料布置在所述两个焊接对之间，所以焊料中的气体夹杂物应该被减少或驱逐出。在这方面，振动激励器将振动基本上横向地引入到部件平面，使得部件作为一个整体按振动器的类型移动。在这方面，特别不利的是，这可能导致在小部件和小型部件中的不期望错位以及在没有附加真空的情况下不足以去除气体夹杂物。
发明内容
从现有技术出发，因此，本发明的目的是减少前述缺点并且将焊接点中形成的空隙减到最少。
借助本文中公开的方法和设备来实现该目的。
在执行根据本发明的方法之前，首先，印刷电路板配备有待焊接在其上的部件，其中，在每种情况下，一种焊料堆积物布置在部件和印刷电路板之间。在插入到焊接装置——通常是具有至少一个焊接室的焊接装置——中之后，根据本发明，在所述焊接装置中借助任意加热设备，焊料被熔化。在整个熔化过程中或之后，即在焊料已经完全被熔化之后，向印刷电路板施加机械振动。在这方面，振动频率在起始频率和最终频率之间变化。
与根据现有技术已知的方法相比，通过直接地或间接地将至少一个致动器耦接至印刷电路板的至少一个横向边缘而沿着印刷电路板平面的方向引入振动。在这方面，所述印刷电路板被支承在桥台类型的死止部(dead stop)处，在每种情况下，印刷电路板的横向边缘都与致动器相对。
换言之，首先，这意味着，振动基本上作为参照印刷电路板平面的纵波被引入到印刷电路板中。再次参照印刷电路板，借助致动器和死止部的彼此相对布置，印刷电路板因此不振动，但是相反地，印刷电路板基板以快速连续的方式被压缩和解压缩。在这方面，在焊料处于熔融状态时，致动器的频率在起始频率和最终频率之间变化。印刷电路板的振动被直接传送到熔化了的焊料上并且在通过熔化了的焊料衰减后也被传送到布置在印刷电路板上方的部件上。通过借助振动的印刷电路板传送到焊料中的动能，特别是气体夹杂物——空隙——被从焊料中完全驱逐出或者至少部分驱逐出。通过这种方法，空隙总体上减少。
这也相当有利于部件和印刷电路板之间的热转移，该转移表示大的功率因数，特别是在高功率电子器件中。
根据本发明，致动器可以直接倚靠在印刷电路板的横向边缘上，或者间接地倚靠在印刷电路板的横向边缘上，即具体地，经由印刷电路板框架倚靠在印刷电路板的横向边缘上，印刷电路板在整个焊接过程中被保持在印刷电路板框架上，或者当印刷电路板在整个焊接过程中在运输设备上移动通过焊接装置时经由所述运输设备倚靠在印刷电路板的横向边缘上。对于死止部，需要将死止部布置在相对于印刷电路板固定的位置中，使得印刷电路板能够被支承在死止部处。在这方面，所述死止部不但可以布置在焊接装置中的固定位置中，而且在启动致动器之前可以被移到其停止位置。同样可以设想，当将印刷电路板运输通过焊接装置时，死止部以及致动器连同印刷电路板一起移动通过焊接装置。
根据本发明的特别优选的示例性实施方式，频率在起始频率和最终频率之间逐步地或以扫描形式不断地提高。在这方面，所述提高可以是线性、阶梯式或对数的。在这方面，扫描状的振动以这样的方式确保激发多个固有频率，这导致振动从印刷电路板向熔化了的焊料特别有效地传送，并且从而特别有效地将空隙(如果存在)减到最少。另外，随着增大的频率，印刷电路板材料的弹性模量提高并且从而印刷电路板变硬，这导致传送到液体焊料的能量也增加。
根据其他示例性实施方式，为了确保在印刷电路板的基板中振动尽可能均匀的平缓传播，设置有选择为尽可能低的起始频率。优选的目标频率要被选择成使得包括尽可能多的固有频率，在理想情况下包括印刷电路板的所有固有频率。在用于激发印刷电路板的在0Hz和15kHz之间的频率范围中，对于大多数印刷电路板几何形状和尺寸几乎理想地满足已经示出的这些要求。特别有利的是以0Hz和10Hz之间的起始频率开始并且增大所述频率直到1kHz和15kHz之间的最终频率。因此，在一个扫描中，可以激发几乎任意印刷电路板的整个谐振频谱而不依赖于印刷电路板的几何形状和印刷电路板上布置的部件，所以对于不同尺寸的印刷电路板不需要调整具体设置，这导致设置时间被缩短以及节省复杂控制装置成为可能。
用于激发印刷电路板的振动的模式是最初不相干的。然而，已证明如果振动实施成正弦曲线则是特别有利的。
以基本上任意方式，起始频率和最终频率之间的波形可以实施为单个周期，该周期至少在焊料熔化的时间段的一部分内延伸。然而，根据本发明的其他实施方式，至少两个周期相继进行。这意味着，在一个周期中已经达到最终频率之后，随后的周期再次以起始频率开始。在这方面，周期关于起始频率和最终频率可以相同或不同。
在此，已经证实有利的是在每个印刷电路板的所有周期的持续时间合起来在10秒至120秒的范围内时使周期的持续时间在0.1秒至10秒的范围内。特别有利的是选择持续时间在1秒和5秒之间的周期，其中在10秒至60秒的时间段内作为整体施加振动。
具有短周期多次重复的实施方式已经证实对于减少空隙特别有效，然而，在单个周期中或者特别是还采用持续激发振动的方式，可能会发生小空隙积聚成大空隙，这反而使部件和印刷电路板之间的逸出更困难。
尽管已经证实特别有利的是在高达约60秒的时间段内施加振动，但是同样可以在焊接过程的整个持续时间内，即在焊接温度在液相线温度以上时，施加振动来进一步减少空隙。
根据本发明的其他示例性实施方式，在振动周期开始之前，至少以低预应力将致动器间接地或直接地倚靠在印刷电路板上。这确保了在贯穿整个振动周期中印刷电路板至少经受低压应力。
基本上可以为振动振幅选择任意高度，只要一方面将空隙减到足够少，并且另一方面可靠地消除对于印刷电路板的机械损坏。在10μm和200μm之间，特别是在50μm和100μm之间的振幅已经证明是特别有利的。
根据本发明，提供一种用于焊接配备有电或电子部件的印刷电路板的焊接设备，该印刷电路板适于执行在上文中所描述的方法，焊接设备原始特征在于：至少一个焊接区；被布置在焊接区中的用于熔化位于部件和印刷电路板之间的焊料的至少一个加热装置；用于将机械振动引入到印刷电路板中的至少一个致动器；以及用于改变致动器的振动的频率的控制装置。在这方面，焊接区可以，例如在再加工焊接台中，被实施为焊接机架类型中的开放区，或者，例如在回流焊接装置中，焊接区可以实施为焊接或处理室。
根据本发明，致动器被实施并且布置成使得在印刷电路板的至少一个第一横向边缘处的区域中，致动器能够以如下方式间接地或直接地倚靠在所述印刷电路板上：该方式使得能够沿着印刷电路板平面的方向将振动引入到印刷电路板中。此外，设置有桥台状死止部，印刷电路板的第二横向边缘以被支承的方式倚靠在死止部上，印刷电路板的第二横向边缘与第一横向边缘相对。
根据本发明的示例性实施方式，基本上可以选择任意类型的致动器或振动发生器，然而，致动器以压电换能器、特别是压电叠堆换能器、压电纤维换能器或压电陶瓷换能器为特征。
可替选地，致动器可以以磁致伸缩换能器——由磁性形状记忆合金和/或电磁振荡线圈制成的换能器——为特征。
根据本发明的其他实施方式，特别是在焊接室的情况下，设置有运输设备以将印刷电路板运输到焊接区中、运输通过焊接区以及从焊接区运输出。在这方面，致动器和/或死止部可以静止地布置在焊接区中或者布置在焊接室中。然而，优选地，致动器和/或死止部能够与印刷电路板一起沿着运输方向移动或者至少与印刷电路板同步移动。通过该方法，能够以简单的方式确保焊接装置的持续运行。
还可以在整个运输和/或整个焊接过程中设置有用于接纳印刷电路板的运输框架或印刷电路板框架。在这方面，致动器可以通过直接接触来直接地耦接至印刷电路板，或者致动器可以经由运输设备、经由运输框架或印刷电路板框架间接地耦接至印刷电路板。
印刷电路板还可以经由运输设备、经由运输框架或印刷电路板框架间接地被支承在死止部处，或者死止部可以由运输框架或印刷电路板框架形成。
附图说明
以下描述借助于仅示出示例的附图更详细地说明本发明。在附图中：
图1在横截面中示出了配备有部件的印刷电路板和振动发生器的布置的第一示例性实施方式；
图2在沿图3中的截线A-A的横截面中示出了配备有部件的印刷电路板和振动发生器的布置的第二示例性实施方式；
图3示出了从上方观察的根据图2的示例性实施方式；
图4示出了从上方观察的与图3对应的配备有部件的印刷电路板和振动发生器的布置的第三示例性实施方式；
图5在横截面示意图中示出了在存在空隙的情况下在部件和印刷电路板之间的焊接连接；
图6在沿图5中的截线B-B的截面中示出了在焊接连接中的空隙的典型分布；
图7在与图5对应的图中示出了根据本发明在部件和印刷电路板之间具有减少的空隙的焊接连接；以及
图8在与图6对应的图中沿图7中的截线C-C示出了根据本发明具有减少的空隙的焊接连接。
具体实施方式
在图1中，在第一示例性实施方式中，示意性地示出了用于在印刷电路板01中激发振动的振动发生器或致动器10的布置。为了更简单并且更清楚地说明，未示出其中布置有印刷电路板和致动器的布置的焊接装置。
配备有电子部件02的印刷电路板01倚靠在一对承载件11和12上。在这方面，承载件12实施为在横截面中为L形的角形物，印刷电路板的横向边缘03倚靠在承载件12的竖向腿部上。承载件12以未示出的方式基本上牢固地固定到机械机架或焊接装置的壳体并且以这样的方式形成用于印刷电路板01的死止部。与承载件12相对的承载件11仅形成用于印刷电路板01的与横向边缘03相对的横向边缘04的支持件，使得所述横向边缘04以浮动轴承类型布置在承载件11上。
利用其振动器13，致动器10直接耦接到印刷电路板01的横向边缘04，即，致动器10倚靠在印刷电路板01上。在这方面，可以至少在低预应力之下实现所述倚靠。
如果此刻经由未示出的控制装置激发致动器10以使其振动，则在致动器10和用作死止部的承载件12之间振动器13以快速连续的方式使印刷电路板01压缩和解压缩。
在图2和图3中示出的本发明的示例性实施方式中，两个承载件11和12形成用于向未示出的焊接装置的焊接室中运输或运输通过焊接室或者向该焊接装置的焊接区中运输或运输通过焊接区的运输设备的一部分。进而承载件12利用其竖向腿部形成用于印刷电路板01的横向边缘03的死止部。与图1中示出的示例性实施方式对比，承载件11也实施为在横截面中为L形的角形物，印刷电路板的与横向向边缘03相对的横向边缘04倚靠在承载件11的竖向腿部上。在这方面，可以至少在低预应力之下将印刷电路板保持在承载件11的竖向腿部和承载件12的竖向腿部之间。
致动器10的振动器13可以在预应力之下倚靠承载件11的竖向腿部并且从而间接地倚靠印刷电路板01的纵向边缘04。如果此刻借助控制装置激发致动器以使其振动，则由于承载件11的弹性形变或者由于承载件11相对于承载件12的至少边缘可动性而使振动被间接地传送到印刷电路板上，引起印刷电路板进而以快速连续的方式被压缩和解压缩。
图4中示出的示例性实施方式在其基本结构方面与根据图2和图3的示例性实施方式对应。与其中印刷电路板01直接倚靠在运输设备的承载件11和12上的前面的示例性实施方式对比，在根据图4的示例性实施方式中，印刷电路板01布置在焊接框架14中。在所述焊接框架中，当印刷电路板被运输通过焊接设备或通过焊接装置时，印刷电路板被保持或支承在承载件11和12处。在这方面，焊接框架以两个横向支杆15和16以及两个纵向支杆17和18为特征。在这方面，焊接框架14需要设计成并且将其尺寸设置成使得当通过致动器10经由承载件11和横向支杆15间接将振动引入到印刷电路板01时，通过压缩和/或弯曲可以实现至少纵向支杆17和18的形变，特别是弹性形变，使得根据本发明，印刷电路板可以以快速连续的方式被压缩和解压缩。
在开始激发振动时，如图5以示例的方式画出的、以气体夹杂物的形式的多个空隙06位于部件02和印刷电路板01之间的焊料05中，空隙占表面的大部分——参见图6中以关于印刷电路板平面的示例的形式画出的焊接连接。
如上文中所说明的，由于印刷电路板01的振动激发，引起了液态焊料05中的空隙06的运动，当空隙到达部件02和印刷电路板01之间的连接的边缘时，所述空隙被从熔化了的焊料05中驱逐出。如图7和图8以示例的方式画出的，在进行了振动激发之后导致了焊料05中的空隙06的数量显著减少了。因此，确保了在部件02和印刷电路板01之间的焊接连接的显著提高的质量。

Claims (25)

1.一种用于在焊接过程期间将焊接印刷电路板时的焊接点中形成的空隙减到最少的方法，所述印刷电路板配备有部件，所述方法包括：
在所述部件和所述印刷电路板之间施加焊料；
在所述板上布置承载件，所述承载件包括适于支承所述印刷电路板的相对的横向边缘的水平支承部和从所述水平支承部的远端延伸的竖向腿部；
将振动器耦接至所述印刷电路板的与所述竖向腿部相对的相邻的横向边缘；
在所述焊料被熔化时，启动振动器以向所述印刷电路板的相邻的横向边缘施加力并使所述印刷电路板沿着所述印刷电路板平面的方向机械振动，其中，在所述振动期间，所述印刷电路板的与所述振动器相对的横向边缘倚靠在所述竖向腿部上，用于将所述印刷电路板连续地压缩和解压缩；以及
在所述振动期间，使所述振动的频率在起始频率和最终频率之间变化，使得包括所述印刷电路板的固有频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率在所述起始频率和所述最终频率之间逐步地或不断地提高。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述频率以线性、阶梯式或对数的方式提高。
4.根据权利要求1至3中一项所述的方法，其特征在于，在所述起始频率和所述最终频率之间的所述频率在0Hz至15kHz的范围内。
5.根据权利要求1至3中一项所述的方法，其特征在于，所述振动是正弦曲线。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相继执行至少两个周期。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，周期的持续时间在0.1秒至10秒，并且所有所述周期作为整体的持续时间在10秒至120秒。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在贯穿焊接过程的整个持续时间施加所述振动。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经由振动发生器来间接地引入所述振动。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在振动周期开始之前，所述振动器至少以低预应力间接地或直接地倚靠在所述印刷电路板上。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，振动振幅在10μm至200μm的范围内。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件是电气和/或电子部件。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，周期的持续时间在1秒至5秒的范围内，并且所有所述周期作为整体的持续时间在10秒至60秒的范围内。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，经由焊接框架或者经由运输设备来间接地引入所述振动。
15.一种用于焊接配备有部件的印刷电路板的焊接设备，所述焊接设备具有：
至少一个焊接区；
布置在所述焊接区中用于熔化位于所述部件和所述印刷电路板之间的焊料的至少一个加热装置；
承载件，其包括适于支承所述印刷电路板的相对的横向边缘的水平支承部和从所述水平支承部的远端延伸的竖向腿部；
振动器，其被耦接至所述印刷电路板的与所述竖向腿部相对的横向边缘，以用于在所述焊料被熔化时将力引入到所述印刷电路板的相邻的横向边缘并使所述印刷电路板沿着所述印刷电路板平面的方向机械振动；以及
用于启动所述振动器的控制装置，其中，在所述振动期间，所述印刷电路板的与所述振动器相对的横向边缘倚靠在所述竖向腿部上，用于将所述印刷电路板连续地压缩和解压缩，并且用于在所述振动期间使所述振动器的振动的频率在起始频率和最终频率之间变化，使得包括所述印刷电路板的固有频率。
16.根据权利要求15所述的焊接设备，其特征在于，所述振动器以压电式换能器为特征。
17.根据权利要求15所述的焊接设备，其特征在于，所述振动器以磁致伸缩换能器为特征。
18.根据权利要求15至17中一项所述的焊接设备，其特征在于，所述焊接设备实施为回流焊接设备或再加工焊接台。
19.根据权利要求15所述的焊接设备，其特征在于，设置有运输设备以将所述印刷电路板运输到所述焊接区中、运输通过所述焊接区以及从所述焊接区运输出，其中，所述振动器和布置在相对于所述印刷电路板固定的位置中的死止部能够与所述印刷电路板一起沿着运输方向移动或者至少与所述印刷电路板同步移动。
20.根据权利要求19所述的焊接设备，其特征在于，设置有用于接纳所述印刷电路板的运输框架或印刷电路板框架。
21.根据权利要求19或20所述的焊接设备，其特征在于，所述振动器经由所述运输设备、经由所述运输框架或所述印刷电路板框架间接地耦接至所述印刷电路板。
22.根据权利要求19或20所述的焊接设备，其特征在于，所述印刷电路板经由所述运输设备、经由所述运输框架或所述印刷电路板框架间接地支承在所述死止部处，或者其中，所述死止部由所述运输框架或所述印刷电路板框架形成。
23.根据权利要求15所述的焊接设备，其特征在于，所述部件是电气或电子部件。
24.根据权利要求16所述的焊接设备，其特征在于，所述压电式换能器是压电叠堆换能器、压电纤维换能器或压电陶瓷换能器。
25.根据权利要求17所述的焊接设备，其特征在于，所述磁致伸缩换能器是由磁形状记忆合金和/或电磁振荡线圈制成的换能器。
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