CN1109484C - 波动钎焊或镀锡的方法和机器 - Google Patents

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Abstract

一种波动钎焊或镀锡机具有：一焊料槽；一用以至少形成一个层波焊料波(8B)的装置；一传送装置(2)，用以使需钎焊或镀锡的零件(1)与所述层流波接触；一用以在波体附近喷射一种气体的装置；喷射装置具有一喷射器，喷射器靠近波体位于其下游而具有一面向焊料波的壁体(17)，其中，所述壁体至少具有一第一组开口(15)，用以产生一转向钎焊波平面的第一气体射流。

Description

波动钎焊或镀锡机和波动钎焊或镀锡方法
技术领域
本发明涉及波动钎焊或镀锡机和波动钎焊或镀锡方法，这种波动钎焊或镀锡机是具有液体焊料槽的机器，在“波动钎焊”机中，槽液为“静止槽液”或流动槽液。
背景技术
这种机器专门用以对电子电路支承体上的电子零件进行钎焊或用以对电子零件的端头进行镀锡。
波动钎焊机在于使需钎焊的电路(或需镀锡的零件)与经由喷嘴泵送焊料槽液而产生的一或多个液体焊料波接触。
一般在机器上游区对零件涂敷焊剂，主要在于使金属表面脱氧而易于为焊料所润湿。在涂敷焊剂后所进行的预热在于活化预敷在电路上的焊剂以及对电路和零件在其到达热焊区之前进行预热。
喷嘴的几何形状决定着焊料波的形状。波动钎焊机一般具有两个波体，第一波体称作“紊流”波，第二波体称作“层流”波而具有相对较大的上部平面。
在机器内尚未装入需钎焊或镀锡的零件时，在层流波区内的液体焊料以极低的速度向机器上游流动。在零件来到而与层流波接触时，就引起合金流的部分回流而使部分合金流向机器的下游流动。
因此，机器一般具有可称之为堰体装置的部分，其高度可用以控制焊料向下游流动的速度。此堰体装置可简单地由一金属板或导槽构成，用以使焊料回到周围的槽液中。
应该指出，在此层流波内合金的流速和流向对最终钎焊的质量具有决定性的影响。
还应指出，有此用户为满足其生产上的一些特定要求，尽量限制这种焊料向下游的流动，宁可建立一种极微弱或几近于零值的向下游的流动。
波动钎焊(或镀锡)机一般是向大气敞开的。这种机器的用户所遇到的一个问题是焊料槽液表面上由于其暴露在空气中会产生氧化层(称之为浮渣)因而造成一定程度的焊料耗损而须经常地清理槽液。例如，就中型的机器来说，每小时的作业会造成一公斤以上的浮渣。
由于层流波的这种特有情况，不难看出，使焊料作零值或极小的向下游的溢流就成为一种很不利的因素，因为不断地在波体上面形成的浮渣不能有效地予以清除而会附在零件上，这对钎焊或镀锡的质量会产生很不利的影响。
不用更多的说明就可看出，这种在波动钎焊机的层流波平面上产生浮渣的现象对静止槽液的平面来说尤为突出。
为防止钎焊槽液受周围空气的氧化，迄今已从技术上提出了各种解决的方法。这些方法可简单地分成以下三类：
a)第一类解决的方法在于至少在焊料槽液上方，有时还在机器的其余部位建立一封闭的保护气氛。这样，就出现了全面地由惰性气体保护的机器，从一开始就将其作成一种气密性隧道，但也出现一些罩体装置而可将其用于现有的对大气敞开的普通机器以便至少在焊料槽液区内造成一种氮气覆盖层。
在这第一类解决的方法中，US5,161,727提出了一种惰性气体保护装置，此装置具有一组罩体，用以至少在焊料槽液的正上方通过气密措施形成一个与周围空气隔离的内部空间，成组的气体喷射管道通向装有扩散器的罩体上部。
虽然上述惰性气体保护装置确实意味着对现有机器性能的明显改进(特别是，在焊料槽液上方，在喷射气体的流速和残留氧气的浓度之间取得了充分的平衡)，但这种装置仍显得相当复杂和昂贵，因为实际上针对市场上供应的各种波动钎焊机必须对这种装置提出适配性的定制要求。
b)第二类解决的方法在于在焊料液附近用喷射器建立一种非封闭的保护气氛而不封住波体上方的空间。
WO 93/11653中所述装置就属于这第二类。
由于这种装置的结构具有很大的局限性，用这种装置很难控制惰性气体保护的质量，这实际上要求采用两个对称的喷射器以便成功地取得较低的氧气浓度。
此外，在这类解决的方法中，尚无资料涉及层流波所存在的具体问题而提出解决的方法。
c)第三类解决产生浮渣的方法在于在层流波表面上采用一种具有高覆盖能力的油膜。
油膜保护法具有一般用油所遇到的缺点(特别是在存在着热源的情况下)，具体来说包括：在板件上会沉积油污(须经常进行清理，清理既困难又不易彻底)；由于在焊料槽内会积存油料，要求对机器作频繁的定期维修；散发的油蒸汽对环境，不论是对人还是对设备，会造成公害。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种波动钎焊或镀锡机，此机可对层流波平面(如上所述，层流波由于其极低的流速会呈现出特有的操作问题)作局部的惰性气体保护(不必采用封闭装置)，其中，机器的结构使其能十分简单和经济地在层流波平面上的残留氧含量和波区气体流量之间取得十分良好的平衡；在必须满足特定使用场合的经济要求时可使气体流量低于10m3/h，最好低于或等于5m3/h。
本发明的另一目的是提供可明显减少在机器层流波平面上产生浮渣的条件。
申请人的研究表明，这些目的可用一种气体喷射器取得，这种喷射器靠近层流波位于其下游而具有朝向层流波的壁体，其中，壁体至少具有一组开口，用以产生射向层流波平面的第一气体射流。
研究还表明，结合采用以下措施可取得更为有利的条件：
-采用一堰体装置，此装置可采用板体或导槽的形状，用以使焊料向下游溢入槽液内，其中，相对于波体调整堰体高度就可调整层流波向前(即向机器下游)溢流的流量；
在使用板体的情况下，使板体浸入焊料槽液中；
在使用导槽的情况下，使导槽浸入槽液中或使导槽带有浸入槽液的裙体以便在一定程度上扩大导槽的作用；
-采用靠近层流波位于其下游而具有壁体朝向波体的气体喷射器，其中，壁体具有至少两组将气体射向波体的开口，第一组开口用以产生射向层流波平面的第一气体射流，第二组开口位于壁体上，用以将第二气体射流射入板体和喷射器之间的空间(在“板形”堰体的情况下)或裙体内部(在“槽形”堰体的情况下)。
如以下结合示例所述，结合采用这些措施即使在层流波几乎静止的困难条件下也可取得极为有效的惰性气体保护而不必采用任何封闭装置，这就表明，在板件通过时，残留氧气含量在采用较低的供气流量(仅几个m3/h)下仅为几十个ppm。
本发明波动钎焊或镀锡机具有：
-焊料槽；
-装置，用以至少形成一个层流焊料波；
-传送装置，用以使一需钎焊或镀锡的零件与层流波接触；
-气体喷射装置，位于波体附近；
其特征是：喷射装置具有一靠近波体位于其下游而具有一朝向焊料波的壁体的喷射器，其中，壁体至少具有一第一组开口以便产生一射向焊料波平面的第一气体射流。
如前所述，按本发明的一有利实施例，机器具有一堰体装置，相对于波体调整其高度就可控制波体向下游溢流的流量，其中，所述堰体装置形成一浸入焊料槽液或带有浸入焊料槽液的裙体的导槽，壁体具有一第二组开口，以便将一第二气体射流射入导槽或裙体内部。
按本发明的一个实施例，喷射器和导槽具有带喷射开口的共用壁体。从以下各附图将更清楚地看出，采用这种结构，第二射流可直接从喷射器内部进入裙体内部。
这种结构的明显优点是便于机器的制造，因而实施的费用较低。
为使第二气体射流射入裙体内部，举例来说可使第二组开口朝向一周边位于裙壁内、位于裙体和导槽之间的交界处或位于导槽下部的开口，这取决于最初采用的几何构形。
按本发明的另一实施例，机器具有一浸入焊料槽液的板状堰体装置，其中，喷射器壁体具有一第二组开口，用以将一第二气体射流射入位于板体和喷射器之间的空间。可以理解。在这一结构中，“导槽”以某种形式位于板体和喷射器之间。
“下游”方向应理解为需焊零件在机器内被传送的方向。
本发明的供气“开口”通常应理解为使气体从喷射器射出的任一种孔型，例如一般为圆形或狭缝形开口。
第一组开口最好位于喷射器壁体上而使第一气体射流与层流波平面相切。这种布置有助于气体射流在波体表面上产生附壁效应而使惰性气体保护更为有效。
所述将第二气体射流射入裙体内部的布置在防止第一气体射流附带地卷吸空气的现象上具有意外的效果。
较为有利的是使至少其中一组开口的开度能使开口出口处的气流速度在0.5-30m/s的范围内。但最好为0.5-10m/s，0.5-5m/s较窄的范围更好。
按本发明的一个实施例，喷射装置在层流波的整个宽度上延伸，这样，对各种尺寸的零件都能在机器内作有效的处理。
按本发明的一实施例，第一组开口由至少一排狭缝构成，其周边位于面向波体的喷射器壁体内。
喷射装置可带有向喷射器内部供气的结构，此结构举例来说可由装在喷射器内部用以从外面引入气体的多孔管构成。
本发明的喷射器可带有一上部壁体。研究表明，这有利于将一转向件固定在此上部壁体上。
这种转向件最好沿喷射器的整个长度延伸。
按本发明的一较为有利的实施例，转向件(根据喷射器相对于波体的位置考虑其必要性)的宽度至少应覆盖堰体装置(例如覆盖导槽)。
喷射器的位置最好可作水平和(或)垂直调整。
对熟悉本专业的人来说不难理解，对本发明钎焊或镀锡机可在喷射器内采用任一种气体，可以是中性气体(如氮气，不论其生产方式和纯度如何)，也可以是活性气体如中性气体和还原性气体的混合气体。
本发明还涉及一种波动钎焊或镀锡的方法，其中，使需钎焊或镀锡的零件与液体焊料的至少一个层流波接触，其中，将保护气体至少射在波体的一部分上，所述方法的特征是：通过靠近波体位于其下游的喷射器将保护气体射在波体上方，喷射器具有面向波体的壁体；至少一组开口位于壁体上而用以发生一射向层流波平面的第一气体，气体在从开口射出时的速度为0.5-30m/s，最好为0.5-10m/s，0.5-5m/s更好。
按本发明的一有利的实施例，对焊料波向下游溢流的流量可通过一高度可相对于波体调整的堰体装置进行控制，其中，所述堰体装置为一浸入焊料槽液或具有浸入焊料槽液的裙体的导槽，喷射器在其壁体上具有一第二组开口，用以将一第二气体射流射入下行导槽或裙体内部。
在另一实施例中，对焊料波向下游溢流的流量可通过一堰体装置进行调整，堰体装置为一浸入焊料槽液的板体，其中，喷射器的壁体具有一第二组开口，用以将一第二气体射流射入位于板体和喷射器之间的空间。
本发明还涉及一种用以对波动钎焊或镀锡机的层流波作惰性气体保护的装置，此装置具有一靠近层流波位于其下游而具有一面向层流波的壁体的气体喷射器，其中，所述壁体至少具有一第一组开口，用以产生一射向层流波平面的第一气体射流。
按本发明的一实施例，喷射器具有一上部壁体，惰性气体保护装置具有一固定在喷射器上部壁体上的转向件。
按本发明的一实施例，钎焊或镀锡机具有一高度可相对于波体调整的堰体装置，用以控制焊料波向机器下游溢流的流量，其中，堰体装置为一浸入焊料槽液的板体或则为一浸入焊料槽液或具有一浸入焊料槽液的裙体的导槽，惰性气体保护装置的喷射器壁体具有一第二组开口，用以产生一射入导槽内部或位于板体和喷射器之间的空间内部的第二气体射流。
附图说明
本发明的其他特征和优点通过以下按附图对说明性而非限制性实施例所作说明会更加明显，附图中：
图1简略地示出波动钎焊或镀锡机的一般结构；
图2为紊流层流双波体结构的部分剖面简图；
图3简略地示出零件到达前层流波的情况(焊料向上游流动)；
图4简略地示出钎焊时的层流波情况(部分焊料反向流动：部分焊料向下游流动而溢入导槽10)；
图5简略地示出本发明的机器；
图6简略地示出本发明的机器，其中，喷射装置设有转向件13；
图7为图6带转向件13的喷射器12的视图；
图8简略地示出共用一壁体的导体和喷射器组合件；
图9、10、11简略地示出本发明三种可供比较的实施例结构(以下将对其作详细的说明)。
具体实施方式
图1示出波动钎焊机的三个区段：区I用以通过焊剂涂敷装置3(例如，湿式装置)对零件1涂敷焊剂；区II用以预热涂有焊剂的零件而设有举例来说由红外灯构成的装置4；区III用以进行钎焊，这里，零件1在此实施例中与经由焊料喷嘴6泵送(7)焊料槽液9所产生的焊料波8接触。
板件1是用传送装置2传送而通过机器的不同区段的，传送装置举例来说可由沿位于机器两侧的皮带运行的支架构成，或为：“钩抓”式传送链。
图2为部分剖面图，示出由焊料槽液9产生的双波结构，其中，第一“紊流波”8A具有相对较陡的构形(通过喷嘴6A的结构取得)，第二“层流波”8B具有通过喷嘴6B结构取得的相对较大的上部平面。
图3、4依次示出在零件到达之前和在对板件1进行钎焊时焊料在层流波8B内流动的情况。
图3示出在零件到达之前焊料流向机器上游的情况。此实施例具有直接位于喷嘴下游的导槽式堰体装置10。调整导槽的高度就可控制焊料下游溢出的流量(在这里给定的条件下，流量为零值或几乎近于零值)。
此图示出导槽结构的垂直剖面，但对熟悉本专业的人来说不难看出，导槽两壁之间的空间在其两端是由焊料槽的两侧或在其两端设置的两个特定的板封闭的(在水平剖面上形成长方形或类似长方形的结构)。
从图4可更清楚地看出焊料向下游作部分溢流的可能现象。
零件1到达层流波使液体焊料部分地反向流入机器的下游(也就是流向前方)。对向前溢流的流量可通过导槽装置10的高度进行控制。此外，采用这种导槽(用以代替与喷嘴6B连接简单板体)可取得较好的导向而使焊料回到槽液9中。
图5部分地示出本发明波动钎焊或镀锡机的一实施例。这里着重表明层流波、喷射器、导槽和裙体的布局。
这里波体处于零件到达之前向上游流动的状态。
图5示出浸入焊料的裙体11，裙体固定在导槽装置10上，气体喷射器12与之相对而在其一面或一壁17上具有两组开口15、16，对开口的结构将在下面结合透视图7予以具体说明。
就以上所述整个地来看可以理解，在图5中用两种不同的线条来表示导槽和固定在导槽上的裙体的，这可使其更易理解。如上所述，对本发明导槽和裙体不一定要采用两个固接在一起的构件而可直接采用一浸置的导槽。
两组开口15、16分别用以将第一气体射流向层流波8B的平面和将第二气体射流射入浸置裙体11的内部。如上所述，浸置裙体11和在其内的第二气体射流可防止任何将空气带到层流波平面上的效应。
在喷射器12内部设有从外面供入气体的多孔管14，用以将气体分布到喷射器12的膨胀腔内。
图6所示结构与图5所示相似，只是采用这固定在喷射器12上部壁体19上的转向件13。
这里，如以下还要结合示例作更详细的说明所示，转向件13为在必要时在层流波站平面区取得很低的残留氧气浓度是非常有效的。
图6示出本发明的一有利实施例，其中，对转向件的宽度(根据喷射器相对于波体的位置须设转向件时)可充分地延伸而至少覆盖导槽装置。
图7为图6喷射器12和转向件13的部分视图，从中可更好地了解转向件13和喷射器12的相对位置，特别是转向件13在喷射器上部壁体19上的位置。从中也可更清楚地看出两组开口15、16的构形。
在此实施例中，两组开口15、16依次由在喷射器12的壁17上沿喷射器整个长度延伸的三排狭缝18和另一排狭缝18构成。
图8示出本发明另一实施例，其中，导槽和喷射器共用一壁。也就是，喷射器的壁17构成导槽的一壁，同时又延长而构成裙体11的壁。
在这一构形中，来自第二组开口16的第二气体射流直接从喷射器12内部射到裙体11内部。
图9、10、11示出三种实施例的构形：
在图9中，导槽10不设裙体(更确切地说，导槽为一非浸置的导槽)，喷射器的壁17不设第二组开口；
在图10中，导槽10设有裙体11，喷射器壁17设有第二组开口；
在图11中，构形与图10相同，但还设有一转向件13。
对双波钎焊机中的这三种构形进行了第一组测定：对层流波表面上的残留氧气浓度在有无需焊板件的情况下都作了测定。对层流波表面上有无浮渣也都作了系统的测定。
在所有这些情况下，喷射器的供氮流量都约为80L/min。
所用低温氮气的残留氧气浓度低于或等于10ppm。
在第二组用图11构形所进行的测定中，对在机器中钎焊的电子板件上有无两种缺陷〔焊料裂隙和短路(焊料桥接)〕作了记录。对在氮气下(供气流量如上所述)和空气下的钎焊情况都进行了测定。
所观察的结果综合如下：
a1)残留氧气浓度(以体积计)：
在图9情况下：
  无板件时： 120,000ppm；
  有板件时：＜1％；
在图10情况下：
  无板件时： 30,000ppm；
有板件时： 70ppm；
在图11情况下：
  无板件时：
Figure C9710980000134
8,000ppm；
  有板件时：
Figure C9710980000135
45ppm；
a2)浮渣测定：
在有板件时浮渣的比例在所有受试验的三种构形中都大为降低，最后两种构形甚至使波体平面保持其传统的镜面状外观。
b)钎焊缺陷率：
这里所述结果(以ppm个缺陷计)为对200个受焊板件进行累计的结果。
               在空气下       在N2下
短路          
Figure C9710980000136
4800       
Figure C9710980000137
2000
焊料裂隙       200         70
这样，整个这些结果表明本发明波动钎焊的机器和方法明显地在耗用极有限的氮气下在层流波表面上取得极低的残留氧气浓度，这充分表明，钎焊性能得到了明显的改进，在消除浮渣方面也取得了良好的效果。

Claims (14)

1.一种波动钎焊或镀锡机，具有：
-焊料槽；
-用以至少形成一个层流焊料波(8B)的装置；
-传送装置(2)，用以使需钎焊或镀锡的零件(1)与所述层流波接触；
-用以在波体附近喷射一种气体的装置；
-堰体装置(10)，可通过相对于波体对其高度的调整控制波体溢入下游的流量，其中，所述堰体装置为一浸入焊料槽液或带一浸入焊料槽液的裙体结构(11)的导槽，或为一浸入焊料槽液的板体；
其特征是：所述喷射装置具有一喷射器，喷射器靠近波体位于其下游而具有一面向焊料波的壁体(17)，其中，所述壁体至少具有一第一组开口(15)，用以产生一射向焊料波平面的第一气体射流，喷射器的所述壁体具有一第二组开口(16)，用以将一第二气体射流射入所述浸置导槽或裙体内部或射入板体和喷射器之间的空间。
2.按权利要求1所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：喷射器和导槽具有一共用壁体(17)。
3.按权利要求1或2所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：第一组开口的位置使第一气体射流切向射向层流波平面。
4.按权利要求1或2所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：两组开口中至少一组开口的尺寸使从开口射出的气体速度在0.5-30m/s之间。
5.按权利要求4所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：所述的气体速度在0.5-10m/s之间。
6.按权利要求1或2所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：两组开口中至少一组开口由至少一排狭缝(18)构成。
7.按权利要求1或2所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：气体喷射器沿层流波整个宽度延伸。
8.按权利要求1或2所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：喷射器具有一上部壁体(19)。
9.按权利要求8所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：还设有一固定在喷射器上部壁体上的转向件(13)。
10.按权利要求9所述的波动钎焊或镀锡机，其特征是：转向件沿喷射器整个宽度延伸。
11.一种波动钎焊或镀锡的方法，其中，使需钎焊或镀锡的零件与至少一个液体焊料层流波接触，使一种保护气体至少射在波体的一部分上，按此方法，对焊料波向下游溢流的流量用一高度可相对于波体调整的堰体装置进行控制，其中，所述堰体装置为一浸入焊料槽液或带一浸入焊料槽液的裙体的导槽，其特征是：使保护气体通过靠近波体位于其下游而具有一面向波体的壁体的喷射器射在波体上，其中，所述壁体至少具有一第一组开口以便产生一射向层流波平面的第一气体射流和一第二组开口以便将第二气体射流射入导槽或裙体内部或射入板体和喷射器之间的空间。
12.按权利要求11所述的方法，其特征是：从两组开口中至少一组开口中射出的气体的速度在0.5-30m/s之间。
13.按权利要求12所述的方法，其特征是：气体的速度在0.5-10m/s之间。
14.按权利要求12所述的方法，其特征是：气体的速度在0.5-5m/s之间。
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