CN1110232C - 提高熔融料焊滴喷射时的稳定性的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高熔融焊料滴喷射时的稳定性的设备和方法。为使从焊滴泵的喷嘴喷射出的熔融焊料焊滴的大小和形状稳定，将焊剂输到焊滴喷射所通过的喷嘴孔眼区。按需要定期补充焊剂以清除焊料氧化物和渣滓并润滑孔眼。焊剂可以通过下列方式注入：喷射到喷嘴上；浸渍喷嘴；使喷嘴与焊剂膜接触；使喷嘴与中间传送媒体接触；或通过注射注入喷嘴组件内。最好采用高温下活性高、热稳定性好的焊剂。

Description

提高熔融焊料滴喷射时的稳定性的设备和方法

本发明总的说来涉及配送熔融金属焊滴时提高焊料滴喷射时的稳定性的设备和方法。更具体说，本发明涉及任何泵喷射的熔融焊料焊滴在大小、形状和组成方面的改进。

经过不断地反复设计，数字电子系统，特别是个人计算机，其体积方面有大幅度减小，功能方面已不断增加，随之而来的是集成电路元件及其输入/输出端子在尺寸方面的减小，这直接影响了印刷电路板接点的图形。

将集成电路器件的组件钎焊到印刷电路板上的常规技术越来越趋近于其技术极限或是由于典型的先进设计在尺寸方面的缩小而使造价越来越高。现行广泛采用的技术是用模板印刷将焊料糊剂印制到印刷电路板上，这种技术已达到其技术极限，而另一种广为应用的技术是用电镀法将焊料淀积到印刷电路板上，但该方法又很昂贵。

在集成电路模子(例如在倒装片(flip-chip)器件的情况下)或在陶瓷集成电路组件上形成焊料注入阵列时也有类似的情况。有人试图使焊料珠或焊料柱回流连接到集成电路模子或陶瓷组件上，这同样也是复杂而花费大的尝试。

因此，掀起了一股直接将熔融的焊料配送或喷射到集成电路模子(分立式的或呈圆片形式的)、陶瓷集成电路组件和印刷电路板上的热潮。当熔融钎焊焊滴的质量能在组成、体积和注入位置方面加以控制时，采用钎焊焊滴配送或喷射法有许多好处。实践证明，在淀积到衬底上时使熔融钎焊焊滴精确射到应有位置是完全可以掌握的。然而，迄今仍然没有一个可靠得足以应用到生产上的熔融焊料配送系统能达到熔融钎焊焊滴在组成、体积和结构方面始终一致的程度。

美国专利5,377,961介绍了一种在体积上能相对加以控制的配送熔融焊料的电动泵。该专利所述的电动泵比采用诸如压电器件之类电致伸缩转换器的焊料配送机有很大的进步，从而形成了熔融焊料可相对加以控制的配送系统的基础。虽然早期进行的试验肯定了这种用于配送熔融钎焊焊滴的电动泵的有效性，但对焊滴配送的可重复性、焊滴组成的一致性和焊滴大小的稳定性极为关键的对制造规定值进行的评价表明，还需要进一步改进。在这方面，试验确定，随着时间的推移，喷嘴孔近旁的熔融焊料并不总是均匀的纯焊料混合物。对焊料喷嘴残料的金相分析和对焊滴配送过程的照相分析肯定了焊滴中含有纯焊料、氧化锡和氧化铅的混合物，从而使形成的焊滴的诸如表面张力、熔点和与其它材料的亲和力(可湿性)之类的物理性能不一致。将喷嘴部分封闭在氮气(不含氧)环境中并不能解决上述问题。

从对电动泵进行的试验可看出，无论决定产生一次射出的焊滴的压力脉冲的各输入参数如何不变，焊料焊滴经过几小时之后仍明显地不同。进一步的研究结果也证实，之所以不稳定是由喷嘴孔附近焊料的不均匀性造成的，这种不均匀的焊料由上述纯焊料与氧化锡和氧化铅的混合物组成。

在电动焊料泵长时间工作过程中对焊滴的均匀性进行研究而发现的问题成了确定除氮气环境以外喷嘴周围在什么情况下能在熔融焊料含锡和铅时长时间均匀而稳定地配送出焊料焊滴的一个考虑因素。

本发明在配送或喷射系统中采用了稳定性增强设备来达到使熔融焊料焊滴的大小和组成稳定的目的，所述稳定性增强设备包括：一个喷嘴，它接到配送系统，且有一个孔眼供传送各熔融焊料焊滴用；一个注入装置，供将焊剂注入到喷嘴孔眼处；和一个焊剂渗入装置，用以使注入到喷嘴孔眼处的焊剂借助毛细管作用渗入喷嘴孔眼和通过孔眼外露的熔融焊料中。按照本发明的另一个方面，上述注入在喷嘴孔眼处的焊剂渗入的装置，其喷嘴的温度足以活化焊剂，其喷嘴孔眼的大小和组成足以使液体焊剂借助毛细管作用渗透。此外还作了这样的改进，即采用喷嘴输送器通过移动喷嘴使其与焊剂源接触而达到定期注入焊剂的目的。

在本发明的具体实施例中，采用了电动泵以根据电脉冲配送熔融焊料的焊滴，并采用龙门式(gantry type)输送装置，用以使焊料泵的喷嘴相对于准备在其上注入焊料焊滴的衬底定位，并用以将喷嘴移到焊剂源处。焊剂可以通过下列方法加入喷嘴中：将焊料配送头的喷嘴浸入焊剂储槽中，使喷嘴与焊剂运送媒质接触或使喷嘴通过从储槽中提取的焊剂薄膜。此外，改进的内容还包括通过将焊剂运送入熔融的焊料柱内或运送到喷嘴外使焊剂注入入喷嘴孔中。在各种实施例中，将焊剂加到喷嘴孔眼处，并通过毛细管作用渗入喷嘴孔眼，使焊料氧化物化学分解，除去孔壁上的氧化物，并便于使捕集在喷嘴孔眼附近熔融焊料中的气体排出。

阅读下面详细说明的实施例可以更清楚了解和理解本发明的上述和其它特点。

图1示意性示出采用电动泵将熔融的焊料焊滴注入到衬底上且工作时通过焊剂施加装置进行稳定化的焊滴制造设备；

图2示意性示出电动泵头的喷嘴区的剖面图；

图3示意性示出喷嘴区连同不均匀焊料和渗入的焊剂的剖面图；

图4示意性示出喷嘴插入焊剂储槽的情况；

图5示意性示出焊剂从中间媒质转移到喷嘴中的情况；

图6示意性示出焊剂从薄膜转移到喷嘴上的情况；

图7示意性示出焊剂通过熔融焊料中的一个管转移到喷嘴上的情况；

图8示意性示出焊剂通过焊料储槽外的喷射管转移到喷嘴中的情况。

从焊滴泵的喷嘴喷射出的熔融焊料焊滴是通过操纵焊滴泵时将焊剂引到喷嘴处进行稳定的。虽然焊剂广泛用在印刷电路板组件中从而以化学的方法改变机械上安全、金相上纯的钎焊连接点的金属表面，但本发明是将焊剂用在焊料配送设备本身上。

焊剂加到焊料焊滴泵的喷嘴上可以破坏焊料组分中的氧化物，使焊料泵喷嘴孔眼处的熔融焊料又纯又均匀。对焊剂在焊料焊滴配送过程中的影响进行的初步研究表明，焊剂产生了三个方面的影响。首先，焊剂分解和减少了熔融焊料与喷嘴表面之间介面处或附近的焊料柱中的氧化锡和氧化铅，从而生成易熔的纯焊料的均匀混合物。其次，焊剂分解了喷嘴孔眼本身内表面上的氧化物并促进了该氧化物的去除过程，使孔眼光滑而且主要起了用焊剂材料层润滑孔眼表面的作用。最后，焊剂降低了喷嘴孔眼本身焊料的表面张力，从而改善焊料对孔眼周围喷嘴表面的润湿作用，以消除捕集在该部位上的气体。这类捕集的气体一般认为会降低焊滴配送的均匀性。

用棉拭将焊剂简单地涂到焊料焊滴泵的喷嘴上立刻可以看出焊剂促进了焊料焊滴配送过程的效能。焊料焊滴泵的热量加快了焊剂通过孔眼的毛细管运动，激活了焊剂，使其破坏氧化物，降低表面张力，并加速了焊滴通过喷嘴孔眼的运动。焊剂残渣看来不成问题，即使有残渣出现，也不难用简单的机械刮除方法或清理装置清除。

图1示意性示出本发明在焊料配送系统中的一个实施例。从图中可以看到，焊料配送头1固定在XYZ龙门台架2处，安置的位置不但应参照上面要注入有钎焊焊滴的衬底3，而且还应参照焊剂涂敷设备4和残渣清除设备6。焊料配送头1促使焊料焊滴以通常4至20密尔直径范围的大小通过喷嘴7喷射到衬底3上。衬底3可以是带铜接点图案的印刷电路板、多个带分立焊接区图形的集成电路模(芯片)的圆片，或者是夹持有多个分立芯片或陶瓷组件的配件。在任何情况下，龙门台架2将喷嘴7定位在使一个或多个熔融焊料的焊滴有选择地注入到衬底3的指定位置上。

经验表明，配送头1中的焊料最好是由63/37的纯锡/铅组成，因而是可从多家商店采购到的焊料品种。但若焊料是准备注入到圆片或芯片上的，则多半会采用某种不同比例(一般为90/10的铅/锡)的高温焊料。

焊剂施加设备4在图中仅示意性示出，具体的实施例稍后将说明。设备4包括象上述焊剂涂敷棉拭那样简单的器件。图1的一般示意图的主要特点在于，喷嘴7要定期加上焊剂，可能还要清理其上的焊剂，这些都是在熔融焊料焊滴以图形形式淀积到衬底3上时进行的。

虽然焊剂加到喷嘴上的方法有许多种，大致包括浸渍法、喷射法、接触转移法或直接注入熔融的焊料中，但初步研究结果表明，只要始终定期施加就足以使熔融焊料焊滴达到现行焊滴喷射设备所要求的稳定性。与上述值得推荐的焊料焊滴喷射头相连的电磁器件复杂且较大时，看来采用定期外加法比焊剂通过导管注入焊料中的复杂设计好。但其基本原理是一样的，即用焊料焊剂方便了焊料焊滴的均匀喷射。

图2示出了喷嘴组件7和焊料配送头组件1的有关下部的示意图。可以看到，喷嘴组件7与喷射头组件的下部连接，其中包括一个外套8和喷嘴9。熔融焊料柱11处在喷嘴外套8中，且因喷射头组件的加热而保持为液态。来自喷射头组件的定期电磁感应压力脉冲(如上述美国专利5,377,961所述)通过喷嘴孔眼12将各焊滴喷射出去。按照本发明，熔融焊料焊滴的稳定性是通过向喷嘴组件7的尖端部位13加焊剂而增强的。

图3示出了喷嘴9、喷嘴孔眼12、熔融的焊料11和注入的焊剂16的示意放大图。本实施例的喷嘴9用蓝宝石盘制成。熔融焊料11的外表面一般都有氧化物/渣滓区14。加到喷嘴尖端13(图2)的焊剂借助于孔眼12内壁和熔融焊料11露出的表面上的毛细管作用形成焊剂层16。焊剂是借助于喷嘴组件的温度激活的，激活的焊剂起从清除孔眼12附近部位的焊料中清除氧化物/渣滓14的作用。此外，焊剂16还起使熔融焊料11表面特性稳定和润滑孔眼12内壁的作用。

焊剂的组成相当重要。在评价一系列焊剂的过程中发现，焊剂适于修补焊料焊件(通常称该焊剂为修补焊剂)，而热空气钎焊平整(HASL)焊剂对增强熔融焊料焊滴稳定性的影响最大。修补焊剂和HASL焊剂在高温(高于150℃)下的热稳定性高，而且活性(即破坏厚氧化物层的能力)也高。由于研究集中于喷嘴和喷射头的较窄温度范围，即220-250℃的范围，因而可能还有其它适宜改善在低于或高于该评价范围可测定温度下的性能而配送的焊料焊剂。

为进行评价，用约230℃下通过喷嘴配送的63/37锡/铅焊料来确定焊剂在使用期间既不结焦又不产生可能会堵塞孔眼的残渣的条件。在这些使用条件下并通过使用涂擦焊剂进行的初步试验表明，可以配送出10,000-20,000个组成较好、大小稳定的焊滴。市上出售的焊剂有两种有适合所选条件的特性，一个是Kester 450B修补焊剂，一个是Kester 2438 HASL焊剂。这两种焊剂的活性温度在100~130℃的范围，而且一直到喷嘴的上述230℃的温度都稳定。

本发明设想出一系列不同的将焊剂施加到喷嘴尖端13(图2)的方法，以便开始毛细作用并形成焊剂16，如图3中所示。图4举了一个实例，其中喷嘴组件7的尖端13插入焊剂储槽18中的液体焊剂17中。于是，焊剂储槽18表示了图1所示焊剂施加设备4的一种方案。

图5示出了焊剂施加设备的另一种方案，其中焊剂储槽18中的液体焊剂17通过海棉体19输送到喷嘴组件7。焊剂通过与海棉体19或作用相同的媒体接触进行的转移限制了实际施加在喷嘴尖端13的焊剂体积。

焊剂薄膜淀积在喷嘴组件7尖端13的另一种方法如图6所示。如步骤①所示，将环21插入储存在焊剂储槽18的液体焊剂17中。环21从液体焊剂17中提起时，通过环面留下了一层焊剂薄膜。如步骤②所示，将喷嘴组件7放入焊剂膜中，以便在喷嘴尖端13上淀积上一层薄焊剂层。

另一种将焊剂注入到喷嘴9的孔眼12(图2)中的办法如图7所示。从图中可以看到，薄管22向下伸到喷嘴组件7的熔融焊料11中，管22的管口处在靠近喷嘴9的孔眼12的位置。焊剂23喷射到靠近孔眼12的喷嘴中。多余的焊剂和焊剂残渣通过喷嘴9的孔眼12排出，为熔融焊料焊滴的配送作好准备。

焊剂直接喷射到喷嘴尖端13的情况如图8所示。同样，根本目的是将焊剂注入到孔眼区使注入量足以使焊剂通过毛细管作用渗入孔眼并渗到孔眼12处熔融焊料11的表面。在图8的实施例中，焊剂泵24与焊剂喷具26配合按所要求的剂量和位置配送焊剂。

上述一系列实施例举例说明了本发明的主要目的是将焊剂送到喷嘴孔眼区的熔融焊料和孔眼本身中，使其剂量足以清除焊料氧化物和渣滓，并在熔融焊料的工作温度润滑孔眼。如此提供的焊剂可确保熔融焊料焊滴能从配送头均匀喷射数千次，从而提供了适应制造环境的熔融焊料配送机。

本技术领域的行家们不难理解，上述实施例仅仅是实施本发明多种方案的例子而已，在不脱离本发明所附权利要求书所述范围的前提下是可以用等效实例代替的。

Claims (16)

1.提高熔融焊料配送系统中焊料滴喷射时的稳定性的设备，包括：

一个喷嘴，与配送系统连接，具有一个孔眼供传送熔融焊料的各焊滴用；

一个焊剂注入装置，供在喷嘴孔眼处注入焊剂用；和

一个焊剂渗入装置，用以使注入在喷嘴孔眼处的焊剂借助毛细管作用渗入孔眼中和通过孔眼外露的熔融焊料上。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述使喷嘴孔眼处的焊剂借助毛细管作用渗入的装置，其喷嘴温度适宜激活焊剂，喷嘴孔眼的大小和组成适宜使液体焊剂借助毛细管作用渗入。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述焊剂注入装置是个输送器，其作用是定期使喷嘴与一焊剂源接触。

4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述焊剂注入装置是个输送器，其作用是定期使喷嘴与一焊剂源接触。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述焊剂注入装置是一个安置成能将焊剂喷射到喷嘴孔眼处的管子。

6.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述焊剂注入装置是一个安置成能将焊剂喷射到喷嘴孔眼处的管子。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述焊剂注入装置是个喷嘴输送器，其作用是定期使喷嘴移动而通过从一储槽提取的液体焊剂膜。

8.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述焊剂注入装置是个喷嘴输送器，其作用是定期使喷嘴移动而通过从一储槽提取的液体焊剂膜。

9.提高熔融焊料配送系统中焊料滴喷射时的稳定性的方法，所述系统有一个喷嘴，连接成使其通过喷嘴的孔眼能传送熔融的焊料焊滴，所述方法包括下列步骤：

将焊剂注入到喷嘴孔眼处；和

使注入在喷嘴孔眼处的焊剂借助毛细管作用渗入孔眼中且渗到通过孔眼外露的熔融焊料上。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，使注入在喷嘴孔眼处的焊剂借助毛细管作用渗入的步骤包括将喷嘴加热到足以激活焊剂的适当温度，再利用孔眼大小和组成适当的喷嘴使液体焊剂借助于毛细管作用渗入。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述定期注入焊剂的步骤包括用输送器移动喷嘴使其与一焊剂源接触。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述定期注入焊剂的步骤包括用输送器移动喷嘴使其与一焊剂源接触。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述定期注入焊剂的步骤包括用一注射针将焊剂注射到喷嘴孔眼上。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述定期注入焊剂的步骤包括用一注射针将焊剂注射到喷嘴孔眼上。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述注入焊剂的步骤包括定期用一输送器使喷嘴移动而通过从一储槽提取的液体焊剂膜。

16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述注入焊剂的步骤包括定期用一输送器使喷嘴移动而通过从一储槽提取的液体焊剂膜。

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