CN1121176A - 在受控气氛下测量润湿性的方法与设备 - Google Patents

Abstract

能在受控气氛下测量润湿性的设备，它包括可测量液态金属焊料对试样至少一表面部的润湿性的设备，后者至少是部分地包括在一外罩内，此外罩所包括的气体注射装置中有至少一组串联和/或并联安装的导管，导管组的一部分上有气体注射孔并由在一初始连接结点处连接于其上的至少一个气体供应管供给气体。导管组的尺寸服从关系式∑ω_i/∑ф_i≥1而最好≥1.5，式中∑ω_i为给导管组供气的供应管内横剖面积之和，∑ф_i是这组导管上注射孔的横剖面积之和。

Description

在受控气氛下测量润湿性的 方法与设备

本发明涉及用来测量可焊性或润湿性的设备，这类设备一般称之为“弯月形动力自记器”或“弯月形自记器”，或有时称作“润湿天平”。

本发明特别涉及到这样一些评价金属表面的可焊性或润湿性的步骤，这些步骤是当前在回流焊接或是在波峰焊的情形中及电子焊接工业中所实施的。

波峰焊机在传统上是用来将元件焊接到电子电路(不论是将等元件插入到此电路中或是相对于此电路令元件取表面安装形式)上，或是用来给电子元件的端子包上焊锡，或者就是用来将接触片焊接到如混合电路之类的电子承载件上。

这类波峰焊机设计成，当待焊接或待镀锡的元件已在此机器的上游区为助熔剂处理过后(这主要是用来使金属表面除氧，以便其随后为焊料所润湿)，便使这些元件同通过喷嘴对一个槽中所含焊料液进行泵吸而得到的一或多个波峰的焊料相接触。

在波峰焊机的入口应用化学助熔剂时，一般要求用户在焊接或镀锡作业完成之后，在机器的出口处进行一项通常要借助氯化物溶剂来清洗产物的作业，以便能除去留于电路或元件上的助溶剂残留物。

尽管波峰焊机在传统上是暴露于环境大气之下，但实际上已逐渐有将惰性气氛用于这类机器中，这主要是为了避免由于暴露在空气下会在焊料液的表面上表成氧化物层，同时还考虑到国际环境保护方面的要求，同时，再结合上应用低活性的助熔剂，便只在电路上留下极少量的残留物，这样，实质上便免除了继后来清洗电路的作业，也就避免了使用有毒性的溶剂。

就回流焊接而言，它是建立在不同原理之上的：它将焊剂设在位于电路表面的预定区域之上，使元件与此焊剂接触，然后加热焊剂就形成焊接缝。在这种回流焊接情形中，助熔剂是包括在焊剂的复合料之中，这种复合料特别还包括一种金属合金(最通常是锡—铅合金)粉料。

在这方面再次看到也逐渐有采用受控惰性气氛的，这既是为了提高所得焊接缝的质量，而且也还是为了可使用含有低残留量助熔剂的焊剂，以免除清洗电路的最终作业。

在上述情形下，弯月形自记器常常是电子仪器车间或装配点的一个关键器件。它特别是用来评价：元件的可焊性(元件的合格试验)；用于电路制造中的基板的润湿性，不论是印刷电路型或混合电路型的基板(基板的合格性)；沾湿时间；助溶剂的效率；以及焊糊的效率，等等。

上述器件的原理是内行的人周知的，即是在样品浸没在一液体焊料液中时，通过测量此焊料作用到样品表面上的润湿力，来测定此焊料对样品的润湿角(在元件型或是在半底型的样品情形)。特别是存在有一种传统的关系式，它关联着合力(在润湿力本身与浮力之间)、润湿角、所试验的合金的密度、系统的液体/蒸汽的表面张力、以及样品浸没于熔融合金中的体积。

传统上将润湿角θ与润湿性的关系规定为：当0≤θ＜30°、润湿性优异；当θ严格地大于30°而≤40°，润湿性良好；当40°＜θ≤55°，润湿性合格；当严格地大于55°而≤70°，润湿性低；最后，当θ严格地大于70°，润湿性差。

如上所述，迄今为止，焊接过程(例如在回流焊接与波焊的情形)最普通的还是在环境气氛下进行。于是，市售的弯月形自记器由于具有一种对环境气氛开放的结构，能理想地用于此种情况。

在焊接工艺中逐渐增多使用受控惰性气氛的新形势下，相应工业部门的用户当前越来越感兴趣能获得这样的弯月形自记器，它们能在所含剩余氧浓度低达数十个ppm(百万分之一)或甚至几个ppm的保护性气氛下工作。

于是目的在于，要能在大气条件下的焊接炉或机器内，重现出在逐日基础上产生出的气氛条件，包括最严格和最强制限制的剩余氧浓度条件。

这样，有关要求可以最普遍地表示为：

能在含有一定剩余氧浓度的氮气氛与传统的空气气氛之间，对表面上的可焊性(可焊性或润湿性这两个词常常是等价的使用)进行对比性评价试验。

能就用户所收到的元件与基板，对它们随后于所用焊接工艺处理时的气氛条件下的合格性作出证明。

为了满足用户的上述要求，于是就需要在这类弯月形自记器中形成受控气氛(通常是惰性气氛)，而且是在能够获得理想控制的剩余氧浓度包括甚低浓度的条件下来形成上述受控气氛。

在上述目的下，本申请人对用户所提惰性气氛问题采取的解决方法，显然不仅是去产生出能形成最佳惰性气氛的条件(快速的惰性气体化时间、极低的剩余氧浓度，经济上可接受的气体消耗量)，而且还要求所构成的气氛不会对测量带来干扰，这就是说，由湿润天平或弯月形自记器来构成一种高度精密的装置。

一经明确规定后，以上这两个有效、快速的惰性气氛化以及不干扰测量的条件，看来是颇不匹配的。

在更普遍的范围内，本申请人最近于提交的法国专利申请FR-A-93.15503号中，给出了一种用来在封闭的空间内形成受控气氛的气体注射装置，它特别适合在波峰焊机的一或多个区中，或是在供焊接以至退火、回火、烧结甚或任何其它热处理的连续式炉的全部或一部分中，来形成受控气氛。

本发明的目的在于提供一种用来测量润湿性的新颖设备，此设备的结构允许在空气下的传统操作条件下和在受控气氛(特别是惰性气氛条件下来从事这种测量，其中：

在必要时可用快速的时间(不超过几秒)和在经济上可接受的气体流率下，实现一种基本上无氧的气氛(剩余的氧浓度取决于用户的要求可以从几个ppm到数万个ppm)；

在形成这种受控气氛时不会干扰平衡，因而不会干扰测量。

为实现上述目的，本发明的能在受控气氛下进行润湿性测量的设备包括有这样一种设备，它能测量一种液态金属焊料对样品的至少一个表面部分的润湿性，此种设备是属于这样的类型：它能在样品的全部或一部分浸没于上述液体焊料液中时，来测量此焊料对上述表面施加的润湿力；同时

上述设备至少是部分地包围在一外罩中，使得至少能使焊料液与周围气氛分离开，此外罩的上部或下部中设有一气体注射装置，此注射装置包括着至少一组串联和/或并联安装的导管，而其中有至少一个导管部包括有气体注射孔，上述这组导管是由至少一根气体供应管供气，而每一根气体供应管是在一初始连接结点上连接到上述这组导管上，同时这组导管的尺寸要考虑到下述关系：

∑ω_i/∑φ_i≥1，最好≥1.5式中∑ω_i表示给这组导管供气的气体供应管的内横剖面积之和，而∑φ_i表示这组导管的气体注射孔的横剖面积之和。

根据本发明的一个实施例，上述外罩的上部或下部设有一个室，此室由一扩散器结构与外罩的其余部分相分开，室内则安装着前述的气体注射装置。

这种扩散器例如可以是一块多孔板。此多孔板的空腔百分率以小于40％为有利，而最好是小于20％。

按照本发明的另一实施例上术扩散器则是由多孔材料制成的一种板件。

为了生产出这样多孔板，所采用的材料最好能抵抗在弯月形自记器环境中传统上所产生的温度，例如采用不锈钢或是塑料。至于由多孔材料来制造扩散器时，例如可采用陶瓷。所用的材料特别要能适合温度条件和所希望的剩余氧的浓度，使其不会引入另外的污染。

注入的气体，在需要形成惰性保护气氛的情形下，可以是一种中性气体(例如氮、氩或者是氦)；当需要使所试验的气氛能够起到例如象剥离表面那样的更有效的作用时，则可采用更具活性的气体，例如氢或惰性气体/氢的混合物或是惰性气体/硅烷的混合物。

为了形成这种气氛中的惰性部分，可以利用由低温工程法所获得的一种气体，此外，根据所需要的特性(例如氧含量)、可以利用通过渗透或吸附由吹气分离法所获得的一种气体源。

本发明中所用“受控气氛”一词是指这样一种气氛，它的成份只不过是预先确定的，任选测量的(连续地、顺序地或是在设备起动时进行测量)，或加以调控的(也就是说，通过供给新鲜气体，使气氛保持成预定的所需成份)。

作为说明，考虑这样一个例子，其中需要在设备内按受控的氧含量(例如近似于100ppm的剩余氧)来保持一种情性气氛，为此，根据本发明可采用下述各项作业中的一种：

校准注入的混合气体，使它的成分对应于约100ppm的剩余氧含量(要末例如在氮的情形，通过渗透或吸附；要末用一种事先计算和生产出的低温氮/氧混合物)；

注入这样一种混合物，并对设备内的气氛就剩余的氧浓度进行至少一次测量(或是一次性的测量，例如初始性的测量；或是常规测量)；或是

注入这样一种混合物，通过对剩余的氧浓度作常规测量来调节设备内的气氛，并在从选择的设定点上观察到所测量的浓度值有漂移时，起动新鲜的气体源。

正如熟悉本项技术的人清楚理解到的，本发明的设备是可以在受控气氛下进行测量的，而为了能比较测量结果，同样可以在传统的空气气氛下进行测量。

根据本发明的一个组成部分，上述注射装置本身至少有一个气体供应管包括有气体注射孔。

这时，前述那组导管应服从下述关系式：

∑ω_i/(∑φ_i＋∑α_i)≥1而最好≥1.5式中的∑ω_i表示所说的为那组导管供应气体的气体供应导管的内横剖面积之和；∑φ_i表示那组导管的气体注射孔的横剖面积之和；而∑α_i表示所涉及的包括有气体注射孔的气体供应管，它们的气体注射孔的横剖面积之和。

根据本发明的另一个组成部分，用来把气体供应给所说这组导管的气体供应管，它们都是来自一个上游结点且本身又是通过一根内横剖面积为Ω的输送管道供应气体，此上游结点的尺寸需使得：

Ω/∑ω_i≥1，而最好≥1.5式中∑ω_i表示气体供应管的内横剖面积之和。

在具有一上游结点的这种结构型式中，要是有一(或多个)气体供应管本身包括有气体注射孔，则前述这组导管的尺寸应满足关系式：

Ω/(∑φ_i＋∑α_i)≥1而最好≥1.5式中的∑φ_i表示这组导管的气体注射孔的横剖面积之和；∑α_i表示包括有气体注射孔的气体供应管的气体注射孔的横剖面积之和，而Ω表示上述供应管道的横剖面积。

对于各个导管和包括有气体注射孔的气体供应管，当注射装置位于前述外罩的上部时，这些注射孔最好指向外罩的顶端；而当注射装置位于外罩的下部时，这些注射孔最好指向外罩的底端。

至于本发明中涉及到的“结点”、“导管”、“管道”与“气体注射孔”的定义，可以参考前述文件法国专利A—93.15503中所述。这里只作些简单的说明，根据本发明，“导管”与“管道”是指任何类型的气体输送或供应管线，不论它是传统情形中的直的管线，或是例如具有圆形、方形或矩形横剖面的弯的管线，而所用的材料，取决于涉及的气体(化学相容性)有很广的选择范围，例如有不锈钢、铜、PVC(聚氯乙烯)等等。

“气体注射孔”是有选择地出现在某些导管或供应管上，它们应理解为那种可使气体从这些导管或供应管中，一般依其在管中流向的横切方向逸出的洞(与洞的形状有关)。

根据本发明，“结点”是用来指一种简单的连接点或是指(缓冲室型的)一种适当的装置，它限定出一个由管道输送来的气体从其中冒出的容积，并从此容积相应的空间伸延出与其通连的导管组件。

对于注射装置简化为包括有注射孔的单一导管的情形，气体是从此导管的端部供给的，在应该考虑到关系式∑ω_i/∑φ_i≥1中，单一的一个ω_i表示此导管本身的横剖面积，而∑φ_i则表示此导管的各注射孔横剖面积的和，在此情形下的本发明中所谓的“初始结点”，乃是在此导管端部与导管的包括有注射孔那部分之间的一种“设想的”中间连接点。

根据本发明的一个实施例，当包含着一或多个具有方形或矩形横剖面的导管部分的系统包括有气体注射孔，同时/或者有一或多个气体供应管包括有气体注射孔时，这些导管部分或是气体供应管便构成了一个在下方的无孔的U形部，上面安装着一个倒U形的多孔板。

根据本发明的一个实施例，前述的外罩上至少设有一条用来除去注入气体的通道。

本发明还涉及到一种用来测量在控制气氛下一个表面为液态金属焊剂所润湿的润湿性，其中利用到如前所述的一种设备，且其中的气体是通过注射装置注入的，在气体注射孔出口处的气体速度这时最好要大于0.5m/sec，而尤其最好要大于1m/sec。

根据本发明的一个组成部分，气流在这组导管的出口处和/或在前述扩散器出口处的雷诺数小于2000，从而能获得一种尽可能接近层流的流动状态(雷诺数是根据比例V×D/v计算的，式中的V表示气体在注射孔出口处的平均速度，D表示此孔的内径，而v表示所涉及的气体的流动粘度。

本发明的其它特点与优点可从下面对实施例的描述中认清，这些对照附图给出的实施例是用于解释目的而未隐含任何限制之义，在附图中：

图1是本发明的包括一注射装置在内的一种室的示意性透视图；

图2以举例形式示意地表明适合来实施本发明的一种设备；

图3以平面图示意地表明了在图2设备中的前述的室以及此室所包括的上述注射装置；

图4是图3中两个导管结构的详细横剖面图。

图1示明了适合来实施本发明的一种室，它包括一组设在柜2内的导管1(图中仅以虚线作了示意性的表明)，柜2的上部3包括一个扩散器结构3，部分地概示于此柜的角隅4处。

图2以举例形式示明适用来实施本发明的一种设备。图中在数号5处示意表示存在一弯月形自记器，它包括在一外罩6内，此外罩6的下部有一个室8，其中装设有将于下面结合图3详述的注射装置，此注射装置包括两个导管10。室8的上部包括一个扩散器结构11，它与外罩的其余部分特别是与弯月形自记器相分开。图中的双向箭头线7表示外罩高度的大小，这里作为例子，设此高度为1.2米。

弯月形自记器这样一台设备5设定在例如一种横向杆的系统(图2中未示明)上，这批横向杆在扩散器上方并同扩散器分开一定距离地通过此外罩。

外罩上部有一气体清除通道9，它装配有一个瓣阀12，可使外罩保持在压力之下，还可由此图中看到，数号13处有一安全阀。

图3以平面图形式较醒目地示明了室8的以及位于其中的注射装置14的结构(为清楚起见，没有表示出扩散器的结构)。注射装置14包括两个装备有注射孔的导管10。

双向箭头线15与16表明室8的尺寸大小，这里是把一个方向的尺寸取作80厘米，把第二方向的尺寸取作60厘米。

两个导管10中的每一个例如包括有两行每行各15个的注射孔，孔的直径为4毫米，于是总共有60个这样的孔。举例来说，每个导管都是由塑料制成，这两行孔都是指向外罩的底端，也就是说朝向上述室的与扩散器结构11相对的面，而在这两行孔之间存在一个60°的角(图4)。

在图2、3与4中所示的导管10，作为例子，它具有32毫米的外径，而管材厚度为2.4毫米。

对于结合图2、3与4例示的这种设备，在下述工作条件下进行了试验：

可焊性测量设备5是一种商标名为METRONELEC，型号为ST40的弯月形自记器；

注射装置14符合本发明的尺寸规则；

扩散器11是一种不锈钢网孔结构件，它的网孔百分率为23％；

外罩已通过扩散器11将流率为20m³/hr时的氮注入注射器14内而被清洗。所用的氮为低温型的氮，含有小于5ppm的剩余氧。

进行试验的目的在于证明本发明的设备：

不会导致焊料液周围的气氛过冷；

可以快速地调节这种气氛；

不会干扰润湿力传感器获得的测量结果。

第一项试验：除热

接通润湿力测量设备5(焊料液于是变热)，把它放到外罩6内，按上述的气体流率冲洗此外罩。

在焊料液附近设有热电偶，可在整个作业过程内控制一封闭系统内的操作不致引起测量气氛过热。

第二项试验：调节气氛

使外罩6最初含空气气氛，按20m³/hr的流率注入氮。经15分钟冲洗后分析外罩内的气氛，可以测出所剩余的氧含量小于20ppm。于是本发明的设备在设备5周围的外罩有较大体积的情况下也能快速地调节气氛。

第三项试验：不会对测量构成干扰

为了验证不会由于在测量设备周围形成了受控气氛而干扰测量结果，在下述气氛下进行了对比试验：

环境空气(开放系统)；

重新组成的空气(氮80％，氧20％)，按大致为20m³/hr的总流率注入封闭系统中；

单独用氮(低温源)，按大致为20m³/hr的总流率注入封闭系统中。

对于各种测量气氛，评价了市售的波焊助熔剂的效率，有关操作程序已描述于法国标准NFC90-551中。

试验的助熔剂

助熔剂A：不挥发的剩余物合25％(高的剩余物含量)；

助熔剂B：不挥发的剩余物合2.5％(低的剩余物含量)。

上述市售的助熔剂A与B是工业部门中广泛使用的，因而能代表通常用到的工业条件。

校准了的对其试验润湿性的样品

根据标准NFC90-551的I级与II级铜样品。

所用的焊料

用约1.4公斤的(Sn60-Pb40)的锡/铅焊料构成液浴。

对于每一组试验参数(一种气氛、一种助熔剂、一种等级的铜)进行了约十次试验，各组试验结果乃是在样品的整个浸没过程中所记录下的最大润湿力。

下面在各个情形中给出的结果表示的是十次试验“平均的”最大润湿力以及相应的标准偏差。

助溶剂A/I级铜。

重新组成的空气：F_max＝7.53mN，标准偏差＝0.05

空气：F_max＝7.58mN，标准偏差＝0.05

氮：F_max＝8.18mN，标准偏差＝0.1

助熔剂A/II级铜

重新组成的空气、Fm_ax＝7.52mN，标准偏差＝0.065

空气：F_max＝7.57mN，标准偏差＝0.08

氮：F_max＝8.34mN，标准偏差＝0.11

助熔剂B/I级铜

重新组成的空气：F_max＝7.3mN，标准偏差＝0.33

空气：F_max＝7.51mN，标准偏差＝0.36

氮：F_max＝8.19mN，标准偏差＝0.28

助熔剂B/II级铜

重新组成的空气：F_max＝6.45mN，标准偏差＝0.99

空气：F_max＝6.29mN，标准偏差＝1.07

氮：F_max＝7.8mN，标准偏差＝0.42

以上对比试验的结果清楚表明，在环境空气(开放系统)和在重新组成的空气(封闭系统)下所获得的试验结果是统计的一致，因而在外罩中形成一种受控气氛不会干扰测量。

在氮气氛下所获得的试验结果得以证实有关文献中发表的结果，根据所得结果，在保护性气氛(降低了剩余氧浓度)下所求得润湿性与在空气下的传统作业相比有了系统的改进(在N₂下的F_max大于在空气下的F_max)。

于是，以上的试验结果可以证明本发明的润湿性测量装置是能够在受控气氛下进行测量的，不论是在空气下还是在例如惰性气氛下，都能在快速的和经济上可以接收的气氛调节条件下来做到这点，而且不会干扰测量设备的作业。

尽管上面业已对照了特殊的实施例描述了本发明，但这丝毫无限制之意，相反，熟悉本项技术的人，是可以在后附权利要求书中规定的范围内作出种种改动和提出各种各样的变更型式的。

Claims (12)

1.一种能够在受控气氛下进行润湿性测量的设备，它包括一种用来测量液态金属焊料对样品的至少一个表面部分的润湿性的设备(5)，此种设备(5)属于这样一种类型，即能够在样品全浸或部分浸没于上述液态金属焊料液中时，测量出此焊料作用于样品表面上的润湿力，其中：此设备(5)至少是部分地包括在一外罩(6)内，而能够使至少是上述焊料液与周围气氛相分开，此外罩的上部或下部中设有一气体注射装置(1，14)，后者又包括至少一组串联和/或并联安装的导管，这组导管的至少一个导管部上包括有气体注射孔，同时这组导管是由至少一个气体供应管来供给气体的，每一个气体供应管都在一个初始连接结点处连接到上述这组导管上，而且这组导管的尺寸还满足关系式：

∑ω_i/∑φ_i≥1，而最好≥1.5式中∑ω_i表示给定这组导管供应气体的气体供应管的内横截面积之和，而∑φ_i则表示这组导管的气体注射孔的横剖面积之和。

2.如权利要求1所述的设备，特征在于：上述外罩在其上部或下部包括有一个为一扩散器结构(11)与外罩其余部分相分开的室(8)，在此室中安装着前述的气体注射装置(1，14)。

3.如权利要求2所述的设备，特征在于：上述扩散器(11)是由一块多孔板构成。

4.如权利要求3所述的设备，特征在于：上述多孔板的空腔百分率小于40％，最好小于20％。

5.如权利要求2所述的设备，特征在于：上述扩散器是由一种多孔材料制得的板构成。

6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，特征在于：上述用来给所说这组导管供应气体的气体供应管都来自一个上游结点，而这些气体供应管本身又由一根内横剖面积为Ω的供应管道供给气体，此上游结点的尺寸要使得

Ω/∑ω_i≥1，而最好≥1.5式中的∑ω_i表示这些气体供应管的内横剖面积之和。

7.如权利要求1至5中任一项所述的设备，特征在于：上述气体供应管本身至少有一个包括了气体注射孔，此时前述这组导管的尺寸则遵从关系式

∑ω_i/(∑φ_i＋∑α_i)≥1，而最好是≥1.5式中∑ω_i表示给导管组供应气体的气体供应管的内横剖面积之和，∑φ_i表示这组导管的气体注射孔的横剖面积之和，而∑α_i则表示包括有气体注射孔的所涉及的气体供应管上气体注射孔的横剖面积之和。

8.如权利要求6所述的设备，特征在于：上述气体供应管本身中至少有一个包括有气体注射孔，且所说这组导管的尺寸此时遵从关系式

Ω(∑φ_i＋∑α_i)≥1，而最好＞1.5式中的∑φ_i表示所说这组导管的气体注射孔的横剖面积之和，∑α_i表示气体供应管的注射孔横剖面积之和，而Ω则表示前述供应管道的内横剖面积。

9.如权利要求1至8中任一项所述的设备，特征在于：对于包括有气体注射孔的各个导管或供应管来说，这些注射孔当气体注射装置位于所说外罩上部时指向此外罩的顶端，而当此注射装置位于位置下部时则指向外罩的底端。

10.如权利要求1至9中任一项所述的设备，特征在于：上述外罩上设有至少一个用来清除气体的通道(9)。

11.用来在控制气氛下测量一种液体金属焊料对一表面的润湿性的方法，特征在于：它利用了如权利要求1至10中任一项所述的设备，且其中通过前述的气体注射装置来注入一种气体，此气体在所说这组导管的气体注射孔出口处的速度大于0.5m/sec，而最好是大于1m/sec。

12.如权利要求11所述的方法，特征在于：在所说这组导管出口和/或所说扩散器出口处的气体流的雷诺数小于2000。

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