CN1277537A - 液体分配系统以及提高液体与衬底之间接触面积的方法 - Google Patents

Abstract

一种将液滴分配到衬底上的设备和方法,通过向液滴排放压缩空气喷流而使液滴扁平。一个分配器包含一分配器体,其具有与粘性液体源相连的液体供应通道。一个喷嘴体与分配器体相连,并带有与液体供应通道相通的液体排放通道以及连接到压缩气源以排放压缩空气喷流的空气排放口。空气排放口对准液体排放通道,使排出的压缩空气喷流能够撞击到从液体排放通道排出的液滴上,以使液滴扁平和散布并增大液滴与衬底之间的接触面积。

Description

液体分配系统以及提高液体与衬底之间接触面积的方法

本发明总体上涉及一种液体分配设备，特别是涉及一种用于将液滴分配到衬底上的设备。

电气元件通常要通过软焊而固定到电路板或其它衬底上。虽然现有多种普通软焊方法用以将元件固定到衬底上，但传统的软焊过程以便可以包含三个分开的步骤。这些步骤包括：(1)向衬底施加助焊剂，(2)预热衬底，以及(3)将各种元件软焊到衬底上。在某些条件下，例如软熔和表面安装过程中，则不需要预热。作为示例，本发明适合用于电路板、微板、内置板、受控折叠的芯片集中器、VGA和其它计算机芯片上的元件固定。

助焊剂是一种化学化合物，其通过熔融态焊料而增加金属表面的湿润性。助焊剂可以将氧化物和其它表面薄膜从基体金属表面上去除。助焊剂还可以保护表面不在软焊过程中重新氧化，并且改变融态焊料和基体金属的表面张力。诸如印刷电路板等衬底必需通过助焊剂清洁，以使电路板有效地准备软焊，并适宜地湿润将要被固定到电路板上的电气元件。

在软焊操作中，需要将微量或液滴状助焊剂分配到衬底的不连续部分上。各种类型的分配器已被用于这个目的，例如注射器式接触分配器和阀控非接触分配器。除了助焊剂，其它液体也可以施加到衬底上。这样的液体包括粘接剂、焊膏、软焊保护剂、润滑脂、密封油、封装化合物、油墨和硅酮等。

由于表面张力作用，阀控非接触分配器中发出的液体通常会在到达衬底之前形成一个浮在空气中的大致球形液滴。因此该液滴将以特定的大致圆形表面区域接触衬底。根据液滴材料的粘度和表面张力特性，液滴可能在表面接触区域之上保持一个大致半球形。例如，如果液滴材料具有高粘度和高表面张力，则液滴通常会在衬底表面上保持一个大致半球形，而表面接触面积相对较小。对于普通助焊剂，液滴的高度大致等于液滴半径。然而，如果液滴材料具有相对低粘度和低表面张力，则球形会在表面上变得扁平，而表面接触面积会变大。大体上讲，高粘度或高表面张力的液滴在表面上散布的面积小于低粘度或低表面张力的液滴。

在电气装置的制造过程中，希望使用最少有效量的助焊剂，同时又使助焊剂覆盖住最大的表面面积。在许多软焊操作中，助焊剂施加在衬底上的最佳形式是以一系列液滴施加在衬底的不连续区域上。相对于厚层助焊剂来说，薄层助焊剂具有多种优点。例如，薄层助焊剂可以在电气元件与诸如衬底印刷电路之间产生更可靠的软焊连接，特别是在未使用清洁助焊剂时。由单一的助焊剂液滴形成的薄层所使用的助焊剂要少于覆盖了同样面积的多个较厚液滴。此外，因此第一助焊剂液滴散布所形成的薄层还可以提高生产率，这是因为施加单一的扁平液滴要比施加覆盖了同样面积的多个较厚液滴快。

由于助焊剂通常具有高表面张力，因而不会在与衬底接触时扁平到适宜程度。另一方面，非接触分配操作将产生相对较厚的液滴，即具有大致半球形和小接触面积。其结果是，难以利用传统的非接触分配器和传统的助焊剂产生薄层助焊剂。

因此，希望提供这样一种非接触液滴分配器，其既能够分配诸如助焊剂等粘性液体的液滴，又能够使液滴在衬底上变得扁平或散布，以增大表面接触面积。

本发明的设备适合于将诸如助焊剂等液滴分配到一个衬底上，再通过向液滴上排放至少一股压缩空气喷流而使液滴扁平或散布。本发明特别适合于非接触分配器，即在分配操作中喷嘴不与衬底相接触的分配器。在本发明的一个适宜的实施方式中，衬底是一个印刷电路板。压缩空气喷流撞击到由一个或多个分配液滴形成的液滴上，并以足够的力克服液滴的表面张力，从而使液滴在衬底表面上散布而形成增大的接触面积。

为此，根据本发明的原理，一种用于将液滴排放到衬底上并以空气撞击液滴的分配器包含一个分配器体，其带有一个用于连接诸如助焊剂等液体源的液体供应通道。一个喷嘴连接着分配器体并包含一个与液体供应通道相流通的液体排放通道。喷嘴还包含一个用于连接到压缩气源以排放压缩空气喷流的空气排放口。空气排放口邻近于液体排放通道成形，从而使得排出的压缩空气喷流能够撞击到由一个或多个从液体排放通道排出的液滴形成的液滴上。空气可以大体上使液滴扁平和散布并增大液滴与衬底之间的接触面积。液体排放通道和空气排放口优选以同轴的方式彼此对齐。例如，液体排放通道可以安置在空气排放口中并因此而被后者环绕着。

在一个优选实施例中，喷嘴包含一个液体分配喷嘴体和一个可以被操纵着而与分配器体连接的空气排放体。液体分配喷嘴体带有一个与分配器体的液体供应通道相流通的液体通道。液体分配喷嘴体带有外螺纹，从而能够拧入空气排放体的内螺纹中。液体分配喷嘴体优选包含一个阀座，而分配器体优选包含一个阀杆。阀座适用于选择性地接收阀杆，从而在阀杆与阀座咬合时阻止液体流过液体排放通道。然而，当阀杆从阀座中脱开时，液体能够流过液体排放通道。一个控制装置可以被操纵着而与液体分配器相连，以选择性地使阀杆与阀座咬合和脱开，从而将液滴从液体排放通道中分配出来。

优选的是，控制装置还可以被操纵着而与压缩空气源相连，从而选择性地使空气排放口排出压缩空气喷流。控制装置可以被操纵着而与液体和压缩空气源所带的气动、液压或电动的电磁阀相连，以精确地控制液流从液体排放通道中发出以及压缩空气从空气排放口喷出。空气控制装置优选在一个预定时间内操作，该时间与一个或多个需要被空气压扁的液滴的排出相关。例如，可以在控制压缩空气排出的电磁阀与控制液体材料排出的电磁阀之间建立预定时间关系。可以理解，液体和空气控制装置以及这种控制装置中所用的元件可以采用不同的构造。

本发明还涉及一种用于增大诸如助焊剂等液滴与诸如印刷电路板等衬底之间的接触面积的方法。该方法大致包含将至少一个液滴体从一个喷嘴分配到一个衬底上，以形成液滴与衬底之间的一个接触面积。从空气排放通道中排放至少一股空气喷流。空气喷流将撞击液滴，从而基本上以前面所述的方式和原因增大接触面积。

因此，本发明提供了一种分配器和一种方法，用以将一个液滴排放到一个衬底上并通过一股压缩空气喷流而增大液滴的接触面积。这样，分配器能够有效地在印刷电路板上沉积薄层助焊剂或气体粘性液体。薄层助焊剂可以为电气元件提供更可靠的连接并降低印刷电路板的制造成本。其它应用方式也可以从本发明中受益。

通过阅读下面根据附图所作的目前优选实施例的详细说明，可以使本技术领域的技术人员更清楚地理解本发明的各种附加优点、目的和特征。

图1是一个附着在液体分配器端部的喷嘴组件的分解透视图；

图2是图1中的喷嘴组件沿线2-2的放大局部横截面图，以显示一个液滴的排出；

图3是类似于图2的放大局部横截面图，但显示的是空气的排出；

图3A是图3中的圈入部分“3A”的放大图；

图4是一个与图1中的液体分配器一起使用的控制装置的框图；以及

图5是图1中的液体分配器中所用的一个液体阀和一个气阀的开/关时序图。

首先请参考图1，优选实施例中的一个分配器设备10包含根据本发明原理构造的一个分配器体12、一个液体分配喷嘴体14和一个空气排放体16。虽然所示的喷嘴体14和空气排放体16是分开的部件，但它们也可以组装成一个单件式喷嘴。分配器10特别适用于分配液体，如加热的热塑性液体、热融性粘接剂或助焊剂，但其它类型的液体分配器也可以通过本发明而受益。此外，分配器10适用于将液体以诸如液滴或点等不连续的量分配，或者以连续珠粒的形式分配。如图1所示，与本发明的喷嘴体14和空气排放体16一起使用的分配器体12用于将诸如助焊剂等的液滴分配到一个衬底上。

现在请参考图2和3，分配器体12具有一个液体供应通道18，其与液体22的一个加压源20连通。该液体22可以是，例如，助焊剂或其它可以受益于本发明的粘性液体。作为助焊剂供应中的一个普通指标，位于液体供应通道18中的助焊剂22的压力为，对于低粘度助焊剂在大约1.5psi至大约5psi的范围内，对于高粘度助焊剂在10-20psi内。分配器体12还包含一个阀杆24，其安装在液体供应通道18中，并可以选择性地从与一个阀座26的咬合位置缩回。分配器体12可以包含一个传统的弹簧复位机构(未示出)，其可以被操纵着而连接到阀杆24上。弹簧复位机构可以通过公知的方式而使阀杆24关闭而顶靠在阀座26上，以阻止液体流过分配器10。

这样，通过移动阀杆24而使之与阀座26咬合和脱开，分配器体12及其相关阀杆24可以用作一个开/关流体或液体阀。一种适宜的分配器和阀致动机构见于美国专利No.5,747,102中，该专利中的公开物完全结合在此作为参考。阀杆24可以是，例如，气动或电动的并响应于一个控制装置28(图4)，以选择性地将助焊剂22从液体供应通道18发送到附着的液体分配喷嘴体14。

为了控制液体材料的分配，控制装置28包含一个分配阀计时和驱动电路30，其可以响应于所接收到的一个来自触发电路34的触发信号32，从而被操纵着连接到阀杆24上，以将阀杆24从阀座26处缩回。随着接收到该触发信号32，电路30将在一个预定量的时间内将阀杆24从阀座26处缩回或脱开，该时间优选选自0毫秒至100毫秒的范围内，以使液体22从分配器10中流出，如后面详细解释。当阀杆24的预定时间结束后，阀杆24将重新与阀座26咬合而阻止液体22的流动。

一个护圈36在其一端带有内螺纹38，以咬合分配器体12的外螺纹40。护圈36带有一个内台肩42，一个通孔44位于内台肩42的中央。通孔44与液体供应通道18和液体分配喷嘴体14均连通。当护圈36拧紧在分配器体12的外螺纹40上时，内台肩42会将阀座26和一个密封件保持在分配器体12的一个端部48上。这样，优选由特氟隆^制成的密封件46会密封咬合端部48，以防止助焊剂22从螺纹38、40中泄漏。护圈36还在其外端带有内螺纹50。该内螺纹50用于接收液体分配喷嘴体14的外螺纹52。随着将液体分配喷嘴体14拧紧在内螺纹50上，液体分配喷嘴体14的一端54将接触并密封咬合护圈36的内台肩42，以防止助焊剂22从螺纹50、52中泄漏。

液体分配喷嘴体14具有一个内部液体通道56，其与液体供应通道18和一个喷嘴末端58中的液体排放通道58a连通，该液体排放通道从液体分配喷嘴体14的端部60上伸出。端部60带有外螺纹62，以咬合空气排放体16上的内螺纹64，更确切地讲是一个板66上的内螺纹。该板66被压配在空气排放体16的一个凹座68中。

空气排放体16具有一个气室70和一个空气排放口72，它们与一个空气进入通道74连通。空气进入通道74可以被操纵着而连接到一个空气控制阀76(图3和4)上，后者可以是一个电磁阀并可以被操纵着而连接到一个加压气源78上。为了控制从空气排放口72发出的压缩空气喷流，控制装置28包含一个空气延时计时电路80，其连接着一个气阀计时和驱动电路82，后者可以被操纵着而连接到空气控制阀76上。如后文中详细解释，控制装置28和控制阀76可以使从空气排放口72排出的空气喷流与从液体排放通道58a中排出的液体同步。

优选的是，空气控制阀76可以选择性地将压缩空气的受控喷流输送到气室70再随后通过空气排放口72排出。优选的是，气源78的气压范围在大约10psi至大约30psi的范围内。材料的粘度越高，则需要的压缩空气压力更高。在某些应用中，可以有益地通过多次压缩空气的喷流撞击一滴或多滴液体。此外，压缩空气喷流也可以以不同压力喷出，以使液滴获得所需的扁平度。此外，还可以有各种不同的实施方式，其中可以使某些液滴扁平或散布，而其它液滴则保持它们的标准散布状态。

有益的是，气室70和空气排放口72同轴对准从液体分配喷嘴体14的端部60伸出的液体排放通道58a。优选的是，液体排放通道58a安置在气室70和空气排放口72中并被它们环绕着。

在操作中，分配器10用于将助焊剂22的一滴84发送到一个诸如印刷电路板等衬底86上。通常，印刷电路板86需要在其特定的不连续区域上散布助焊剂22的多滴84。在分配操作中，电路板86被保持就位，而分配器10相对于电路板86移动到每个所需分配位置上。

本发明所涉及的分配方法或过程起始于将分配器10定位在衬底86上的所需位置之上。根据应用条件，液体排放通道58a的一端88与电路板86之间的距离可以在大约0.02英寸与大约0.75英寸的范围内。接下来，阀杆24可以响应于电路30所接收到的触发信号32而选择性地从阀座26上脱开，以使受压助焊剂22能够在电路30所确定的一个预定量的时间内流过液体分配喷嘴体14的内部液体通道56。在预定量的液流时间结束后，阀杆24将重新与阀座26咬合而阻止助焊剂22继续流入液体通道56。这样，如图2和3所示，助焊剂22的一滴84会成形出来并从液体分配喷嘴体14的液体排放通道58a中发送出来。如图3所示，该液滴84随后将从液体排放通道58a中落下而安置在衬底86上而形成一个略微扁平的液滴84a(图3)。液滴84a与衬底86之间形成一个接触面积92a。

响应于启动发送液滴84a的触发信号32，空气延时计时电路80将启动一个预定计时周期，以延迟压缩空气从空气排放口72的喷出，直至预定计时周期结束。当预定计时周期结束后，空气控制阀76将响应于气阀计时和驱动电路82而打开一个预定量的时间。优选的是，空气控制阀76的打开状态选自0毫秒至100毫秒的范围内。

压缩空气的喷流将进入气室70并随后通过空气排放口72排出。如图3中的竖直箭头所示，压缩空气将撞击液滴84a，以使液滴84a足够扁平而形成扁平液滴84b，而接触面积92a在增大到位于液滴84b下面的接触面积92b，如图3A中最佳显示。这样，扁平液滴84b的高度远小于液滴84a，而接触面积92b则显著大于接触面积92a。也就是说，一旦被压缩空气的喷流撞击到，助焊剂22的液滴84b会在衬底86上比初始液滴84a散布和覆盖更大。

在空气喷流撞击到液滴84a之后，一个液滴的分配操作即完成了，而分配器将重新定位到下一个所需分配位置上。该分配过程将在印刷电路板上连续重复进行，直至所有所需的分配位置均覆盖了助焊剂22的扁平液滴。应当指出，液滴84a可以包含发送到相同或近乎相同位置上的一个以上的液滴。换言之，采用“滴”的单数形式并不意味着局限于这种方式。

如图5中示意显示，用作液体阀的阀杆24和用作气阀的空气控制阀76会周期性地打开和关闭，以分别分配不连续量的助焊剂22和压缩空气的喷流。在助焊剂的分配操作时，液体阀24优选保持打开一个时间“t₁”，其位于大约2毫秒至大约4毫秒的范围内。同样，为了助焊剂的分配操作，空气控制阀76优选保持打开一个时间“t₂”，其位于大约3毫秒至大约6毫秒的范围内。在液体阀24打开后经过一个以延时“t_d”表示的预定延迟时间之后，空气控制阀76可以被控制着打开。这样，空气控制阀76会在阀杆24关闭之前打开。如果延时“t_d”为零，则空气控制阀76与液体阀24同时打开。相反，如果延时“t_d”等于时间“t₁”，则在空气控制阀76打开的同时液体阀24会关闭。优选的是，为了实施助焊剂分配，延时“t_d”位于大约2毫秒至大约4毫秒的范围内。当然，对于本技术领域的普通技术人员来说，可以理解，液体材料和空气的分配时间以及相应液体和气体分配周期之间的预定延时可以根据特定的分配需要而改变。

可以理解，分配器10所发送的助焊剂22的量取决于多种因素，例如加压源20的压力、液体阀24保持打开的时间“t₁”的长度以及液体分配喷嘴体14的物理尺寸。例如，增大液体通道56和喷嘴末端58的液体排放通道58a的内径，可以在给定量的时间“t₁”中使更多的助焊剂22通过。为此，带不同尺寸的液体通道56和液体排放通道58a的不同喷嘴体14可以容易地拧入喷嘴体护圈36中，以产生不同尺寸的液滴。还可以理解，液体分配喷嘴体14和空气排放体16可以构成一个整体式元件。

虽然前面通过各种优选实施例而对本发明进行了描述，而且这些实施例被相当详细地描述以解释本发明的最佳实施模式，但本发明人的这个发明并不局限于或以任何途径将附属权利要求的范围限定于这些细节。对于本技术领域的技术人员来说，显然可以在本发明的精神和范围之内获得附加优点和进行改进。

Claims (19)

1.分配设备，其用于将粘性液滴分配到一个衬底上并增加液滴与衬底之间的接触面积，该设备包含：

一个分配器体，其具有一个用于与一个粘性液体源相连的液体供应通道；以及

一个喷嘴，其连接着上述分配器体并具有一个与上述液体供应通道相流通的液体排放通道以及一个用于连接到压缩气源以排放压缩空气喷流的空气排放口，上述空气排放口相对于上述液体排放通道成形并安置，从而使得排出的压缩空气喷流能够撞击到一个从液体排放通道排出的液滴上，以使上述液滴扁平和散布并增大上述液滴与上述衬底之间的接触面积。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，上述液体排放通道和上述空气排放口彼此同轴对齐。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，上述空气排放口是一个环绕着上述液体排放通道的环形口。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，上述喷嘴是一个多件式喷嘴，其包含：

一个带有上述液体排放通道的液体分配喷嘴体和一个带有上述空气排放口的空气排放体，而且它们均能够被操纵着而与上述分配器体连接。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，上述空气排放体以环绕的关系连接着上述液体分配喷嘴体的液体排放通道。

6.根据权利要求4所述的设备，还包含一个位于上述液体分配喷嘴体中的阀座和一个位于上述分配器体中的阀杆，上述阀杆用于分别与上述阀座脱开和咬合，以分配上述液滴。

7.根据权利要求1所述的设备，还包含一个可以被操纵着而与上述分配器体相连的阀座和一个位于上述分配器体中的阀杆，上述阀杆用于分别与上述阀座脱开和咬合，以分配上述液滴。

8.根据权利要求1所述的设备，还包含：

一个空气控制装置，其可以被控制着而与上述压缩气源相连，从而选择性地在一个相对于上述液滴排放的预定时间内产生上述压缩空气喷流。

9.分配设备，其用于将粘性液滴分配到一个衬底上并增加液滴与衬底之间的接触面积，该设备包含：

一个分配器体，其具有一个用于与一个连接粘性液体源相连的液体供应通道；以及

一个喷嘴，其连接着上述分配器体并具有一个与上述液体供应通道相流通的液体排放通道以及一个用于连接到压缩气源以排放压缩空气喷流的空气排放口，

一个液体排放控制装置，其可以被控制着而连接到上述液体排放通道，以排出一个粘性液滴，以及

一个空气控制装置，其可以被控制着而与上述压缩气源相连，从而选择性地在一个相对于上述液滴排放的预定时间内通过上述空气排放口排出一股压缩空气喷流，以使上述液滴扁平和散布并增大上述液滴与上述衬底之间的接触面积。

10.一种喷嘴，其用于将粘性液滴排放到一个衬底上并增大液滴与衬底之间的接触面积，该喷嘴包含一个用于与一个上述粘性液体源相连的液体排放通道以及一个用于连接到一个压缩气源以选择性地排放压缩空气喷流的空气排放口，上述空气排放口相对于上述液体排放通道成形并安置，从而使得排出的压缩空气喷流能够撞击到一个从液体排放通道排出的液滴上，以使上述液滴扁平和散布并增大上述液滴与上述衬底之间的接触面积。

11.根据权利要求10所述的喷嘴，其特征在于，上述液体排放通道和上述空气排放口彼此同轴对齐。

12.根据权利要求11所述的喷嘴，其特征在于，上述空气排放口是一个环绕着上述液体排放通道的环形口。

13.根据权利要求10所述的喷嘴，其特征在于，上述喷嘴是一个多件式喷嘴，其包含：

一个带有上述液体排放通道的液体分配喷嘴体和一个带有上述空气排放口的空气排放体。

14.根据权利要求13所述的喷嘴，其特征在于，上述空气排放体以环绕的关系连接着上述液体分配喷嘴体的液体排放通道。

15.根据权利要求13所述的喷嘴，还包含一个阀座，其位于上述液体分配喷嘴体中并用于与一个阀杆咬合和脱开，以分配上述排放的液滴。

16.一种用于增大一个粘性液滴与一个衬底之间的接触面积的方法，其采用了一个分配器，分配器具有一个与粘性液体源相通的喷嘴和一个与压缩空气源相通的空气排放通道，该方法包含：

将上述粘性液体从上述喷嘴分配到上述衬底上，以形成上述液滴与上述衬底之间的上述接触面积；以及

从上述空气排放通道中排放一股空气喷流，以撞击上述液滴并增大上述接触面积。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，排放上述空气喷流的步骤起始于分配上述液滴的步骤完成之前。

18.根据权利要求16所述的方法，还包含：

从上述空气排放通道中排放多个空气喷流，以撞击上述液滴并增大上述接触面积。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，多股空气喷流以不同压力排放。

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