CN1301052C - 助熔剂中污染物的过滤的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本文涉及一种两级过滤系统，该过滤系统与诸如反流焊接炉这样的装置相连。该过滤系统可抽取焊接炉中的气相物流，并可除去焊剂中挥发出来的有机化合物以及除去气相物流中的其他污染物。该过滤系统包括第一级和第二级过滤装置；其中第一级过滤装置可捕捉到较大的颗粒，第二级过滤装置由像钢珠这样的可湿润介质组成的填充层构成，第二级过滤装置可捕捉到更小的粒子，并可作为有机化合物的凝结核。第一级过滤装置可以是离心式的自清洁元件，该自清洁元件是过滤筛网，过滤筛网与驱动该过滤筛网转动的马达相连。

Description

助熔剂中污染物的过滤的设备和方法

发明背景

在制造电路板的过程中，电子元件的表面通常经过一种被称为反“反流焊接”的工艺过程固定到基板上。在典型的反流焊接过程中，一种焊膏附着在电路板上，一个或多个电子元件的导线插入到附着在电路板上的焊剂中。然后电路板穿过一种炉子，在炉子中的加热区，焊膏发生反流(即熔化)，然后在冷却区进行冷却，从而使电子元件的导线与电路板形成导电的机械连接。本发明中所使用的术语“电路板”包括任何类型的电子元件基板部件。

焊膏通常不只是含有焊剂，焊膏还含有助熔剂；助熔剂可促进焊剂的熔化，从而形成牢固的焊点。焊膏还可以含有其他的添加剂。当焊膏附着在电路板上之后，电路板通过传送带通过反流焊接机的多个加热区域。当焊膏熔化时，助熔剂及其他添加剂中的挥发性有机化合物(被称为“VOC”)便会挥发出来，并在反流焊接机中发生凝结。在许多反流焊接炉中，焊接是在惰性气体中进行的；其中惰性气体基本上由氮气组成，使用惰性气体可降低焊膏表面的氧化程度。

加热区域被分成多个不同的区域，其中包括预热区、均热区和热峰区。在预热区和均热区，产品被加热，助熔剂中的挥发性组分挥发到周围的气体中。热峰区的温度比预热区和均热区的温度高，焊膏正是在热峰区熔化的。反流焊接机可含有多个加热区域，这些加热区域可依所要焊接产品的不同而不同，不同的产品所需要的加热曲线也不同，焊接机可以根据不同的产品而进行灵活的设置，这样焊接机可处理不同的电路板。举例而言，当加工某种电路板时，焊接机可设有十个加热区；其中包括一个预热区，然后是7个均热区及2个热峰区；当加工另一种电路板时，焊接机可设有3个预热区、6个均热区及1个热峰区。在加热区之后可有一个或多个冷却区，在冷却区，焊剂固化在电路板的焊接区域上。

如果挥发出来的化合物从加热区域进入了冷却区，这些化合物通常会在冷却区中发生凝结，这些凝结物会影响冷却效果，并使加工过程出现问题。当使用不洁且具有增强印刷性能的焊膏时最易出现问题。这些焊膏使用粘度改性剂来实现优异的印刷性能。当粘度改性组分在冷却区域凝结时便会出现多种问题。从本质上讲，这些残留物是粘性液体，这些粘性液体可在诸如换热器这些冷却区域的表面上集结起来，并可从冷却区域的表面上滴落到焊接产品上。

除去这些挥发性有机化合物的已知方法通常是使用换热器对离开焊接室的热气体进行冷却，从而使气相流体中的有机化合物冷凝在换热器的表面上。然后在气体流返回到焊接室之前，使用凝液过滤器将冷凝液过滤掉。

发明内容

根据本文所述的方法及设备，在焊接操作过程中释放出来的挥发性有机化合物及其他污染物(比如颗粒)可使用两级过滤系统加以脱除。该过滤系统由两级过滤装置组成，第一级过滤装置可以滤除气相物流中较大一些的颗粒，第二级过滤装置由可湿润介质形成的填充层构成，第二级过滤装置可滤除更小的颗粒，并充当气相物流中有机化合物冷凝的核心。

当与反流焊接炉联合使用时，这种两级过滤系统的效果尤其明显。电路板经过加热的反流室，从而使电路板上的焊膏反流(既熔化)，在发流室中，助熔剂及其他添加剂中的有机化合物便会挥发出来。挥发出来的有机化合物充少有一部分从反流室流经第一级过滤装置而进入到第二级过滤装置中。

第一级过滤装置的作用是将来自于反流室的气体物流中的较大颗粒滤除掉。第二级过滤装置由可湿润介质组成的填充层构成，第二级过滤装置的作用是滤除更小的颗粒，同时作为挥发性有机化合物的凝结核心。

在本发明的某一实/施方案中，第一级过滤装置含有过滤筛网。第一级过滤装置可使用过滤筛网及其他过滤元件，这些过滤元件是离心式的自清洁元件。举例而言，这些过滤元件可以与驱动马达相连，驱动马达使过滤元件发生旋转，从而利用离心力将过滤下来的污染物从过滤表面上清除掉。

本发明的某些实施方案具备以下某些或全部优势。第一，该过滤系统具有较高的收集效率，这样就减小了污染物在焊接炉中的累积，从而降低了焊接炉元件受到损害的可能性。第二，该过滤系统在不使用诸如换热器这样的有效冷却设备的情况下可以有效地除掉颗粒和挥发出来的污染物。因此，该过滤系统比目前已知的系统更加节能，并使对设备的需求降到了最低程度(如排放装置、冷却水、压缩气体等)。第三，第一级过滤装置所用的离心式自清洁过滤元件可在没有辅助机械及人员操作的情况下自行进行清洁，同时不会对过滤过程形成干扰。第四，与完全依靠冷凝过程的系统不同，本文所说明的系统还可以除去气体物流中夹带的固定颗粒。第五，由于无需实际的冷却措施，过滤系统可在较高的温度上操作，因此过滤系统收集到的污染物的粘度保持在较低的水平上，这样污染物就很容易滴落到污染物排放瓶中。第六，该过滤系统总体结构简单、效率较高，这样降低了系统的维护成本以及系统停工所带来的生产损失。

附图说明

图1是示意图，该图表明了与反流焊接炉相连的两级过滤系统。

图2表明的是本发明某一实施方案中两级过滤系统在截取一部分后的透视图。

图3表明的是从另一角度观察图2中过滤系统的透视图。

图4表明的是气体物流流经图2及图3所示过滤系统第二级过滤装置中填充层的路线。

图5表明的是从气体物流中脱除的污染物在图4所示的可湿润钢珠上形成的液膜。

图6表明的是由图5所示的污染物液膜所形成的液滴。

具体实施方式

通过以下更具体的说明可以清楚地表明本文前面所述的本发明特点及优势，同时也清楚表明了本文发明的其他特点及优势。在本文所附的图示中，不同图形中相同的参照字符代表相同或类似的部件。本文所附的图形并不一定是按比例绘制的，为了表明下面将要讨论的某些特殊原理，本文所附的图示中进行了放大和强调处理。

本文下面的说明主要与两极过滤系统的应用有关，该两级过滤系统与反流焊接机相连。虽然该两级过滤系统在反流焊接方面特别有用，但这种两级过滤系统也可以应用于其他方面。在电路板装配方面，该两级过滤系统还可用来过滤其他类型焊接设备释放出来的类似残余物，例如过滤微波焊接装置释放出来的助熔剂残余物。

焊膏通常用于电路板的装配过程，在装配过程中，焊膏被用来将电子元件与电路板结合在一起。焊膏包括焊剂和助熔剂；焊剂的用途是使电子元件与电路板结合在一起，助熔剂的用途是为焊剂附着准备金属表面。涂刷器挤压焊膏使其通过位于电路板上的金属漏印板，从而使焊膏附着在电路板上。电子元件的导线与焊膏附着点相对齐，并被压入到焊膏中，从而形成组装单元。在反流焊接过程中，焊剂反流后被冷却，从而使电子元件与电路板形成永久性的机械导电连接。焊剂通常含有一种合金，该合金的熔点要比所焊接金属表面的熔点低。这种合金通常为铅-锡合金。

助熔剂通常含有赋形剂、助熔剂、活化剂及其他添加剂。赋形剂是一种固体或不可挥发的液体，赋形剂涂在被焊接的表面上。赋形剂可含有松香、树脂、乙醇、聚乙二醇、聚乙二醇表面活性剂以及甘油。助熔剂的用途是熔解赋形剂，活化剂及其他添加剂，在预热及焊接过程中，助熔剂会挥发。典型的助熔剂包括乙醇、乙二醇、乙二醇酯和/或乙二醇醚。活化剂有助于清除焊接表面上的金属氧化物。普通的活化剂包括氢氯化铵，诸如乙二酸或丁二酸这样的二羧酸以及像柠檬酸、苹果酸或松香酸这样的有机酸。其他的助熔剂添加剂可以包括表面活性剂，粘度改性剂以及塌陷系数低、附着性能好的添加剂，这些添加剂在焊膏反流前可将电子元件保持在其原有位置上。

图1表明了反流焊接装置10的某一实施方案，该焊接装置用于电路板组装单元的焊接过程。焊接装置10包括一个由绝热通道11构成的腔室，该绝热通道11由预热、反流和冷却段构成。绝热通道11包括多个加热区域，这些加热区域包括2个预热区12，3个均热区13；每个加热域都含有顶部和底部加热单元16。均热区13后面跟着2个热峰区18，热峰区同样包括加热单元。最后，在热峰区18后面的是2个冷却区20。

电路板组装单元22包括附着在电路板上的焊接剂和电子元件，电路板组装单元22在速度固定的传送带26上经过绝热通道11的每个区域12、13、18和20。因此，电路板组装单元22可进行受控且逐步的预热、反流及反流后的冷却过程。加热单元14、16例如可以是电阻加热器，加热单元14、16通过对流方式对电路板组装单元22进行加热。在最初的预热区12中，电路板从环境温度被加热到助熔剂活化温度，这一温度的范围约在130℃至150℃之间。

在均热区13中，电路板组装单元22的温度变化是平稳的，在反流前，活化的助熔剂有时间对电子元件的导线、焊接点及焊接粉料进行清洁。此外，助熔剂中的挥发性组份在均热区域13中挥发出来。均热区13的温度通常约在140℃至160℃之间，电路板组装单元22在大约20至45秒的时间内穿过均热区13。

在热峰区18中，温度很快升到焊剂的熔化温度之上，从而使焊剂发生熔化。铅-锡共晶体或近似共晶体焊剂的熔点温度约为183℃，反流的峰值温度通常被设定为比熔点温度高出约25℃至50℃，高出的温度足以消除焊剂熔化时所产生的滞流状态。热峰区18的最高温度通常在约200℃至220℃之间。当温度高于约225℃时，可造成助熔剂的烧固，这样会损件电子元件和/或影响焊点的一体性。而温度低于约200℃时，焊点又不会形成充分的反流。电路板组装单元22在高于反流温度下停留的时间约为1分钟。

最后，在冷却区20中，温度降至反流温度之下，电路板组装单元22得到足够的冷却，从而使焊点固化，这样可在电路板组装单元22在离开通道11前保持焊点的完整性。

图1中表明了进气导管28，进气导管28位于第二预热区12和第一均热区13之间，然后穿过过滤系统30与出气导管32相连。出气导管32位于第一和第二预热区12之间，并与通道11相通。在操作过程中，气体物流经过进气导管28从通道11中被抽出，在经过过滤系统30后，再经出气导管32流回到通道11中。在第一和第三均热区13之间及第一和第二热峰区18之间也存在有类似的进气导管28、过滤系统30及出气导管32这些结构，这些类似的结构将气体从通道11中抽出，经过过滤后再送回到通道11中。

过滤系统30并不依靠有效的冷却措施将挥发出来的有机化合物冷凝下来；事实上，过滤系统30可完全不需像换热器这样的有效冷却设施。因此，本发明可将从通道11不同位置抽出的不同温度的气体物流分送到不同的过滤系统30中，这是本发明的一项优势。举例而言，如果从热峰区18抽出的高温气体在过滤系统30中与从预热区12或均热区13中抽出的低温气体发生混合，则凝结下来的废液以及从低温气体过滤下来的废液便会被高温气体物流重新气化，这样便降低过滤系统30效率。图1所示的3个过滤系统30可相应地为通道11的3个不同区域提供单独的过滤过程。从通道11的不同区域抽取气体还可滤除更多的污染物，因为通道11中的每个区域的温度均单独地加以控制，而且不同的区域会挥发出不同的焊膏组份。

如图2和图3所示，每套过滤系统30均包括第一级过滤装置34和第二级过滤装置36。本发明提供鼓风机38和鼓风机室40，这样可使气体从进气导管28经第一级过滤装置34、连接导管43、第二级过滤装置36，并最终经出气导管32返回到通道11中，从而形成气体循环。鼓风机38可以与反流焊接设备10腔室所用的对流鼓风机相似；例如该鼓风机提供的流量可为25标准立方英尺/分钟(0.7标准立方米/分钟)。气体导管可由不锈钢制成，且气体导管可使导管壁上收集到的液膜滴入到第一级和第二级过滤装置的腔室42和44中。

在第一级过滤装置34中，气体物流会进入到腔室42中，这样气体物流就不会只直接触及到滤网46的一小部分。在过滤系统中，进气导管28将气体物流沿近似于与腔室42垂直的方向上直接引入到腔室42中，这样可造成近乎均匀的加热，同时可收集到气体物流中的污染物。当气体物流进入腔室42中时，气体物流会膨胀并使腔室的压力上升，这样会使挥发出来的有机化合物凝结成液滴，较大一些的液滴便会从气体物流中滴落下来。进入腔室42的气体物流中剩余部分通过滤网46。在本发明的某一实施方案中，滤网46是折叠的钢网，该钢网的孔径为74μm(200目)或更小，且钢网带有卷边。滤网46孔径的大小可依据滤网清洁的时间间隔而变，滤网清洁得越勤，孔径可以越小。液压流体过滤中经常使用的微孔滤布可用作为滤网46。

过滤器46可以是圆柱形的，气体物流从外部进入到圆柱形过滤器的内部。当对来自于反流焊接炉通道11的气体物流进行过滤时，过滤器46会捕集到气体物流中夹带的颗粒；尤其是金属颗粒、树脂颗粒以及松香颗粒。气体物流然后经连接导管43被抽出第一级过滤器，而固体颗粒被留在了过滤器46的外表面上。第一级过滤装置34消除了高粘性残余物的积累，这些残余物很难在过滤系统的下游被清除掉。

过滤器46是通过离心方式进行自清洁的。旋转马达48与过滤器46相连，该马达可定期使过滤器46绕其轴向产生旋转。旋转的速度可使过滤下来的物体产生足够的离心力，这一离心力超过了过滤下来的物质对过滤器46表面的附着力，从而使过滤下来的物质甩向了腔室42的四壁。由于过滤系统30没有使用有效的冷却设备(即没有换热器)，所以附着在腔室42四壁上的液体的粘度较低，这样就使液体沿四壁向下流动，并且进入到位于腔室底部的排放瓶50中。在排放瓶50上有一个开关(在第二级过滤装置36的排放瓶50上也有相同的开关)，该开关用来提示在必要时对排放瓶进行更换。

驱动马达48也可以与某一开关相连，该开关用于检测过滤系统30中的气相压力或气相流量。如果测量到的气相压力高于某一阈值，或气相流量太低，则这一开关会使马达48启动。过滤器的清洁过程可以在过滤系统30处于相对较高的压力下进行，从而减低污染物的粘度。这样，在过滤器46旋转时，污染物可以容易地从过滤器46上脱离下来。

连接导管43通过轴承52与第一级过滤装置42中过滤器46的基座相连；轴承52包括止推轴承、滚珠轴承和轴承座，轴承52的这种结构可在过滤46旋转的同时使连接导管43保持固定不动。

第二级过滤装置36可滤除更小一些的颗粒，并可作为有机化合物的结晶核。气体物流通过连接导管43进入第二级过滤装置36。连接导管43插入到第二级过滤装置36的腔室44中，并止于开孔盘54。开孔板54还对可湿润介质56形成的填充层形成支撑作用，可湿润介质56分布在连接导管43下端的周围。气体物流经过开孔板54流出连接导管43。当气体物流进入腔室44的下部时，气体物流发生膨胀，这会造成较小液滴数量的增加，重量轻的液滴由乙醇和助熔剂组成。气体物流然后向回流动，穿过开孔板54后再向上流动穿过由可湿润介质56形成的填充层。

对于气体物流中的液相污染物而言，这里的介质是“可湿润的”。如果污染物的液滴在碰撞介质表面后能够附着在介质的表面并能在介质表面上分散开来，则介质被认为可被污染物所“湿润”。相反的是，如果一种材料是不可湿润的，则液滴在碰撞该材料的表面后会反弹出去。本文中的介质是圆球状的填充层，该填充层具有很大的可湿润表面面积，气体物流穿过填充层的通道弯弯曲曲。在本发明的某一实施方案中，填充层的介质由钢质材料构成(如由不锈钢材料构成)，但如果具有可湿润的表面并能够承受气体物流的高温，则其他诸如硅硼玻璃这样材料也可以用作为填充层介质。

在本发明的某一具体实施方案中，填充层由直径为6/15英寸(约8毫米)厚度约为2英寸(约5厘米)的钢珠构成。增加床层的厚度可以改善过滤效果，但填充层层的压降也会增大。钢珠具有清洁的表面，无需在钢珠的表面上涂一层复合化合物来吸收气体物流中的污染物。

图4表明了气体物流穿过钢珠60所构成的填充层时所流径的路线58。在气体物流穿过填充层的过程中，气体物流中的污染物与可湿润的钢珠60发生多次碰撞，这样就增加了气体物流中凝结下来的有机化合物聚集在钢珠60表面上的可能性。在开始时，如图5所示，液滴通过在钢珠表面的非均相凝结过程而形成有机化合物的凝结膜62。当凝结膜62发生扩散并覆盖了钢珠60时，有机化合物的凝结过程变为均相凝结过程，有机化合物开始形成液滴64。

在重力作用下，当重力超过附着力时，钢珠60上的液膜62至少会形成一个液滴，液滴64脱离液膜62并落入腔室44的底部，然后进入到排放瓶50中。由于第一级过滤装置滤除了较重的颗粒，所以第二级过滤装置所收集到的液体粘度很低，其粘度大致与水的粘度相仿，所以在钢珠60上，除了最初形成的液膜62外，残余物及液体不会出现连续的累积现象。

在流经填充层56后，气体物流从腔室44的顶部经出气导管32离开过滤系统30。出气导管32连接回通道11，气体物流由此重新进入焊接机的腔室中。一部分离开过滤系统的气体物流经循环旁路返回到气导管28，在此循环气体物流与新进入的气体的物流相混合，并流过第一级过滤装置34和第二级过滤装置36。重复穿过过滤系统30提高了收集效率。在本发明的某一实施方案中，循环旁路66将流过过滤系统约50％的气体物流送回到第一级过滤装置34，从而使这些气体物流再次流过第一级过滤装置34和第二级过滤装置36。

根据这种方式，第一级过滤装置34、第二级过滤装置36以及过滤系统30中的其他部分共同作用，在不使用有效冷却措施的情况下，将反流焊接炉中焊膏释放出的挥发性有机化合物及其他污染物过滤了下来。由于从通道11的加热区域12、13、18中脱除了挥发性有机化合物及其他污染物，所以电路板组装单元22在挥发性有机化合物及其他污染物浓度较低的条件下，由传送带26送入到冷却区20，这样就降低了电路板组装单元22在通道11内由于污染物及残余物累积而对其造成损坏的可能性。

虽然本发明是结合具体实施方案而进行说明的，但本领域的技术人员十分清楚，在不脱离本发明范围的前提下，可以对本发明的形式及细节进行各种各样的修改。本发明的范围只限定于权利要求书。

Claims (26)

1.一种将电子元件与电路板焊接在一起的反流设备，该设备包括：

反流室；

在反流室内输送电路板的传送带；

至少一个加热单元，该加热单元对电路板上的反流焊剂进行加热；

至少一套滤除污染物的两级过滤系统，该过滤系统与反流室相连，从而形成了气体物流从反流室穿过过滤系统的通道，其中过滤系统包括：

第一级过滤装置包括腔室以及安装在腔室内部的滤网，所述滤网用于滤除较大的颗粒；以及

第二级过滤装置包括由可湿润介质构成的填充层，所述填充层用于滤除较小颗粒并充当有机化合物凝结成核。

2.权利要求1中的反流设备还包括排放瓶，该排放瓶与每级过滤装置相连，其用途是收集过滤下来的颗粒。

3.如权利要求1中的反流设备，其中滤网由钢质材料制成。

4.如权利要求1中的反流设备，其中滤网是离心式自清洁元件的一部分。

5.如权利要求4中的反流设备，其中滤网与马达耦合，该马达使滤网发生旋转。

6.如权利要求5中的反流设备，其中还包括某一开关，该开关用于测定过滤系统中的气相压力或流量，其中该开关与驱动滤网旋转的马达相连。

7.如权利要求1中的反流设备，其中可湿润介质是球形介质。

8.如权利要求7中的反流设备，其中可湿润介质不含吸收气体的特殊涂层。

9.如权利要求8中的反流设备，其中可湿润介质是由钢质材料制成的。

10.权利要求1中的反流设备还包括循环旁路，该循环旁路将已流过第一、第二级过滤装置的气体物流再送回到第一级过滤装置中。

11.如权利要求1中的反流设备，其中过滤系统不含对气体物流进行冷却的有效冷却机制。

12.如权利要求1中的反流设备，其中两个以上的两级过滤系统在不同的位置与反流室相连，从而对不同温度的气体物流进行过滤。

13.一种从反流炉中除去挥发出来的污染物的方法，该方法包括：

从反流炉中抽取含有气化助熔剂组份的气体物流；

使该气体物流通过包括腔室以及安装在腔室内部的滤网的第一级过滤装置，其中滤网可将气体物流中较大的颗粒滤除；

然后使气体物流通过第二级过滤装置，第二级过滤装置含有可湿润介质构成的填充层，这些可湿润介质作为气体物流中有机化合物的凝结核心。

14.如权利要求13中的方法，其中可湿润介质构成的填充层通过有机化合物在可湿润介质表面的凝结过程来滤除气体物流中的有机化合物。

15.如权利要求14中的方法，其中凝结在可湿润介质表面上的有机化合物形成一层液膜，该液膜可从可湿润介质上流下来，从而使可湿润介质成为自清洁介质。

16.如权利要求15中的方法，其中可湿润介质是球形介质。

17.如权利要求13中的方法，其中气体物流在进入第一级过滤装置的腔室时发生膨胀，从而使气体凝结为液滴。

18.如权利要求17中的方法，其中气体物流在穿过滤网后并在穿过可湿润介质构成的填充层前再次发生膨胀。

19.如权利要求13中的方法，还包括用于滤除较小颗粒的第二级过滤装置，使滤网产生旋转从而甩掉附着在滤网上的颗粒。

20.权利要求13中的方法还包括将一部分已流过第一、二级过滤装置的气体物流送回到第一级过滤装置中。

21.如权利要求13中的方法，其中气体物流并未经过有效冷却。

22.一种将电子元件焊接到电路板上的焊接设备，该设备包括：

焊接炉；

在焊接炉内支撑电路板的支撑结构；

至少一个加热单元，该加热单元对焊接炉内的电路板进行加热；

至少一套对污染物进行滤除的两级过滤系统，该过滤系统可以从焊接炉内抽取气体物流，该过滤系统包括：

用于滤除较大的颗粒的第一级过滤装置，该第一级过滤装置包括腔室以及安装在腔室内部的滤网；

用于滤除较小颗粒的第二级过滤装置，第二级过滤装置含有由可湿润介质构成的填充层，可湿润介质作为气体物流中有机化合物的凝结核心。

23.如权利要求22中的焊接设备，其中第一级过滤装置含有离心式自清洁单元。

24.如权利要求23中的焊接设备，其中所述离心式自清洁单元包括马达和过滤器，所述马达与过滤器连接并驱动过滤器旋转。

25.如权利要求24中的焊接设备，还包括一个开关，该开关测量过滤系统中的气相压力或流量，该开关与驱动过滤器旋转的马达相连。

26.如权利要求22中的焊接设备，其中该过滤系统不含对气相物流进行冷却的有效冷却机制。

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