钎焊的制作方法

专利名称：钎焊的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钎焊方法及装置，特别是有关制造电路板的钎焊方法及装置。
制造电路板是众所周知的工业作业。一般是向一块板上印刷电路，在选好的位置处钻孔以便让预定的电路元件插入其中并被焊到电路板上的导电体上。焊接操作一般是自动或半自动地完成的。电路板被依次放在输送机上该输送机载着电路板前进，穿过罩住钎焊站的长焊室。当电路板被送过焊室时进行钎焊。
有两种主要的工业钎焊方法回流钎焊和波峰钎焊。在回流钎焊中，小型电子元件平装在印刷电路板上，乳状或膏状的粘稠钎料已事先通过诸如网板印刷、模板印刷或分配的方式涂在电路板上。而后对印刷电路板施加足够高的温度，通常比钎料合金的熔点或液化点高出50℃，以使合金液化并与元件接触。这样一旦上述印刷电路板随后得到冷却，元件便被钎料牢固地固定在电路板上。热量可以通过诸如红外辐射、蒸汽、加热输送带或者对流传热装置供给。钎料传统上包括一种粉状软金属合金，弥散于液体介质中。该介质中包括一种焊剂、一种有机溶剂和一种浓化剂，将它们有选择地按所需要的稠度进行混合。
波峰钎焊不同于回流钎焊，其钎料不是在电路板被送过钎焊室之前供至板上的，而是在该钎焊室内设置一个盛有熔融钎料的容器，并且设置成与一台泵相连，以便产生一个或多个钎料波。电路板被依次送过焊室并通过与一个或多个钎料波之间保持一定位置关系，使得适当量的钎料按需要涂于元件上，并且通过冷却形成合适的焊接连接。板上一般要预先在所需位置涂上一层熔剂，以便使钎料能够附着在这些位置处的表面上。
近年来，人们把很多研究及发展的焦点集中在优化形成钎焊连接的气氛上。例如，在传统的波峰钎焊中，当熔融的钎料暴露在氧分子中时，钎料便会被氧化。氧化了的钎料会形成一个表面氧化层，该表面层在电路板通过钎焊室之前一般用涂在电路板上的焊剂除去。除去氧化层就能使准备钎焊的元件浸湿。由于钎料波具有一个不断破裂的熔融钎料表面层，因此氧化物和钎料的残渣，通称焊渣便被收容在盛钎料的容器中。焊渣的产生会因钎料的损失以及需要加强维护而大大增加波峰钎焊工艺成本。例如它需要一次又一次地将焊渣从容器中除去，并需要修复由于焊渣的磨损而损坏的波峰钎焊装置的机械部分。另外，如果钎料中带有有毒元素，如铅，焊渣本身还会损害健康。
人们因此提出用一种气氛将钎料波的整个表面覆盖起来，该气氛与钎料间的反应不如空气活泼。然而，在该领域中有很多说法要求在钎焊气氛中有氧气存在。特别是美国专利US4610391涉及了一种在主要含有空气的气氛中对工件进行波峰钎焊的工艺改进，其中(Ⅰ)它具有一第一钎料波部分，其流体运动可被观察到该部分包括一个活性焊渣形成区域;(Ⅱ)它具有一第二钎料波部分，它是钎料波最后与工件进行接融的部分。其改进包括将至少50%的活性焊渣形成区域的气氛改为惰性气体，但阻止与第二部分表面接融的气氛变成惰性的。这样就用到了两种气体扩散器。第一气体扩散器朝钎料波的前部供给惰性气体，如氮气。第二气体扩散器朝着波的后部供给混合气，一般要包括18-50%体积比的氧气(其余一般为氮气)。
在EP-A-3610507中公开的是在有钎焊剂时，最好将钎料波周围氧保持在百万分之10，000到20，000体积的范围内。而EP-A-O 330867公开的是在波峰钎焊工艺中该氧气的体积浓度可低至百万分之10，它使用了不用对电路板或其它元件做预先上熔剂的处理的工艺。
EP-A-389218公开了一种在低氧化气氛中进行回流钎焊的工艺，最好是一种含氧量不高于百万分之1500体积浓度的气氛。
在EP-A-0330867A中没有接受这一说法，认为当钎焊气氛包含有百万分之10体积浓度的氧的条件下仍可进行波峰钎焊，而不必对印刷电路板进行焊剂预处理。但生产厂家仍然喜欢在电路板上进行焊剂预处理。原因有两条，第一，即使用一个基本上纯净的氮气源(所含氧的体积浓度不大于百万分之5)形成钎焊气氛，也很难可靠及反复地在钎焊室中保持一个含氧量低于百万分之10体积浓度的气氛;第二，即使在低氧环境中也仍可发现一些焊渣形成。
虽然钎焊剂可以应付钎焊气氛中氧的存在，但是我们仍相信需要减少侵入钎焊气氛中的空气。在钎焊室的入口及出口设置防护屏以限制空气的进入是公知的。当氮气供入焊室内部时，这种防护屏形成了一种对进入的空气的自然屏障。每个防护屏一般由一系列橡胶线或橡胶丝、薄金属片或玻璃纤维构成。防护屏一般全部封装住钎焊室的入口和出口，但可以随电路板的进入而移开以便让其进出钎焊室。我们惊奇地发现，即使防护屏重量很轻，它们与进入钎焊室的电路板之间的接触也足以移动一些元件，从而损害它们的焊接质量并进而损害完成后的电路板的质量。通过取消防护屏并增加用以形成钎焊气氛的氮气流量虽然可以解决上述问题，但是若要求在钎焊气氛中保持低的氧气浓度，这种作法将会导致人们不希望的极高的氮气消耗。我们进一步相信，即使电路板预先进行了焊剂处理也需要在钎焊气氛中保持氧气的低浓度。
因此，在本领域中需要一种改进的钎焊方法及装置，它有助于只含低浓度氧气的钎焊气氛的形成，却能够解决传统防护屏产生的上述问题。本发明的目的便是满足这种需要。
本发明提供了一种钎焊方法，包括以下步骤将要焊接的电路板(或其它工件)送过一个带有入口和出口的钎焊室;将非氧化性气体供入钎焊室以在其中形成一个相对无氧化作用的焊接气氛;在钎焊室的入口和出口处设置活门或防护屏，其特征是电路板(或其它工件)通过入口送入钎焊室时与该处设置的活门或防护屏不发生接触。
本发明也提供了一种钎焊装置，包括一个具有一入口和一出口的钎焊室;一台将要焊的电路板送过该室的输送机;一个非氧化性气体的入口，从而可在靠近进行钎焊作出的区域形成相对无氧化的气氛;一活门或防护屏位于钎焊室的出口处，而一活门或防护屏位于钎焊室的入口处，活门或防护屏设置成限制空气侵入钎焊室的形式，其特征在于钎焊室入口处的活门或防护屏所具有的形状或能够进行的操作应使它们在使用时保证要焊接的电路板或其它工件进入钎焊室时不与入口处活门或防护屏接触。
术语“相对无氧化的气氛”的意思是指一种对钎料的氧化作用较空气小的气氛。该相对无氧化气氛最好含氧量不多于百万分之200体积浓度。这里使用的术语“非氧化性气体”的意思是指一种含有杂质氧的浓度低于相对无氧化的气氛的气体或气体混合物。
本发明的方法及装置，特别适合用于波峰钎焊，特别是当电路板包含有预先用回流钎焊法加工好的焊接连接时更加适用，但是也适用于回流钎焊。
钎焊室进口处的活门与进入焊室的电路板间的接融可以通过本发明的装置得到避免，该装置具有一个检测将要进入焊室的电路板位置的装置。该装置可操作地与抬起或以其它方式开启活门的装置相连系以保证电路板进入时不与活门接融，以及在电路板一旦通过活门后立即降下(或以其它方式关闭)活门的装置。
然而，最好是将焊室入口处的活门或防护屏的底缘制成通常与组装后要施焊的电路板的轮廓(即正视图)互补的形状，这样电路板便可以从其底缘穿过而不碰到活门或防护屏。焊室入口处的防护屏或活门的位置及高度最好使得成形的底缘与组装后电路板的间隙小于5mm。这样，从底缘下面侵入焊室中的空气流量就会比在入口处不装活门或防护屏的要低。从而在向波峰钎焊装置焊室中的电路板上提供的钎料周围的气氛可以保持低浓度的氧气，而不需要向焊室输入过量氮气或其它非氧化性气体。本发明的波峰钎焊最好是在电路板送入焊室之前，在每块电路板要施以焊接的地方涂以钎焊剂，可以采用传统的钎焊剂(例如MULTICORE焊剂)，并可采用传统技术涂敷。即使涂上了这样的焊剂，焊室中所产生的钎料波周围氧的体积浓度最好也要保持在低于百万分之100，甚至百万分之50的程度。为了在钎焊的区域达到氧的这一低浓度，就需要使用适当的高纯度氮气源。现代工业上从空气中精馏氮气的分离厂生产出的产品所含的氧气杂质所占体积量不多于百万分之5，适合于用作本发明方法中的氮气源。
通过采用本发明的用氮气作为非氧化性气体的方法，我们实现了在钎料波区域含氧量体积低于百万分之50的气氛，氮气的总流量每小时不大于250个焊室容积。
虽然非氧化气体最好为氮气，但也可以使用惰性气体，例如氩气。在焊接温度(一般低于250℃)下的另一种非氧化性气体是二氧化碳。
输入钎焊室钎料波周围的所需非氧化气体应具有不会损害焊接连接的形成的不高的流速，因此这些非氧化性气体最好通过一个带有很多微小气体分配孔的扩散器输入。
非氧化气体可以从与供入的钎料周围相间隔的位置输入焊室。若想要在钎料波周围保持很低浓度的氧气，如低于百万分之40体积，那么就要在焊室邻近活门或防护屏入口及邻近它们的出口活门或防护屏处输入非气化性气体。再有，我们惊奇地发现在工业上的波峰钎焊装置中，当每个电路板离开焊炉时，仍有一些焊接连接没有完全固化。因而如果在元件与活门或防护屏之间存在实体接触，那么在每块板通过出口活门或防护屏时元件便会被移动。有两种解决这一问题的可供选择的方案，第一种是防止在活门或防护屏与离开焊室的每块电路板之间产生接触。因此出口处的活门或防护屏便要布置成与入口处的活门或入口处的活门或防护屏相同的形式。另一种是将非氧化性气体如氮气的气流直接吹向钎焊后的连接部分以便在焊料波与出口之间的焊室区域提供附加的冷却。
可以通过较简单的改动，包括安装合适的防护屏将传统的钎焊室改用在本发明的方法中。
本发明的方法及装置可以形成坚固的钎焊连接并且仅伴随有很少的焊渣形成。
根据本发明的方法及装置将结合附图所示的实施例详细进行说明，其中

图1A-1E是描述用于波峰钎焊的电路板的制备简图;
图2是本发明的波峰钎焊装置的侧视简图;
图3是用在图2所示装置中的一个防护屏的正视简图;
图4是用在图2所示装置中的一个气体分配器的简图(仰视);
图5是表示沿着钎焊室部分长度的氧气浓度变化曲线图;
图6和7是表示电路板送过钎焊室时安置在电路板上元件的温度变化;
图8所示是图3所示防护屏的一个替代方案。
附图未按比例绘制。
参见附图，图1A中显示了一块可采用来制做电路板的基板2，该基板2是由绝缘材料，例如玻璃纤维、浸渍酚醛树脂的纸制成。
参见图1B，在基板2上需要插入电气元件的地方钻上孔4。而后在基板2上覆以铜片，为需形成的电路提供相应的导体(见图1C)。具体地说，铜片6应穿过每个孔4并位于其周围。而后在铜片6的表面涂上适当的钎焊剂(例如TAMURA或者MULTICORE焊剂)。然后电气元件，例如电阻、电容和/或电感如图10所示插入并穿过孔4。组装后的电路板再进行波峰钎焊，以便在位置10处形成焊接连接，如图1E所示。
如图1E所示的电路板的波峰钎焊是在如图2所示的装置中进行的。该典型的装置包括一台可买到的传统波峰钎焊机，例如商标为EUROPAK的钎焊机，并对它作了某些改造，包括在入口和出口处设置防护屏以及设置将氮气供入钎焊室的装置。
参见图2，所述焊接装置20包括一台输送机22，用以将组装好的电路板(图2中未示出)送过钎焊室24。其设置使得钎料的一个波峰能够浸湿元件与电路板之间的接点，从而钎料固化后形成持久的连接。任何传统钎料均可使用。典型的钎料包括锡铅合金(例如市售的商标为MULICORE Non Eutectic的钎料)。波峰26通过适当的泵装置28形成，而该装置最好是设置在盛有一定量的熔融钎料的容器30里。加热装置(未示出)可设置在容器30中以保持钎料处于熔融状态。泵送装置28可以是阿基米德螺杆式泵。
气体分配器32和34安置在钎焊室24中，以在波峰的周围形成无氧化气氛。分配器32是一个长的在室24中延伸的中空件，通常与其纵轴线垂直，并且具有一个由多孔材料构成的下表面，从气源供入的非氧化性气体，例如氮气，可通过它，进行扩散。分配器32一般位于钎料波26前部上方。分配器34则最好也是长的中空件。如图4所示，在其下表面36上具有一排气体分配孔38。分配器34位于钎料波26的后方且孔38在和电路板穿过其下部时面向电路板。运转中，分配器32和34均与非氧化性气体例如氮气源相连通，并能将氮气供入室24的内部，帮助在钎料波26周围形成相对无氧化气氛。另外，分配器34将非氧化性气流沿下游方向吹向焊后的元件以帮助冷却这些元件。分配器34如图2所示被设置在钎料波26和室24的出口23中间。分配器34也可以设置在钎料波26的上部。
为了限制空气通过入口21和出口23进入焊室24，在入口21处提供了一个防护屏40。并在出口23处提供了一个防护屏41。防护屏40如附图3所示，包括一块薄板或薄片42，它带有与其上缘44相邻的孔46，以便其能够用螺栓固定在入口21处的室24前面。下缘48与要进行焊接的电路板的正视图互补。防护屏40的高度选择成使得底缘48与元件之间的间隙不大于3mm。因而从底缘48进入到室24中的空气流量远低于在入口处没有任何防护屏时的流量。为了形成板42的成形底缘，电路板的正视图可按比例绘制出来，并用绘制好的图案做样板，将金属或非金属材料的板剪切成形。
防护屏40最好是可从室24上方便拆下的。这在一批大量生产的电路板具有相同的第一种外部形状，而另一批大量生产的电路板又具有与之不同的外部形状时所希望的。不同的防护屏21具有与每一轮生产的产品相适应的成形底缘48(见图3)，防护屏随产品轮次的变化而更换。
防护屏41如图2所示可以是传统形式，由纤维或弹性材料制成的丝或线构成，或者如上述图3所示的形式。如果需要可以在出口23处设置多个这样的防护屏。
工作时，为了给装置20的钎焊作业做准备，容器31一次注入熔融的焊料(或者就地熔化的焊料)，而室24用分配器32和34输入氮气进行净化，输气时间足以将其中氧的浓度降到预定的低值。而后启动泵28以产生波峰26并开动输送机。要焊的电路板再按顺序置于输送带上并被送过钎焊室24。每个电路板依次与波峰26进行适当的钎焊接触，从而形成所需的钎焊连接。这种连接通过由分配器34供入的氮气冷却，在电路板离开室24出口23前已得到固化。氮气从一个位于室24之外的气源供入分配器32和34中。气源最好是一个真空隔绝的容器，充满了含氧量小于百万分之5体积的液态氮。该容器装有一个蒸发器，以便在液氮通过时将其汽化。
在室24的入口处使用如图3所示形式的防护屏并以每分钟517升的总流量将氮气充入室24时就能够实现在波峰26周围的含氧量低于50ppm的目标。室24具有一个大约为5立方英尺的自由空间。
按照本发明的方法及装置减少室24中含氧量的效果从图5所绘制的曲线图中反映出来。在该曲线图中，离开入口21的距离在横座标上表示，百万分率体积含氧量由曲线图的纵座标表示。图中曲线B显示出了室24的入口21处未装防护屏时的工作状况。曲线A显示出了室24的入口21处设置了图3所示形式防护屏时所得的结果。可以看出，按本发明工作的焊室例如在距离入口21四英尺处，含氧量体积低于百万分之50，而在去掉防护屏时，含氧量体积则高达百万分之200。
图2所示装置在工作中分配器34冷却钎焊后元件的效果由图6和7显示出来。在图6和7的曲线中，时间由横座标表示，温度由纵座标表示。图6表示元件穿过一台如图2所示类型的装置时元件的温度，两分配器32和34采用的均是从多孔表面向室24中扩散氮气的那种类型。元件在出口防护屏处的温度为200℃。钎料在183℃-188℃的范围熔化。因而，钎料在电路板离开装置前没有充分凝固，这样就存在元件由于碰到出口23处的传统防护屏而被移动的危险。为了解决这一问题，可以在出口23处象在入口21处那样也设置一块如图3所示形式的防护屏。如图4所示形式的分配器34则可用来直接向在室中钎料波26和出口23之间刚焊好的元件吹出氮气。其工作情况显示在图7中。所测得的焊后元件在出口处的温度为162℃，即低于钎料熔化的温度范围。这表明用冷却氮气流降低焊后元件的温度非常有效。
各种附加及改进方案也可用于上述本发明的焊接方法及装置上。例如，在炉的进口21和/或出口23处不用单片防护层40而是采用一组间隔设置的防护屏40，每个均具有图3所示的形式。再有，如图8所示，氮气或其它非氧化性气体可以通过位于一对防护屏40之间的分配器50供入。用这种防护屏装置还可能在焊料波26周围更进一步降低氧的含量。另一种附加或选择的可能是在炉上安装活门，以在装置处于待料期间完全防止空气的进入。例如活门可设于焊接室内部(一个升高的位置)允许电路板从而下方通过，而在非加工期间可以向下摆动密封往钎焊室。在更进一步的改进方案中，如果输送机22下侧与室24之间的密封在进口21或出口23处或两处都不充分，可以在这些位置设置适当的密封条或其它装置，以便在焊接期间进一步减少进入室24中的空气量。
权利要求
1.一种钎焊方法，包括以下步骤将要焊接的电路板(或其它工件)送过一个带有入口及出口的钎焊室；将非氧化性气体输入钎焊室以在其中形成一个相对无氧化性的钎焊气氛；在该室的入口和出口处设置活门或防护屏，其特征在于电路板(或其它工件)通过入口送入钎焊室时与该处设置的活门或防护屏不发生接触。
2.如权利要求1所述的钎焊方法是波峰钎焊法，其特征在于所述钎焊室入口处的活门可以开启和关闭，以使每块电路板依次通过而不与其发生接触。
3.如权利要求1所述的钎焊方法是波峰钎焊法，其特征在于活门或防护屏的底缘制成通常与组装后要施焊的电路板的正视图互补的形状，这样电路板便可以从其底缘穿过而不碰到活门或防护屏。
4.如权利要求3所述的钎焊方法，其特征在于所述底缘与每块组装后的电路板间的间隙小于5mm。
5.如权利要求2至4之一所述的钎焊方法，其特征在于流入钎焊室中的非氧化性气体的流量低于每小时250个焊室容积。
6.如权利要求2至5之一所述的钎焊方法，其特征在于它还包括以下步骤将非氧化性气体直接吹向焊室中钎料波和焊室的出口之间或钎料波本身上部的钎焊连接处。
7.一种钎焊装置，包括一个具有入口和出口的钎焊室，一台将要焊的电路板送过该室的输送机，一个非氧化性气体的入口，通过它可在进行焊接作业的区域周围形成相对无氧化的气氛，一个活门防护屏位于焊接室的出口处，而有一个活门或防护屏位于焊接室的入口处，活门或防护屏设置成限制空气进入焊室的形式，其特征在于在焊室入口处的活门或防护屏的形状或可进行的操作使得工作时保证要焊接的电路板或其它工件进入焊室时不与入口处的活门或防护屏接触。
8.如权利要求7所述的钎焊装置，其特征在于它包括检测电路板即将进入焊室的位置的装置，该装置可操作地与抬起或以其它方式开启入口处的活门的装置相连接，以便保证电路板进入时不与活门接触，以及在电路板一旦通过活门后立即降下(或以其它方式关闭)活门或者允许这种降下发生的装置。
9.如权利要求7所述的钎焊装置，其特征在于焊室入口处的活门或防护屏的底缘制成通常与组装后要施焊的电路板的轮廓互补的形状，这样电路板便可以从其底缘穿过，而不碰到活门或防护屏。
10.如权利要求9所述的钎焊装置，其特征在于焊室入口处的防护屏或活门的位置及高度使得成形的底缘与组装后的电路板间的间隙小于5mm。
11.如权利要求7至10之一所述的钎焊装置，其特征在于它还包括直接向钎焊的元件吹非氧化性气体的装置。
全文摘要
钎焊装置20，包括一台输送机22，用以将组装后的电路板送过焊室24。在该焊室24中形成一个钎料波26。焊室24在其入口21处有一防护屏40，在其出口处有一防护屏41。气体分配器32和34装于该焊室24中并能将氮气输入焊室24，以在钎料波周围形成无氧化的气氛。工作中，钎料波26浸湿元件与电路板之间的连接点，以在钎料固化后形成永久连接。防护屏的底缘制成与组装后要施焊的电路板的正视图互补的形状，并使得电路板刚好从其下穿过而不与之发生接触。
文档编号B23K101/42GK1074156SQ9211249
公开日1993年7月14日 申请日期1992年10月3日 优先权日1991年10月3日
发明者C·J·普雷修斯, R·托马斯 申请人:英国氧气集团有限公司