波峰焊接喷嘴机器、波峰焊接喷嘴系统以及波峰焊接方法

摘要

一种波峰焊接机器包括外壳和与所述外壳耦连的输送机。所述输送机被配置以递送印刷电路板穿过所述外壳。所述波峰焊接机器进一步包括与所述外壳耦连的波峰焊接站。所述波峰焊接站包括焊接材料的储库，以及适合于创建焊料波的波峰焊接喷嘴系统。所述波峰焊接喷嘴系统具有喷嘴框架，以及被固定到所述喷嘴框架的喷嘴板。所述喷嘴板包括邻近所述喷嘴板的前缘设置的具有开口的第一区、接近所述喷嘴板的中间设置的具有开口的第二区，以及邻近所述喷嘴板的后缘设置的没有开口的第三区。

说明书

公开背景

发明领域

本公开一般地涉及用于制造印刷电路板以及用于辅助将金属焊接到集成电路板这一过程的设备和方法，并且更具体地涉及具有改进的波峰焊接喷嘴系统的波峰焊接机器和相关方法，所述改进的波峰焊接喷嘴系统适合于当在印刷电路板上执行焊料应用时更好地控制焊料的流动。

相关领域讨论

在印刷电路板的制造中，可以通过被称为“波峰焊接”的过程将电子部件安装到印刷电路板。在典型的波峰焊接机器中，通过斜通道上的输送机使印刷电路板移动经过焊剂处理(fluxing)站、预加热站，以及最终波峰焊接站。在波峰焊接站，致使焊料波向上涌出(借助于泵)穿过波峰焊接喷嘴，并且接触印刷电路板的待焊接的部分。

一段时间以来，波峰焊料工业已经从基于锡/铅的低熔点焊料转移到无铅较高熔解温度的焊料。因为被焊接的电子装置的温度限制，焊料熔解温度和加工温度不能被提升到等同的水平。当应用到无铅波峰焊接中时，利用针对锡/铅焊料设计和优化的焊料罐和喷嘴产生限制。在无铅焊料情况中，输送机的速度必须运行得较慢，以获得足够的焊接接头，从而降低生产力并且增加缺陷。另外，正在开发需要额外的加热和加工时间的越来越厚的电路板基底。所期望的更好的方案是提供针对无铅用途优化的焊接喷嘴系统。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种在印刷电路板上执行波峰焊接操作的波峰焊接机器。在一个实施例中，所述波峰焊接机器包括外壳和与所述外壳耦连的输送机。所述输送机被配置以递送印刷电路板穿过所述外壳。所述波峰焊接机器进一步包括与所述外壳耦连的波峰焊接站。所述波峰焊接站包括焊接材料的储库，以及适合于创建焊料波的波峰焊接喷嘴系统。所述波峰焊接喷嘴系统具有喷嘴框架，以及被固定到所述喷嘴框架的喷嘴板。所述喷嘴板包括邻近所述喷嘴板的前缘设置的具有开口的第一区、接近所述喷嘴板的中间设置的具有开口的第二区，以及邻近所述喷嘴板的后缘设置的没有开口的第三区。

所述波峰焊接机器的实施例进一步可以包括出口板和/或锡槽箱，所述出口板邻近所述喷嘴板的所述后缘被结合到所述喷嘴框架，所述锡槽箱邻近所述喷嘴板的所述前缘被结合到喷嘴框架。所述喷嘴板的所述第一区可以具有比所述第二区少的开口。所述喷嘴板的所述第二区的开口可以比所述第一区的开口以更靠近在一起的方式间隔。所述喷嘴板的所述第二区的开口彼此间隔大约10mm的距离，并且所述第一区的所述开口中的大多数彼此间隔大约20mm的距离。所述喷嘴板的所述第一区包括至少八行开口，并且所述第二区包括至少六行开口。

本公开的另一个方面指向一种适合于递送焊接材料以在印刷电路板上执行波峰焊接操作的波峰焊接喷嘴系统。在一个实施例中，所述波峰焊接喷嘴系统包括喷嘴框架，以及被固定到所述喷嘴框架的喷嘴板。所述喷嘴板包括邻近所述喷嘴板的前缘设置的具有开口的第一区、接近所述喷嘴板的中间设置的具有开口的第二区，以及邻近所述喷嘴板的后缘设置的没有开口的第三区。

本公开的另一个方面指向一种改进焊接材料在惰性气氛中流出波峰焊接机器的波峰焊接喷嘴系统的方法。在一个实施例中，所述方法包括：将焊接材料递送到波峰焊接喷嘴系统；在印刷电路板上执行波峰焊接操作；以及通过提供喷嘴板改进焊接材料在所述波峰焊接喷嘴系统之上的所述流动，焊料行进穿过所述喷嘴板。所述喷嘴板包括邻近所述喷嘴板的前缘设置的具有开口的第一区、接近所述喷嘴板的中间设置的具有开口的第二区，以及邻近所述喷嘴板的后缘设置的没有开口的第三区。

所述方法的实施例进一步可以包括为所述喷嘴板的所述第一区提供比所述第二区少的开口。所述喷嘴板的所述第二区的开口可以比所述第一区的开口以更靠近在一起的方式间隔。所述喷嘴板的所述第二区的开口可以彼此间隔大约10mm的距离，并且所述第一区中的所述开口中的大多数彼此间隔大约20mm的距离。所述喷嘴板的所述第一区可以包括至少八行开口，并且所述第二区包括至少六行开口。所述第二区中增加的焊料体积补偿所述焊料流动，以产生跨越整个焊料接触区域均匀的、平行的波，同时维持平行于所述电路板行进的六度平面的六度液体熔融焊接平面，以在所述波峰焊接操作期间最大化电路板接触长度。

附图说明

附图不是意在按比例绘制的。在附图中，在多幅图中图示说明的每个相同或几乎相同的部件由同样的编号表示。为清楚目的，可以不对每幅图中的每个部件都进行标记。在附图中：

图1是波峰焊接机器的立体视图；

图2是波峰焊接机器的侧面立视图，其中外部封装被移除以露出波峰焊接机器的内部部件；

图3是波峰焊接机器的波峰焊接站的示意性横截面视图；

图4是波峰焊接站的喷嘴板的立体视图；

图5是喷嘴板的顶部平面视图；以及

图6是另一个优选实施例的具有波峰焊接站的波峰焊接机器的立体视图。

具体实施方式

本公开在其应用中不被限制于以下说明书中陈述或者附图中图示说明的构造细节和部件布置。本公开能够具有其他实施例，并且能够以各种方式实践或实行。同样，本文使用的措辞或术语出于描述的目的，而不应该被视为限制性的。“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包含(containing)”、“包含(involving)”及其各种变化在本文中的使用，意为涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。

本公开的实施例可以涉及能够实现等于或大于传统的双波峰喷嘴系统的焊料接触时间的宽的、单波峰焊接喷嘴系统。另外，流出喷嘴系统的出口的焊料可以被控制以创建从印刷电路板剥离的最优焊接，以减少焊桥。在本文中使用时，印刷电路板可以是适合于使用在波峰焊接过程中的任何类型的电子基底。单波峰焊接喷嘴系统消除见于使用双波峰焊接喷嘴系统时的温降。温降的消除增加为无铅应用提供更好的顶侧孔填充(top side holefill)的能力。这还能消除层压制件和基底金属二次暴露于空气。

本公开的单喷嘴系统由单个流动管道和单个离心泵组成，以为喷嘴供应焊料。焊料流动被调节穿过具有专门设计的、独特的方孔图案的穿孔板。穿孔板被分为三个区，其中孔图案被分成两个区。独特的孔图案设计产生跨越整个焊料接触区域(例如，五英寸)均匀的、平行的波，同时维持与输送机系统输送电路板的六度平面平行的六度液体熔融焊接平面。

为图示说明的目的，并且参考图1，现在将参考一般以10表示的波峰焊接机器来描述本公开的实施例，所述波峰焊接机器10用来在印刷电路板12上执行焊料应用。波峰焊接机器10是印刷电路板制造/装配线中的若干个机器中的一个。如示出的，波峰焊接机器10包括适合于容纳机器的部件的外壳14。如此布置以使输送机16递送要被波峰焊接机器10加工的印刷电路板。当进入波峰焊接机器10时，每个印刷电路板12沿(例如，相对于水平为六度的)斜通道沿输送机16行进穿过通道18，所述波峰焊接机器10包括一般以20表示的焊剂处理站和一般以22表示的预加热站，以使印刷电路板适应于波峰焊接。一旦已适应(即，已加热)，印刷电路板12行进到一般以24表示的波峰焊接站，以将焊接材料施加到印刷电路板。提供控制器26以众所周知的方式使波峰焊接机器10的若干个站的操作自动化，所述若干个站包括但不限于焊剂处理站20、预加热站22和波峰焊接站24。

参考图2，焊剂处理站20被配置以在它在输送机16上行进穿过波峰焊接机器10时，将焊剂施加到印刷电路板。预加热站包括若干个预加热器(例如，预加热器22a、22b和22c)，所述若干个预加热器被设计以在印刷电路板沿输送机16行进穿过隧道18时递增地增加它的温度，以使印刷电路板为波峰焊接过程进行准备。如示出的，波峰焊接站24包括与焊接材料的储库流体连通的波峰焊接喷嘴系统。在储库内提供泵，以从储库向波峰焊接喷嘴系统递送熔融焊接材料。一旦已焊接，印刷电路板经由输送机16离开波峰焊接机器10到制造线中提供的另一个站，例如，拾取和放置(pick-and-place)机器。

在一些实施例中，波峰焊接机器10进一步可以包括一般以28表示的焊剂管理系统，以从波峰焊接机器的通道18移除挥发性污染物。如图2中示出的，焊剂管理系统28被设置在预加热站22之下。在一个实施例中，焊剂管理系统由外壳14的框架支持在波峰焊接机器内，并且与通道18流体连通，示意性图示说明在图2中。焊剂管理系统28被配置以从通道18接收被污染的气体，处理所述气体，并且将清洁气体返回到通道。焊剂管理系统28具体地被配置以从气体(尤其是惰性气氛)中移除挥发性污染物。

参考图3，印刷电路板12被示出为在波峰焊接站24之上行进，其中行进方向以A表示。在一个实施例中，波峰焊接站24包括室壁30，所述室壁30限定被配置以包含熔融焊料的储库32。具有两个室34、36的流动管道被设置在储库32内，并且被配置以向一般以38表示的喷嘴系统递送加压的熔融焊料。将泵40与流动管道中提供的进口42相邻地设置在流动管道的第一室34内。在一个实施例中，泵40是被合适地确定尺寸以向喷嘴系统38泵送熔融焊料的离心泵。喷嘴系统38被配置以生成焊料波，提供所述焊料波以传统方式将部件附接在电路板12上。

在一个实施例中，喷嘴系统38包括被固定到流动管道的喷嘴框架44。喷嘴板46被固定到喷嘴框架44，在其所处的位置，喷嘴板维持与输送机系统16输送电路板12的六度平面平行的六度液体熔融焊接平面。喷嘴板46具体地被配置以产生跨越整个焊料接触区域(例如，五英寸宽)均匀、平行的波。喷嘴系统38进一步包括锡槽箱48，所述锡槽箱48被固定到喷嘴框架44，并且被配置以在焊料行进回到储库32时减少紊流，由此减少可以在储库内形成的焊料球。喷嘴系统38进一步包括出口板50，所述出口板50被固定到喷嘴框架44，并且被设计以平滑焊料波。在一个实施例中，出口板延伸到另一个锡槽箱51中。可以提供一个或更多个氮气管52以在波峰焊接过程期间创建惰性气氛。

如上文提到的，本文公开的实施例的单波峰焊接喷嘴系统38被配置以创建等于或大于现有的双喷嘴系统的焊料接触区域。本公开的单喷嘴系统38由单个流动管道(例如，具有室34、36)和单个离心泵(例如，泵40)组成，以向喷嘴板46供应焊料，熔融焊料行进穿过所述喷嘴板46。调节焊料流动穿过喷嘴板46，其设计具有独特的方孔图案。参考图4和5，喷嘴板46包括三个区54、56、58，其中孔图案被分成两个区，即区54、56。被并入到喷嘴板46中的独特的孔图案设计产生跨越整个焊料接触区域(例如，五英寸)均匀、平行的波，同时维持与输送机系统16输送电路板12的六度平面平行的六度液体熔融焊接平面。

如示出的，第一区54设置在邻近喷嘴板46的前缘60。因为喷嘴板46以六度的角度被安装，被泵送穿过第一区54中的孔54a的焊料在第二区56中的孔56a之上流动。将孔图案从前缘60更改到后缘62。图案中的孔的数目在区56中有所增加。这使刚刚经过板的中点穿过板46而来的焊料体积增加，并且继续朝向板的后缘62。区56中所增加的焊料体积帮助补偿焊料流动，以产生跨越整个焊料接触区域均匀、平行的焊料波，同时维持与输送机系统16运输电路板12的六度平面平行的六度液体熔融焊接平面。区56中所增加的焊料体积还致使焊料朝区58流动。该流动连同后缘62处的背部或出口板50(图3)一起在区58中形成平滑的熔融焊料池。

第一区54的孔图案被设计以产生焊剂朝负载端的十字形流动，从而消除由深口选择性焊接托盘(deep pocket selective soldering pallet)的遮蔽效应造成的漏焊。在一个实施例中，每个开口54a为具有3.5毫米(mm)的侧边的方形形状。如示出的，第一区54具有第一行，所述第一行具有彼此与它们相应的中心点间隔大约10mm的开口54a。第一行邻近喷嘴板46的前缘60。在第一区54中存在另外的八行，所述另外的八行具有彼此与它们相应的中心点间隔大约20mm的开口54a。

第二区56中提供的孔图案具体地被设计以跨越印刷电路板12的整个加工宽度，创建靶向各个单独的镀通孔筒(barrel)的单独的、填隙向上的焊料速度流动。第二区56中的孔图案比第一区54的孔图案更密集(即，开口以更靠近在一起的方式被设置)，并且被设计以支持焊料朝波的入口流动，并且创建均匀的平行的熔融焊料波。该靶向速度流动增加到电路板12的热转移速率，进一步增加顶侧孔填充性能。在一个实施例中，每个开口56a为具有3.5mm的侧边的方形形状。第二区56包括六行开口56a，所述六行开口56a彼此与它们相应的中心点间隔大约10mm。

第三区58邻近喷嘴板46的后缘62被设置。如示出的，在喷嘴板46的第三区58中没有放置孔。来自第二区56中的后缘孔56a的焊料流动到第三区58中。出口板50邻近第三区58被放置在喷嘴板46的后缘62处，由此在第三区中创建坝效应(damning effect)和平滑的焊料池。喷嘴板46还在电路板12离开第三区58时调节焊料的流动。第三区58辅助消除或减少桥缺陷。

单波峰焊接喷嘴系统38消除温降，所述温降发生在使用传统双波峰系统焊接电路板时。该温降致使电路板12的筒状开口中的焊料固化，需要后面的波重新熔融已经沉积在电路板的筒中的焊料。这对于具有双喷嘴波峰配置的顶侧孔填充性能具有负面影响。单波峰喷嘴系统设计通过在单个波峰中提供与由传统的双波峰系统可获得的接触面积相比相同或更大的接触面积来消除温降。该单波峰喷嘴系统设计提供具有顶侧孔填充焊接性能的积极影响。这是通过使用单喷嘴提供的额外的焊接接触长度在少于十秒内将电路板12中的镀通孔结构从预先加热的温度带到需要的焊接温度来实现的。

图6图示说明在构造上与波峰焊接机器10类似的、一般以70表示的传统的波峰焊接机器。如示出的，波峰焊接机器70包括一般以72表示的波峰焊接站，所述波峰焊接站72具有一般以74表示的喷嘴系统，所述喷嘴系统74被配置以生成两个单独的焊料波。如示出的，喷嘴系统74包括第一喷嘴组件76，以生成第一焊料波；以及第二喷嘴组件78，以生成第二焊料波。

应该观察到，本文描述的波峰焊接喷嘴系统使得能够在用无铅焊料和具有更高的热要求的电路板进行波峰焊接时具有更快的生产速度和更低的缺陷。具体地，针对装配线，焊接喷嘴系统使得更快的生产率成为可能，这能减少所生产的产品的单位成本。减少的缺陷消除或显著减少返工成本，并且改进所生产的产品的质量。

因此，已经本公开的至少一个实施例的若干个方面进行了描述，应领会到，本领域技术人员容易想到各种变更、修饰和改进。这样的变更、修饰和改进旨在为本公开的一部分，并且确定落在本公开的精神和范围之内。因此，前述说明书和附图仅为举例。