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层流井

阅读：465发布：2020-05-11

IPRDB可以提供层流井专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且据观测，焊料紊流，特别是在传统流井的开口处，与PCB上的PTH孔壁的较高Cu熔解度有关，尤其是那些与该开口对齐的孔壁。一个更趋于层流的焊料流可产生以更均匀地分布该焊料流，并因此减少靠近该流井开口的Cu熔解率，特别是在PTH返修过程中。一方面，本发明提供一种焊料喷泉的流井，该流井包括从该焊料喷泉接收焊料流的开口、提供焊料面的开放面及在该开口和该表面之间的分流元件，该分流元件构造成用以改变从该开口流过的焊料流的方向。，下面是层流井专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种焊料喷泉的流井，该流井包括：从该焊料喷泉接收焊料流的开口；提供焊料面的开放面；及在该开口和该表面之间的分流元件，该分流元件构造成用以改变从该开口流过的焊料流的方向。

2.如权利要求1所述的流井，其中该分流元件包括阻挡机构，该阻挡机构构造成用以引导该焊料流至该开口的两侧。

3.如权利要求2所述的流井，其中该阻挡机构形成于该流井的底部，作为改变该焊料流流向该开口两侧的一对通道。

4.如权利要求3所述的流井，其中该通道相对该底部倾斜。

5.如权利要求2所述的流井，其中该阻挡机构包括固定在该开口上方并与之隔开的板。

6.如权利要求5所述的流井，其中该板用多个柱与该开口隔开。

7.如权利要求1所述的流井，其中该分流元件为包括多个穿孔的扩散板。

8.如权利要求7所述的流井，包括该扩散板沿该流井的整个长度方向延伸。

9.如权利要求7所述的流井，其中该扩散板用多个柱与该开口隔开。

10.如权利要求7所述的流井，其中该多个穿孔沿该扩散板的长度方向排列成一行或多行。

11.如权利要求1所述的流井，其中该分流元件加装至已有的流井上。

12.如权利要求1所述的流井，其中该流井的底部包括朝向该开口倾斜的相背表面。

13.如权利要求1所述的流井，包括将焊料返回至该焊料喷泉的溢出机构。

14.如权利要求1所述的流井，包括固定该流井至该焊料喷泉的适配器。

15.如权利要求14所述的流井，其中该流井利用从该流井的底部向外延伸而出的一对凸缘安装于该适配器上。

16.如权利要求1所述的流井，包含在焊料喷泉中。

17.一种流井的分流元件，该分流元件包括：引导从该流井上的开口中流过的焊料流的元件；及将该分流元件固定于该开口之上的附装机构。

18.如权利要求17所述的分流元件，其中该元件为包括多个穿孔的扩散板，该扩散板之上。

19.如权利要求18所述的分流元件，其中该扩散板的尺寸设计成沿该流井的整个长度方向延伸。

20.如权利要求18所述的分流元件，其中该扩散板利用多个柱与该开口隔开。

21.如权利要求18所述的分流元件，其中该多个穿孔沿该扩散板的长度方向排列成一行或多行。

22.如权利要求17所述的分流元件，其中该元件为阻挡板，该阻挡板的尺寸设计成横跨该开口延伸。

23.如权利要求21所述的分流元件，其中该阻挡板用多个柱与该开口隔开。

24.如权利要求22所述的分流元件，其中该阻挡板沿其长度方向弯曲，形成一个朝上的顶点。

25.一种利用焊料喷泉焊接电路板的方法，该方法包括：提供流井，该流井具有开口、开放面及置于该开口和开放面之间的分流元件；供给焊料进入该流井；利用该分流元件改变从该开口流过的焊料的方向；以及在该开放面上提供焊料面。

26.如权利要求25所述的方法，其中上述改变方向包括利用阻挡机构分布该焊料至该开口的两侧。

27.如权利要求25所述的方法，其中上述改变方向包括利用扩散板将焊料分布在该开放面上。

28.如权利要求25所述的方法，进一步包括利用该流井内的溢出机构再循环该焊料。

说明书全文

技术领域

【0001】下文涉及焊接，且特别应用于通孔安装(Pin-Through-Hole，PTH)返修过程中所使用的焊料喷泉流井。

背景技术

【0002】很多电子元件，比如连接器，具有一系列插脚用于通过设置在印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上的通孔安装孔壁(PTH Barrel)将这种元件连接到该PCB上。PTH孔壁大体呈“工字轮”形状，其包括具有中孔的环形套筒及安装至该套筒的上环部和下环部，该套筒上的中孔贯通该PCB的厚度，该上环部和下环部覆盖于该PCB上邻近该套筒的上表面和下表面的一部分之上。一个PTH孔壁的环部和套筒之间的接触面通常被称为孔壁膝(Barrel Knee)。这些PTH孔壁通常由铜制成。
【0003】为安装元件至该PCB，如业界已知，该元件的各个插脚分别与PTH 孔壁对齐，这些插脚被放入对应的孔壁的中孔中，然后这些插脚被焊接至孔壁。为了减少焊接插脚的时间，可使用波峰焊机实现初步固定该元件至该PCB上。然而，通常这些焊点中的某些需要返修，进行返修处理。返修焊点可利用焊料喷泉(Solder Fountain)来完成。
【0004】一个焊料喷泉包括含有一些熔化焊料的焊料炉和将这些熔化的焊料通过流井抽吸上来的泵，该流井提供用于返修该PTH孔壁焊点的液态焊料峰。未使用的焊料利用溢出机构再循环至焊料炉。该泵通常是可调的，从而可控制焊料的流速。为了让焊料峰中的焊料达到某一特定温度，熔化的焊料的温度也可控制。
【0005】如业界已知，焊料是一种可熔合金，通常由锡和铅制成，焊料被熔化以连接金属性表面。一般而言，使用铅已愈发不受欢迎，从而引起对无铅焊料的大量关注。这种无铅焊料包含锡、铜、银，有些含有铋、铟、锌，或者其它不同含量的金属。传统焊料的这种无铅替换物具有更高的熔点，且通常导致需要重新设计电子组件(比如PCB)中的某些元件和材料。根据工作和生产环境的不同，无铅焊料的焊点可能产生机械性较弱的焊点，使用这种焊料可能导致可靠性降低。
【0006】PTH返修实践中特别关注的是铜(Cu)熔解。Cu熔解通常发生在返修过程中PTH孔壁的Cu环部与熔化的焊料合金发生接触的时候。Cu熔解导致孔壁的破坏，从而该环部可能从该套筒上脱离或在某些情况下被完全熔解。不仅在无铅焊料合金中普遍出现Cu熔解，在共熔含铅焊料合金中也会出现这种现象，不过通常程度比较轻微。合金成分和无铅焊料的对应的更高熔点的共同改变需要熔化的焊料保持较高的操作温度，因此通常加速Cu熔解的速度和程度。孔壁膝通常最容易发生Cu熔解。结果，无铅焊料可接受的接触时间大体上比含铅焊料低很多。例如，研究表明尽管在很多情况下暴露在含铅焊料下的铜孔壁膝在该孔壁膝完全熔解之前能够承受大约60-90秒的接触时间，然而同一测试仪的测试结果表明使用SAC405无铅合金的铜孔壁膝只能承受大约30秒的接触时间。
【0007】因此，下文的一个目的为消除或减轻上述不足之处。

发明内容

【0008】据观测，焊料紊流，特别是在传统流井的开口处，与PCB上的PTH 孔壁的较高Cu熔解度有关，尤其是那些与该开口对齐的孔壁。一个更趋于层流的焊料流可产生以更均匀地分布该焊料流，并因此减少靠近该流井开口的Cu 熔解率，特别是在PTH返修过程中。
【0009】一方面，本发明提供一种焊料喷泉的流井，该流井包括从该焊料喷泉接收焊料流的开口、提供焊料面的开放面及在该开口和该表面之间的分流元件，该分流元件构造成用以改变从该开口流过的焊料流的方向。
【0010】另一方面，本发明提供一种分流元件，该分流元件包括引导从该流井上的开口中流过的焊料流的元件及将该分流元件固定于该开口之上的附装机构。
【0011】再一方面，本发明提供一种利用焊料喷泉焊接电路板的方法，该方法包括：提供流井，该流井具有开口、开放面及置于该开口和开放面之间的分流元件；供给焊料进入该流井；利用该分流元件改变从该开口流过的焊料的方向；以及在该开放面上提供焊料面。。

附图说明

【0012】以下将以将结合附图的方式对本发明的一个实施例进行描述，其中：
【0013】图1为焊料喷泉机的透视图。
【0014】图2为图1所示的流井正视图，表示PCB的截面图。
【0015】图3A为在插入插脚之前图2所示的PCB的放大截面图。
【0016】图3B为插入插脚并焊接之后图2所示的PCB的放大截面图。
【0017】图4为层流井的分解透视图。
【0018】图5为图4中所示的层流井沿线V-V的截面图。
【0019】图6为图4中所示的流井的俯视图。
【0020】图7为图4中所示的流井基座的仰视图。
【0021】图8为使用传统流井的Cu熔解结果的放大图片。
【0022】图9为使用图4中所示的流井的Cu熔解结果的放大图片。
【0023】图10为表示对焊料紊流和焊料层流而言的Cu熔解率的曲线图。
【0024】图11为图2中所示的连接器中心处对焊料紊流和焊料层流而言的平均 Cu厚度的比较图。
【0025】图12为图2中所示的连接器处对焊料紊流和焊料层流而言的平均Cu 厚度的比较图。
【0026】图13为图2中所示的连接器边缘靠近纵向中线处对焊料紊流和焊料层流而言的平均Cu厚度的比较图。
【0027】图14为另一实施例的透视图。
【0028】图15为另一实施例中沿图14中XV-XV线的截面图

具体实施方式

【0029】参看图1，焊料喷泉机整体用数字10表示。该焊料喷泉10具有支撑保护壳14的底座12。该保护壳14环绕含有一些熔化焊料18在内的焊料炉 (Solder Pot)16。流井20从该焊料炉16向上延伸。该焊料炉16内的泵22经由流井20抽吸熔化的焊料18，产生焊料峰24。该喷泉10还包括控制箱26，该控制箱26用于控制该焊料喷泉10的操作，例如泵的流速。该焊料峰24溢出并经由具有中孔29的倒置的锥台28返回焊料炉16，该锥台28覆盖于该焊料炉16上。
【0030】如图2中最佳表示，PCB 30具有一系列铜制PTH孔壁32，这些孔壁 32在板30上排列成行并对应于从连接器36上延伸出的一系列插脚34。一个未插入插脚34的示例性孔壁32的截面图在图3A中示出。该孔壁32包括环形套筒38、下环部40及上环部42。下环部40和套筒38之间的结合部定义为左孔壁膝46和右孔壁膝44。如图3B中所示，当插脚34被放入对应的孔壁32内时，与孔壁32接触的焊料峰24将有效地焊接该连接器36至PCB 30上以产生焊点 48。
【0031】在电子制造中，特别是电子制造服务(Electronics Manufacturing Services，EMS)中，通常存在修补/返修焊接在PCB 30上的有缺陷的PTH连接器36的需求。为了修补/返修有缺陷的连接器36，使用焊料喷泉30(或小锡炉(Mini Pot))。该焊料喷泉10通过经由流井20抽吸少量熔化焊料18的方式以产生如前所述的焊料峰24来返修PTH连接器36。该流井20的尺寸设计成基本与图2中最佳表示的正在返修的连接器36对应。
【0032】一旦焊料喷泉10的返修过程在PCB 30上开始，通常在该板被无法修复地损毁之前该PCB上只能执行固定次数的焊接，即每一次焊接增加损毁该 PTH孔壁32甚至层压板30本身的风险。因此，期望以尽可能少的次数的焊接完成返修。如果PCB 30暴露在熔化的焊料18下相对长的累计接触时间(例如对含铅合金而言是90+秒，对无铅合金而言是30+秒)，在返修时或几年后需要返修的情况下，该PCB 30可能无法修复。
【0033】已经发现，当使用传统流井(图未示)时，置于正在返修的连接器36 的中心附近的孔壁32在其孔壁膝44、46处相较靠近相同连接器36边缘的孔壁 32而言呈现出更高的Cu熔解度(且因此损毁)。
【0034】用于焊料喷泉10的传统流井使用单个圆形或椭圆形的开口从焊料炉 16中抽吸熔化的焊料18至流井底座。在返修过程中该焊料与PCB 30直接接触，并从该流井的两端溢出。业界已经确定从单一开口流出的焊料与焊料的较高流速(并因此产生焊料紊流)有关，这又与“中部的”PTH孔壁32的较高Cu熔解度有关，这些的影响下文将更详细解释。中部的孔壁32直接置于该开口之上，因而，在熔化的焊料向外扩散产生焊料峰24时中间的孔壁32基本能经历100％的熔化的焊料流。
【0035】为了减少该连接器36中间部分的Cu熔解，业界已经确定，基于上述相关性的认识，应该使用更顺滑的流向流井的熔化焊料层流。为了减少焊料紊流并产生焊料层流，在焊料流与PCB 30接触之前，使用分流元件(例如挡板、扩散器等)来分散该焊料流。
【0036】在图4-7所示的优选实施例中，单一开口供给熔化焊料给焊料喷泉10 的流井变成提供多个开口以改向或阻碍从该开口或其周围流过的焊料流。这些多个开口被构造成用以将从单一开口流出的焊料流的基本竖直方向改变为一个更水平的矢量并因此产生层流矢量，以在与孔壁32和PCB 30接触之前分散焊料18的力。焊料流整体上因而更顺滑，如下文中更详细的解释，这已被指出是为了减少Cu熔解度。
【0037】参照图4，产生更顺滑的焊料层流的流井50包括适配器52和基座54，该适配器52连接该流井50至泵22的出口(图未示)，该基座54提供焊料峰 24。
【0038】该适配器52包括开槽套筒56，该开槽套筒56的尺寸和形状设计为正好套在该泵22的出口。该套筒56包括一系列槽58以让适配器52紧密套装于出口的末端。该适配器52在与具有槽58的末端相对的另一端上具有凸缘60。该凸缘60包括一系列孔62以安装该适配器52至基座54，该凸缘60上开设开口90以允许焊料18流入基座54。
【0039】该基座54具有一对侧壁68、70，该侧壁68、70被在其端部的一对端壁72、74间隔开。该端壁72、74的高度小于侧壁68、70的高度以让焊料溢出基座54并再循环至焊料炉16。侧壁68具有自其中部延伸而出的第一凸缘64，侧壁70具有自其中部延伸而出的第二凸缘66。与凸缘64、66对齐的是阻挡件 76，该阻挡件76位于基座54的底部以形成分流件。利用一对倾斜的通道84、 86，该阻挡件76引导焊料经过适配器52流向基座54的两端。第一底部80由端壁74至倾斜通道84向内倾斜，第二底部82由端壁72至倾斜通道86向内倾斜。该凸缘62、66具有一系列孔78。为了让适配器52安装于该基座54上，孔78与该适配器52上的孔62对齐。
【0040】倾斜通道84、86的下端相邻近但彼此分开，从而倾斜通道84、86的上端形成于该阻挡件76的两相对侧。该倾斜通道84、86的下端置于该开口90 之上。因此，与单独从该开口90流出的方向相比，流进开口90的焊料以更水平的方式被引导至沿该阻挡件76旁的两个方向流动。该变向流产生一个更顺滑的焊料层流。
【0041】PTH返修过程中的Cu熔解的结果在传统的单开口流井与图4中所示的流井50之间进行观察和比较，该流井50提供一个更顺滑的焊料层流。实验发现，与从单一开口流出的紊流流速相比，更顺滑的焊料层流的流速产生较低的整体Cu熔解度，尤其是该开口90附近的Cu熔解度。
【0042】在不同接触时间下，将传统流井的相对紊乱的流的流速与流井50的相对顺滑的流的流速进行比较。熔化焊料18的恒定变量包括焊料炉的温度265℃ 和PCB的预热温度150℃。使用的接触时间是基于之前的知识，即在大约30 秒内紊流流速将经历将近100％的Cu溶解(孔壁膝44、46处完全熔解)。图 10中的曲线图比较了传统紊流井的熔解率(粗线)和层流井50的预期熔解率 (细线)。已经确定，在很多情况下，传统流井的Cu熔解率为大约0.030密耳 /秒(mils/sec)。
【0043】为了根据上述实验确定Cu熔解的结果，取PCB 30的截面以允许检查该连接器36的中部和端部处的孔壁32。测量环部40处和膝44、46处Cu的厚度。该孔壁32的膝的最初厚度大约为1.15密耳。
【0044】已发现，利用流井50实现的更顺滑的层流的流速产生大约0.02密耳/ 秒的Cu熔解率，这相对传统的更紊乱的紊流改善了大约33％。以上实验结果在图11-13中示出。以下结果使用20秒和25秒之间的接触时间。
【0045】在图11中，对同一板上的两个不同连接器(即C2和C3)分别比较层流和紊流的情况下的平均Cu厚度。测量在靠近这两个连接器的中间进行。平均Cu厚度通过取该板和孔壁处于横断位置时测量到的左膝46和右膝44的厚度的平均值而得。对C2连接器而言，流井50的平均Cu厚度为大约0.80密尔，传统紊流流井的平均Cu厚度为大约0.26密尔。对C3连接器而言，流井 50的平均Cu厚度为大约0.88密尔，传统紊流流井的平均Cu厚度实际为0。
【0046】图12比较在各个连接器的边缘处测量的层流和紊流的情况下的平均 Cu厚度。对C2连接器而言，流井50的平均Cu厚度为大约0.78密尔，传统紊流流井的平均Cu厚度为大约0.85密尔。对C3连接器而言，流井50的平均Cu 厚度为大约0.80密尔，传统紊流流井的平均Cu厚度为大约0.86密尔。
【0047】图13比较在各个连接器的边缘但靠近纵向中线处测量的平均Cu厚度，其呈现与图12中相似的结果。
【0048】从图11-13中可看出，相较更顺滑的层流井50而言，传统流井在连接器的边缘处表现出略少Cu熔解。以上可能是将焊料流从流井50的中心处向流井50的端部改向从而在连接器36端部产生相对高的流速的结果。
【0049】然而，可以看出，尤其是从图11中，流井50中更平衡的焊料流很大程度上减少连接器中心部的Cu熔解。结果，当使用流井50时整体的Cu熔解更均匀地分布在该连接器的长度方向上，尽管连接器端部的Cu熔解与传统的流井相比较高。这种均匀分布阻止连接器的中心处的剧烈Cu熔解，如图11中所示，使用传统的紊流流井可发生完全熔解(例如图8，以下详解)。
【0050】传统流井中的Cu熔解的结果如图8中所示，层流井50中Cu熔解的结果如图9中所示。孔壁膝44的完全熔解如图8中所示，流井50的结果的“最佳情况”如图9中所示，其中Cu厚度很大程度上不受PTH返修过程的影响。
【0051】在图14所示的另一实施例中，传统流井100适于包括一个单独的并可分离的阻挡机构或附件110，该阻挡件110当做用于产生更趋于层流的分流件。该流井100包括开口102和附装机构，该开口102让焊料流过，该附装机构采用一对孔104的方式来安装该阻挡件110至该流井100。该阻挡件110由一对支柱106、108支撑，并利用一对螺丝112固定于该流井100，从而将该附装件 110定位于该开口102之上。结果，该阻挡件110改向该焊料流以产生与上述实施例相似的更水平且更顺滑的层流。本实施例特别适用于改进原有的流井元件。
【0052】在图15所示的另一实施例中，传统流井200的底部可被改进以包括具有附装机构的分流元件，例如该流井200被修改成包括一对孔204以将穿孔板 201固定在一对支柱206之上。如图15所示，可使用任何穿孔排列，例如板212a 的单行排列和板212b的双行排列。流过出口210和开口208的焊料穿过这些穿孔流出，以在流井200内提供更均匀和更顺滑的层流。
【0053】应当理解，除了倾斜通道84、86之外，在其它实施例(图未示)中，板212a、212b也可与图4中的实施例结合使用。
【0054】因此可看出，紊流焊料流，特别在传统流井的开口处，与PCB上的 PTH孔壁的较高Cu熔解度有关，尤其是那些基本与该开口对齐的孔壁。通过添加分流元件，比如修改或改进后的流井中的挡板或扩散器，可以产生以更均匀地分布该焊料流的更顺滑的层流，从而降低流井开口附近的Cu熔解率，特别是在PTH返修过程中。可以看出，原有的流井可被改进或定制的流井可被制成以包括分流元件。应当理解，分流元件可包括在使用时使该流井内的焊料分布成可产生更少焊料紊流的任何装置或流井的改进。
【0055】尽管本发明已参照一些具体的实施例来描述，但本领域的技术人员在不脱离本发明的精神与本发明的权利要求所记载的范围的前提下可作出各种修改。

标题	发布/更新时间	阅读量
多层流延膜-专利编号CN103608174A	2020-05-12	881
层流喷嘴-专利编号CN1246101A	2020-05-11	559
层流燃烧器-专利编号CN1130742A	2020-05-13	161
层流井-专利编号CN101557900A	2020-05-11	465
层流游泳机-专利编号CN110141844A	2020-05-12	763
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层流器-专利编号CN105351296B	2020-05-11	206
层流器-专利编号CN105351296A	2020-05-11	832

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