[发明专利]用于将熔融焊料传递到印刷电路板的下侧的焊接喷嘴及降低焊接喷嘴的缩锡发生率的方法

说明书

本发明涉及用于传递熔融焊料的喷嘴。特别地，本发明涉及用于将熔融焊料流体传递到印刷电路板（PCB）及类似物的喷嘴。

印刷电路板使用位于非导电板上的导电轨迹而被用于支撑和电连接电子元件。电子元件被焊接到电路板上。印刷电路板通常通过采用机器人或其它自动化机械的自动化过程来处理。

印刷电路板可被设计成使得元件的焊接可从下侧进行。从下侧焊接印刷电路板元件的一种方法为提供以“焊珠”形式的熔融焊料流体，该流体从焊接喷嘴的尖端或顶端开口流出，并经过在印刷电路板下面延伸的的元件的终端而形成焊珠使得印刷电路板元件被焊接（或者将焊珠移动到所述终端以进行焊接）。热的、液体的、流动的焊料以向上的方向流出喷嘴的出口以形成焊珠，其中，待焊接的终端被浸润以便在终端上面施加焊料。值得注意的是，这通常在熔化过程后进行，这有利于终端与印刷电路板的轨迹之间的良好焊接连接。

由于焊珠由热的液体焊料流体形成，在从尖端或顶端出口排出形成焊珠之后，此焊料流体沿着尖端或出口的外侧流下，以使得它可通过重力沿着喷嘴的外表面朝焊料池或焊料供给箱回流。然而，由于喷嘴的表面被弄湿，回流的熔融焊料流体优选围绕喷嘴的外表面扩散－喷嘴通常由较纯的铁材料形成，而且该表面被锡化成允许/有助于/增强润湿效果。焊料由此在喷嘴的外部形成液体焊料薄膜，随后其以基本上非紊流的方式（至少视觉上）沿着喷嘴的外表面落下。

该焊接方法提供点状焊接或单点焊接，用于利用焊珠在任何点及时焊接PCB的单个区域。条状焊珠和利用多个喷嘴的多点焊珠也是已知的。

利用该技术焊接终端通常非常快，由于热，液体焊料几乎同时附着到该终端以便终端上的焊接。焊接喷嘴随后可在X-Y平面上（同时也许在Z平面上，除非PCB自身被提升）移动，以达到要被焊接的下一个点或区域。

焊接喷嘴的轨迹、在每个位置花费的时间以及替换焊接喷嘴的记录，为可以通过软件控制的机器人或其它自动化机械进行数字控制的参数的示例。在工业上对能够以加快的速度和以增强的精度及效率水平来执行上述操作，存在强烈的兴趣。然而，当这种类型的焊接喷嘴以较高速度或者通过频繁的加速来进行移动时，可能出现喷嘴的“缩锡”率增加的现象。

通过沿喷嘴的一部分的回流的焊料薄膜的的不完美流动（即焊料流的视觉外观是紊乱的）引起缩锡或使缩锡加速。缩锡可以以液固界面上的液滴的形成，或者以来自于喷嘴的流体的诸如焊料流体的不均匀或不流畅的外观的流动性恶化为特征。喷嘴的缩锡因此可以在沿着喷嘴的外表面的回流的熔融焊料薄膜中引起非对称流，且这样可以引起流体动平衡的失衡，该流体动平衡维持焊珠的均匀性/对称性。例如，这种失衡将由喷嘴出口处的焊珠相对于喷嘴出口中部的水平移动来证实。

焊珠的水平移动通常为不可预测的或者不可预期的。这是因为如果焊珠从它的稳定的（通常为中部）的位置动态地移开时，将潜在地引起焊接过程中的误差-终端可能不会接触焊珠或者仅仅部分浸没在焊珠内。这种误差可因此严重地损害将元件焊接到PCB上的准确性，尤其是在焊接过程自动地并且以高速进行（其中仅周期性地进行手动检查）的时候。

此外，因为流动不流畅，缩锡的尖端可能产生更多地废料－焊料的氧化物。这也是非常不希望的，因为碎屑的堆积可能导致设备的停止运行，在此期间碎屑被移除或清理干净。

因此，需要增加焊接设备的喷嘴上的焊珠的稳定性。

而且，印刷电路板在它们的设计和布局规划（使用电子元件）上已经越来越复杂，并通常利用越来越小的元件非常密集地布居，并且由于电子元件变得越来越小，理论上可以在单位空间内容纳更多的电子元件。因此在工业上还存在强烈的动力来寻求降低焊料流的焊珠或焊点尺寸。原则上这可以通过降低焊接喷嘴的顶端直径来实现，但是这最终导致了喷嘴故障或者焊珠的破裂。这能够以诸如“凝固”、过度“晃动”（在使喷嘴移动/加速时，焊珠变得不稳定/不规则）或“喷射”的现象的形式体现。这些经常发生，这是因为由于焊料中的环境热量损失，焊料、喷嘴或终端的给定热容量以及熔融焊料流的给定流体动态特性，在用于产生期望的焊珠的所需要的流速下不能保持所需的喷嘴温度。因此，可用的焊接喷嘴顶端的尺寸可以为印刷电路板的设计以及它们的元件布局的限定因素。

目前，已经制成了下至2.5mm的可用的喷嘴，但是任何小于2.5mm的喷嘴将不能执行所期望的焊珠产生功能。