蒸汽回流焊装置和蒸汽回流焊方法
阅读：426发布：2020-05-13
专利汇可以提供蒸汽回流焊装置和蒸汽回流焊方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 蒸汽 回流焊 装置，其包括加热炉，加热炉包括预热区、均匀加热区、 熔化 区和冷却区， 过热 蒸汽 分别被供应至预热区、均匀加热区、熔化区和冷却区。该装置进一步包括炉进口侧防结露区和炉出口侧防结露区，由加热器加热的具有100℃或更高 温度 的空气或氮气分别被供应至炉进口侧防结露区和炉出口侧防结露区，炉进口侧防结露区和炉出口侧防结露区分别与预热区的上游侧和冷却区的下游侧相邻地设置。炉进口侧防结露区的气压和炉出口侧防结露区的气压高于预热区的气压和冷却区的气压。，下面是蒸汽回流焊装置和蒸汽回流焊方法专利的具体信息内容。
1.一种蒸汽回流焊装置，包括：
加热炉，其包括预热区、均匀加热区、熔化区和冷却区，过热蒸汽分别被供应至所述预热区、所述均匀加热区、所述熔化区和所述冷却区；
基板输送机，其将基板输送至所述加热炉内部，其中，在所述基板被输送的同时，所述基板的电极上的电子部件被焊接；
炉进口侧防结露区和炉出口侧防结露区，其分别与所述预热区的上游侧和所述冷却区的下游侧相邻地设置，其中，由加热器加热的具有100℃或更高温度的空气或氮气被供给至所述炉进口侧防结露区和所述炉出口侧防结露区；和
设置在所述加热器的一侧的风扇，其将加热后的空气或加热后的氮气输送到所述炉进口侧防结露区和所述炉出口侧防结露区的内部，
其中，通过控制所述风扇的旋转次数，具有所述基板的进口的所述炉进口侧防结露区的气压和具有所述基板的出口的所述炉出口侧防结露区的气压被设置成高于所述预热区的气压和所述冷却区的气压。
2.一种蒸汽回流焊方法，包括在输送基板的同时进行焊接，在所述基板上安装有电子部件，所述方法具有以下步骤：
通过由加热器加热并且由风扇输送的空气或氮气将从进口载入的基板加热到100℃或更高温度以实现炉进口侧防结露，其中所述基板上安装有电子部件；
通过由加热器加热的具有100℃或更高温度的过热蒸汽加热所述基板来实现预加热；
通过由加热器加热的过热蒸汽将所述基板进一步加热至150℃或更高的温度来实现均匀加热；
通过由加热器加热的过热蒸汽加热所述基板至焊料熔化温度或更高的温度从而熔化焊料以实现熔化；
通过由加热器加热的过热蒸汽冷却所述基板以实现冷却；
通过由加热器加热并且由风扇输送的空气或氮气冷却所述基板以实现炉出口侧防结露；和
将所述基板从出口载出，其中，
通过控制所述风扇的旋转次数，在所述炉进口侧防结露期间的气压和在所述炉出口侧防结露期间的气压被设置成高于所述预加热的气压和所述冷却的气压。
蒸汽回流焊装置和蒸汽回流焊方法
技术领域
背景技术
[0002] 其上安装有电子部件的、诸如基板的受热主体(在下文中全体被称为“基板”)被供给至回流焊装置，并且受热主体被焊接。常规回流焊装置的加热炉包括预热区、均匀加热区、熔化区和冷却区。在基板由输送机输送的同时，基板在预热区中从常温被加热至约150℃或更高的温度，并且被供给至均匀加热区。在基板在均匀加热区中在约150℃或更高的温度下被加热持续一会儿之后，基板被供给至熔化区。然后，基板在熔化区中迅速被加热至约230℃，约230℃高于或等于焊料熔点(约219℃，但是熔点依赖于焊料的种类而变化)，并且焊料被熔化。然后，在基板被供给至冷却区并且被风扇等冷却且熔化的焊接被固化之后，基板被载至加热炉的外部。
[0003] 当基板在如上文所描述的加热炉中在空气回流焊中被加热时，焊料的表面被在高温下激活的空气中的氧气氧化，并且焊料的可湿性下降。因此，用于利用氮气(它是一种惰性气体)填充加热炉内部并且进行焊接的氮气回流焊是已知的。即使当基板在高温下被加热时，氮气回流焊也可以防止焊料的表面氧化。然而，因为消耗了大量的氮气，所以氮气回流焊具有增加成本的问题。
[0004] 因此，代替氮气回流焊，提出了用于通过100℃或更高的高温的过热蒸汽(在下文中简称为“蒸汽”)执行焊接的蒸汽回流焊(如专利文献1和2中的JP-A-2008-270499和JP-A-2011-82282)。
[0005] 专利参考文献1：JP-A-2008-270499
[0006] 专利参考文献2：JP-A-2011-82282
发明内容
[0007] 因为廉价水仅需被加热以将水变成蒸汽回流焊中的蒸汽，所以蒸汽回流焊可以以比氮气回流焊的成本低得多的成本来实施。然而，蒸汽回流焊仍旧未投入实际使用。主要原因之一是因为未解决结露的问题。具体地，该问题如下。如上所述，在回流焊装置的加热炉中，基板从常温迅速地被加热至约150℃或更高的温度。在那种情况下(也就是，在加热炉中移动基板的情况)，当具有高于100℃(这是结露边界温度)的高温的过热蒸汽接触具有常温(例如，约20℃)的基板时，蒸汽在基板的表面上液化以促使结露，并且结露使例如焊料、基板上的电极和安装在基板上的电子部件退化。另外，结露水进入基板的内部并且通过后续的加热被汽化，并且其体积膨胀可能摧毁基板。
[0008] 另外，在焊料在约230℃下被熔化区中的高温蒸汽熔化之后，基板在冷却区中被冷却以使焊料固化，并且将基板从加热炉载出。在那种情况下(也就是，将基板从加热炉移出的情况)，当从炉出口流出的具有100℃或更高温度的蒸汽接触具有100℃或更高温度的残热的基板时，蒸汽在基板的表面上液化以促使结露，并且结露使例如焊料、基板上的电极和焊接在基板上的电子部件退化。因为如上文所描述的结露的问题，所以目前的状态是蒸汽回流焊仍未投入使用。
[0009] 因此，本发明可以解决如上文所描述的在将基板移入和移出炉时的结露的问题，并且本发明的一个或多个方面的非限制性目的是提供利用能够投入实际使用的过热蒸汽的蒸汽回流焊装置和蒸汽回流焊方法。
[0010] 一种蒸汽回流焊装置，包括：加热炉，其包括预热区、均匀加热区、熔化区和冷却区，过热蒸汽分别被供应至所述预热区、均匀加热区、熔化区和冷却区；基板输送机，其输送所述加热炉内部的基板，其中，在所述基板被输送的同时，所述基板的电极上的电子部件被焊接；炉进口侧防结露区和炉出口侧防结露区，其分别与所述预热区的上游侧和所述冷却区的下游侧相邻地设置，其中，由加热器加热的具有100℃或更高温度的空气或氮气被供给至所述炉进口侧防结露区和所述炉出口侧防结露区，并且具有所述基板的进口的所述炉进口侧防结露区的气压和具有所述基板的出口的所述炉出口侧防结露区的气压被设置成高于所述预热区的气压和所述冷却区的气压。
[0011] 一种蒸汽回流焊方法，包括在输送基板的同时进行焊接，在所述基板上安装有电子部件，所述方法利用下列程序：通过由加热器加热的空气或氮气将从进口载入的基板加热到100℃或更高温度以实现炉进口侧防结露，在所述基板上安装有电子部件；通过由加热器加热的具有100℃或更高温度的过热蒸汽加热所述基板来实现预加热；通过由加热器加热的过热蒸汽将所述基板进一步加热至150℃或更高的温度来实现均匀加热；通过由加热器加热的过热蒸汽加热所述基板至焊料熔化温度或更高的温度并且熔化焊料以实现熔化；通过由加热器加热的过热蒸汽冷却所述基板以实现冷却；通过由加热器加热的空气或氮气冷却所述基板以实现炉出口侧防结露；和将基板从出口载出，并且炉进口侧防结露期间的气压和在炉出口侧防结露期间的气压被设置成高于预加热的气压和冷却的气压。
[0012] 根据本发明的方面，在将基板移入移出加热炉的情况下，可以防止接触基板的蒸汽变成100℃或更低的温度以促使结露，其结果是，可以实施可实行的蒸汽回流焊。
[0013] 另外，炉进口侧防结露区的气压和炉出口侧防结露区的气压被设置成高于预热区的气压和冷却区的气压，并且因此，可以防止如下情形：预热区的蒸汽和冷却区的蒸汽从炉进口侧防结露区的进口和炉出口侧防结露区的出口泄漏到加热炉的外部，并且蒸汽接触加热炉的外表面以促使结露，并且该外表面被浸满水并且变湿。附图说明
[0014] 在所附的附图中：
[0015] 图1是在本发明的一个实施例中的蒸汽回流焊装置的示意侧视图；
[0016] 图2为在本发明的一个实施例中蒸汽回流焊装置的截面图；和
[0017] 图3为在本发明的一个实施例中蒸汽回流焊装置的温度曲线图。
具体实施方式
[0018] 在图1中，蒸汽回流焊装置1大体上包括加热炉2。加热炉2的内部包括相邻的多个区，所述多个区从基板输送路径的上游侧朝下游侧依次为第一区(作为炉进口侧防结露区的空气初步加热区)Z1、第二区(作为预热区的第一过热蒸汽初步加热区)Z2、第三区(作为均匀加热区的第二过热蒸汽初步加热区)Z3，第四区(作为熔化区的第三过热蒸汽初步加热区)Z4、第五区(作为冷却区的第四过热蒸汽冷却区)Z5、和第六区(作为炉出口侧防结露区的空气冷却区)Z6。图1示出蒸汽回流焊装置的示意侧视图。
[0019] 加热炉2的内部设置有构成基板输送装置的输送机3。在输送机3将加热炉2内部的基板S从上游侧的第一区Z1输送至下游侧的第六区Z6的同时，在基板上执行焊接。
[0020] 如在图1的局部放大图K中所示，在作为先前步骤的电子部件安装步骤中，电子部件P被安装在基板S的上表面上。电子部件P的两侧的电极E通过诸如糊状焊料的焊料h附接至形成在基板S的表面上的电极E’。例如，无铅焊料被用作焊料。在其上安装有电子部件P的基板S从在第一区Z1的前面形成的进口10a被载入第一区Z1并且在区Z1至区Z6中的每一个的内部被输送之后，基板S从形成在第六区Z6后面的出口10b被载出。在下文中，将依次描述区Z1至区Z6中的每一个。
[0021] 加热炉2的下侧设置有作为空气加热装置的第一加热器H1，并且具有100℃或更高温度(例如，约120℃)的空气被供给并且从第一区Z1的下表面的开口11被供应，并且从上表面开口12被排放。因此，第一区Z1形成作为炉进口侧防结露区的空气初步加热区，其中，被输送机3载入加热炉2并且在加热炉2中移动的基板S从常温被加热至100℃(这是蒸汽的结露(液化)边界温度)或更高的温度(约120℃)。
[0022] 从基板输送路径的上游侧朝下游侧，第一区Z1的下游侧依次相邻地设置有第二区(第一过热蒸汽初步加热区)Z2、第三区(第二过热蒸汽初步加热区)Z3、第四区(熔化区)Z4、第五区(过热蒸汽冷却区)Z5和第六区(空气冷却区)Z6。作为过热蒸汽区的第二区Z2至第五区Z5的外侧分别设置有第二加热器H2、第三加热器H3、第四加热器H4和第五加热器H5。第二加热器H2至第五加热器H5的过热蒸汽的输送侧分别设置有温度传感器4，并且温度传感器4测量从这些加热器输送的过热蒸汽的温度。
[0023] 开口21、31、41、51分别在第二区Z2至第五区Z5的上表面中敞开。第二加热器H2将具有约120℃的蒸汽(也就是，具有与由第一加热器H1加热的空气的温度相似的温度并且被供应至第一区Z1的蒸汽)从开口21供给并且供应至第二区Z2。第三加热器H3将具有更高温度(例如，约180℃)的蒸汽从开口31供应至第三区Z3。第四加热器H4将具有约219℃(这是焊料熔化温度)或更高温度(例如，约230℃)的蒸汽从开口41供给并供应至第四区Z4。第五加热器H5将具有接近100℃(这是结露温度)的低温(例如，约120℃)的蒸汽从开口51供应至第五区Z5。另外，上述第一加热器H1从与第五区(冷却区)Z5的下游侧相邻的第六区(炉出口侧防结露区)Z6的下表面的开口61供应具有接近100℃的低温(例如，约120℃，也就是，稍微高于100℃的温度(结露边界温度)，在该温度下，可以防止蒸汽结露)的空气。第六区Z6的上表面形成有用于排放空气的开口62。
[0024] 作为过热蒸汽区的区Z2至Z5的气压等于或大致等于标准大气压(1个气压)。另一方面，第一区(炉进口侧防结露区)Z1的气压和第六区(炉出口侧防结露区)Z6的气压被设置成稍微高于第二区(预热区)Z2的气压和第五区(冷却区)Z5的气压的气压(例如，1.01个气压)，该第二区(预热区)Z2的气压和第五区(冷却区)Z5的气压等于或大致等于如上文所描述的标准大气压(1个气压)。
[0025] 因此，在加热炉2中，第二区(预热区)Z2的上游侧和第五区(冷却区)Z5的下游侧分别相邻地设置有第一区(炉进口侧防结露区)Z1和第六区(炉出口侧防结露区)Z6，由第一加热器H1加热至100℃或更高温度的空气被供应至第一区Z1和第六区Z6。第一区Z1的气压和第六区Z6的气压被设置成稍微高于第二区Z2的气压和第五区Z5的气压。因此，能够防止第二区Z2或第五区Z5内部的蒸汽进入第一区Z1或第六区Z6和从进口10a或出口10b漏泄到加热炉2的外部。也就是，第一区Z1和第六区Z6用作空气幕以便防止过热蒸汽区内部的蒸汽漏泄到加热炉2的外部。当加热炉2内部的蒸汽从进口10a和出口10b泄漏到外部时，漏泄的蒸汽可以暴露于外部空气并且被冷却。漏泄的蒸汽可以接触加热炉2的外表面以促使结露，并且该外表面被浸满水并且变湿。另外，将从进口10a被载入第一区Z1中的基板S变湿。这样的结露使得难以执行对加热炉2的精确的温度控制或适当地加热基板S以及使得弄脏加热炉2的外表面。
[0026] 另外，类似于上述的空气幕效应能够通过将预热区Z2的气压和冷却区Z5的气压设定在1个气压或以下(例如，0.99个气压)并且将第一区Z1的气压和第六区Z6的气压设定在高于0.99个气压的气压(例如，等于标准大气压的1个气压)来获得。换言之，第二区Z2或第五区Z5的内部的蒸汽仅须通过将第一区Z1的气压和第六区Z6的气压设定为相对高于第二区Z2的气压和第五区Z5的气压来被防止漏泄到加热炉2外部。
[0027] 在本实施例中，空气由第一加热器H1加热到100℃或更高的温度，并且被供给且供应至第一区Z1和第六区Z6。替代地，代替空气，氮气可以由第一加热器H1加热至100℃或更高的温度，并且被供应至第一区Z1和第六区Z6。这可以更加无疑地防止焊料等在移进和移出炉时的氧化。然而，当以这种方式使用氮气时，成本相应地变高，但是氮气的消耗量变得远小于常规氮气回流焊的消耗量。
[0028] 第二加热器H2至第五加热器H5经管线5连接至蒸汽发生器6。蒸汽发生器6由第一控制器的控制。第一加热器H1由第二控制器8控制。此外，第一加热器H1的侧面包括用于将空气输送至第一区Z1和第六区Z6的风扇，并且通过控制风扇的旋转次数，第一区Z1的气压和第六区Z6的气压能够设置成高于第二区Z2的气压和第五区Z5的气压，如上文所描述的。第二加热器H2至第五加热器H5由第三控制器9控制。
[0029] 第二区Z2至第五区Z5的下表面形成有排气孔22、32、42、52。排气孔22、32、42、52中的每一个经管线70与水槽71连通。管线70的中部设置有冷却器72和磁通移除器73。因此，从排气孔22、32、42、52中的每一个排放的蒸汽由冷却器72冷却并且被液化，并且不良的磁通由磁通移除器73移除，然后，蒸汽返回至水槽71。蓄积在水槽71中的水由泵74抽吸，并且经管路75返回至蒸汽发生器6。因此，水可以反复地使用。管路75的中部设置有用于调节水供应的阀76。
[0030] 图2示出加热炉2的截面。加热炉2通过堆叠通过将板形主体模制成大致U形而形成的多个箱主体81、82、83、84形成，并且隔热空间G形成在箱主体81、82、83、84中的每一个之间。隔热空间G可以内部地形成有绝热材料。箱主体81至84中的每一个的上端联接到一对第一左右框架91、91和一对第二左右框架92、92。作为盖板的透明板93附接在第一框架91、91之间。另外，为透明板的弓形保护板94附接在第二框架92、92之间。玻璃板、塑性板等能够被应用到保护板94或透明板93，用作加热炉2的顶棚的盖板。此外，保护板94并不限于弓形形状，并且可以采用其它形状(例如，平板)。
[0031] 因为对于该蒸汽回流焊装置1而言，不需要在构成基板输送装置的输送机3上方布置诸如加热器的装置，所以加热炉2的顶棚板由透明板93或保护板94形成。因此，工人可以实时地在视觉上从上面直接识别加热炉2的内部状态，特别地，焊料h是否在第四区(熔化区)Z4中正常熔化，也就是，焊接是否正常进行，其结果是，可以执行更加适当的操作管理。因此，在加热炉2中，至少第四区(熔化区)Z4的顶棚期望地由能够从上面在视觉上识别的透明板形成。另外，由输送机3在加热炉2内部输送的基板S具有故障，例如，基板S从输送机3落下，但是一个人从上面可以容易地在视觉上识别在该加热炉2中这样的故障的存在或不存在。
[0032] 图3示出加热炉2的每一个区Z1至Z6的温度曲线。由链线T1示出的温度曲线是焊接的理想(目标)温度曲线。由粗线T2示出的温度曲线是由每一个加热器H1至H5实施的每一个区Z1至Z6的环境温度的温度曲线。由虚线T3示出的温度曲线是被每一个区Z1至Z6的环境温度加热的基板S的实际温度曲线。因此，通过每一个加热器H1至H5实施的每一个区Z1至Z6的环境温度，基板S的实际温度曲线T3期望地最接近理想温度曲线T1。图1也示出基板S的理想温度曲线T1和实际温度分布线T3以便容易理解。
[0033] 该蒸汽回流焊装置1包括如上文所描述的构造。随后，将参照图1和图3描述回流焊步骤。在图1中，具有常温的基板S从进口10a被载入第一区Z1中(在加热炉2中移动)，并且被由第一加热器H1加热的空气加热至100℃或能够防止结露的更高的温度(炉进口侧防结露步骤)。在基板S第一区Z1中在空气中以这种方式被加热至100℃(结露温度)或更高的温度之后，基板S被载入作为第一蒸汽区的第二区Z2中。然后，因为基板S连续地被由第二加热器H2加热的过热蒸汽加热至120℃(预加热步骤)，所以蒸汽能够防止接触基板S并且防止使在第二区Z2中的基板的表面上结露(液化)。
[0034] 然后，基板S被载入第三区Z3中，并且进一步被由第三加热器H3加热的过热蒸汽加热至较接近219℃(这是焊料的熔点)的约180℃(150℃或更高)(均匀加热步骤)。
[0035] 然后，基板S被载入第四区Z4中，并且被由第四加热器H4加热的过热蒸汽迅速加热至高于或等于熔点(约219℃，这是焊料的熔化温度)的约230℃，并且因此，焊料熔化(熔化步骤)。
[0036] 然后，基板S被载入第五区Z5，并且被由第五加热器H5加热的过热蒸汽冷却至接近100℃的温度(例如，约120℃)，并且焊料h成为焊料熔点或更低的温度从而被固化(通过过热蒸汽的冷却步骤)。
[0037] 然后，在基板S在由第一加热器H1加热的、具有100℃或更高温度(例如，约120℃)的空气的区中被输送(炉出口侧防结露步骤)之后，基板S从出口10b被载出到加热炉2的外部。结果，因为基板从蒸汽区到空气区具有100℃或更高的温度，所以不引起结露。基板S经过所有区Z1至Z6所需的时间(蒸汽回流焊所需的所有时间)能够缩短至例如约150秒，并且比常规空气回流焊或氮气回流焊的时间短得多。因此，加热炉的全长可以减小以实现紧凑的回流焊装置。
[0038] 本发明作为用于通过诸如无铅焊料的焊料来将电子部件焊接在基板的电极上的回流焊装置和回流焊方法是特别有用的。
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