用于回流炉加热的压缩室和相关方法.pdf

一种回流炉膛总成(50)被设置用于安装在回流炉的回流炉膛内，包括设置在回流炉膛内的炉膛壳体(52)，设置在炉膛壳体内的一个或多个加热元件(66)，以及设置在炉膛壳体(52)内的一个或多个压缩室总成(68)。压缩室总成(68)包括压缩室壳体(74)，具有位于加热元件附近的进气口(88，90)，设置在压缩室(68)内的进气管(92)以及设置在进气管上方的导流板(86)。进气管(92)具有与压缩室壳体(74)的进气口(88，90)流体连通的入口(106，108)和出口(110)。压缩室总成被设置用于将加热空气从回流炉膛通过进气口引入压缩室壳体内和引入进气管的入口内以及将空气从进气管的出口排出至导流板。进一步公开了一种在回流焊炉内分配加热空气的方法。

权利要求书一种回流炉膛总成，被设置用于安装在将电子元件连接至基板所用回流炉类型的回流炉膛内，所述回流炉膛总成包括：
炉膛壳体，其设置在回流炉膛内；
至少一个加热元件，其设置在炉膛壳体内；以及
至少一个压缩室总成，其设置在炉膛壳体内，所述至少一个压缩室总成包括：
压缩室壳体，其具有位于至少一个加热元件附近的至少一个进气口，
进气管，其设置在压缩室内，所述进气管具有与压缩室壳体的至少一个进气口流体连通的至少一个入口和一个出口，以及
导流板，其设置在进气管上方，
其中压缩室总成被设置用于将加热空气从回流炉膛通过至少一个进气口引入压缩室壳体内和引入进气管的至少一个入口内以及将空气从进气管的出口排出至导流板。
如权利要求1所述的回流炉膛总成，其中压缩室总成进一步包括压力分配设备，所述压力分配设备位于进气管和压缩室壳体之间出口位置处。
如权利要求2所述的回流炉膛总成，其中压力分配设备包括至少一个叶片以实现从进气管出口到导流板的流体连通。
如权利要求2所述的回流炉膛总成，其中压缩室总成进一步包括鼓风机设备，所述鼓风机设备位于压力分配设备内，所述鼓风机设备被设置用于将加热空气从进气管引导至导流板。
如权利要求1所述的回流炉膛总成，其中压缩室总成进一步包括压力平衡板，所述压力平衡板位于进气管和导流板之间。
如权利要求5所述的回流炉膛总成，其中压力平衡板从进气管的一端延伸至进气管的相对端。
如权利要求1所述的回流炉膛总成，其中导流板包括成形在其中的多个开口。
如权利要求1所述的回流炉膛总成，其中压缩室壳体包括四个进气口，并且其中进气管包括四个入口，所述四个入口对准压缩室壳体的四个进气口并与之流体连通。
如权利要求8所述的回流炉膛总成，其中压缩室壳体具有四个侧面，每一个侧面都有一个进气口，并且其中进气管包括四个侧面，每一个侧面都有一个入口。
如权利要求1所述的回流炉膛总成，进一步包括至少两个压缩室总成以及区域分隔板，所述区域分隔板设置在至少两个压缩室总成之间。
如权利要求1所述的回流炉膛总成，进一步包括至少两个加热元件，所述至少两个加热元件设置在压缩室相对端。
一种在回流焊炉类型内分配加热空气的方法，所述回流焊炉类型包括被设置用于安装在回流炉膛内的回流炉膛总成，回流炉膛总成包括设置在回流炉膛内的炉膛壳体，设置在炉膛壳体内的至少一个加热元件，以及设置在炉膛壳体内的至少一个压缩室总成，至少一个压缩室总成包括压缩室壳体，具有位于至少一个加热元件附近的至少一个进气口，设置在压缩室内的进气管，进气管具有与压缩室壳体的至少一个进气口流体连通的至少一个入口和一个出口，以及设置在进气管上方的导流板，所述方法包括：
将加热空气从回流炉膛通过至少一个进气口引入压缩室壳体内和引入进气管的至少一个入口内；以及将空气从进气管的出口排出至导流板。
如权利要求12所述的方法，进一步包括将压力分配设备定位在进气管和压缩室壳体之间的出口位置处。
如权利要求13所述的方法，进一步包括将鼓风机设备定位在压力分配设备内，鼓风机设备被设置用于将加热空气从压缩室引导至导流板。
如权利要求12所述的方法，进一步包括将压力平衡板定位在进气管和导流板之间。

说明书用于回流炉加热的压缩室和相关方法
相关申请
本申请根据美国法典第35篇第119条(e)款要求2010年6月28日提交的申请号为61/359,222且发明名称为“用于回流炉加热的压缩室(COMPRESSION BOX FOR REFLOW OVEN HEATING)”的美国临时申请的优先权，因此通过全文引用将其并入本文以用于所有目的。
技术领域
本申请主要涉及通过使用回流焊工艺在印刷电路板上表面贴装电子元件，并且更具体地涉及被设计用于在回流焊工艺期间向印刷电路板提供加热空气均匀气流的回流焊炉中的压缩室。
背景技术
在制作印刷电路板时，电子元件经常通过被称为“回流焊”的工艺而被表面贴装至空板。在典型的回流焊工艺中，将某种焊膏图案沉积到电路板上，然后将一个或多个电子元件的引脚插入沉积的焊膏内。电路板随后被输送经过焊炉，其中焊膏在加热区内被回流焊(也就是加热至熔点或回流焊温度)并随后在冷却区内被冷却以将电子元件的引脚电连接和机械连接至电路板。如本文中所用的术语“电路板”或“印刷电路板”包括任意类型的电子元件基板总成，例如包括晶圆基板。
对于每一个加热区，回流炉包含一系列压缩室用于在回流焊工艺期间将加热的对流空气分配至印刷电路板。回流焊工艺近来已经发展成从传统的锡‑铅焊料转变为无铅材料。这些新型焊料缩减了工艺窗口并且要求减小印刷电路板上的温度差异。减小本领域内被称为“ΔT”的温度差异的重要性推动了优化设计用于均匀气流的压缩室的需求以在其整个宽度上实现印刷电路板的均匀加热。
印刷电路板上较大的温度差异能够导致焊点加热不足或者印刷电路板的元件过热。这些缺点能够导致印刷电路板的返工和/或报废，这对于印刷电路板的制造商来说可能意味着极高的成本。
发明内容
本公开的一种应用涉及一种回流炉膛总成，被设置用于安装在将电子元件连接至基板所用回流炉类型的回流炉膛内。在一个实施例中，回流炉膛总成包括设置在回流炉膛内的炉膛壳体，设置在炉膛壳体内的至少一个加热元件，以及设置在炉膛壳体内的至少一个压缩室总成。在某个实施例中，至少一个压缩室总成包括压缩室壳体，具有位于至少一个加热元件附近的至少一个进气口，设置在压缩室内的进气管以及设置在进气管上方的导流板。进气管具有与压缩室壳体的至少一个进气口流体连通的至少一个入口和一个出口。压缩室总成被设置用于将加热空气从回流炉膛通过至少一个进气口引入压缩室壳体内和引入进气管的至少一个入口内以及将空气从进气管的出口排出至导流板。
回流炉膛总成的实施例可以包括位于进气管和压缩室壳体之间出口位置处的压力分配设备。压力分配设备包括实现从进气管出口到导流板流体连通的至少一个叶片。压缩室总成进一步包括位于压力分配设备内的鼓风机设备，鼓风机设备被设置用于将加热空气从进气管引导至导流板。压缩室总成进一步包括位于进气管和导流板之间的压力平衡板。压力平衡板从进气管的一端延伸至进气管的相对端。导流板包括成形在其中的多个开口。压缩室壳体包括四个进气口，并且其中进气管包括对准压缩室壳体的四个进气口并与之流体连通的四个入口。压缩室壳体具有四个侧面，每一个侧面都有一个进气口。类似地，进气管包括四个侧面，每一个侧面都有一个入口。回流炉进一步包括至少两个压缩室总成以及设置在至少两个压缩室总成之间的区域分隔板。回流炉进一步包括设置在压缩室相对端的至少两个加热元件。
本公开的另一种应用涉及一种在包括被设置用于安装在回流炉膛内的回流炉膛总成的回流焊炉类型内分配加热空气的方法，回流炉膛总成包括设置在回流炉膛内的炉膛壳体，设置在炉膛壳体内的至少一个加热元件，以及设置在炉膛壳体内的至少一个压缩室总成，至少一个压缩室总成包括压缩室壳体，具有位于至少一个加热元件附近的至少一个进气口，设置在压缩室内的进气管，进气管具有与压缩室壳体的至少一个进气口流体连通的至少一个入口和一个出口，以及设置在进气管上方的导流板。在一个实施例中，所述方法包括：将加热空气从回流炉膛通过至少一个进气口引入压缩室壳体内和引入进气管的至少一个入口内；以及将空气从进气管的出口排出至导流板。
所述方法的实施例进一步包括将压力分配设备定位在进气管和压缩室壳体之间的出口位置处，和/或将鼓风机设备定位在压力分配设备内，鼓风机设备被设置用于将加热空气从压缩室引导至导流板，和/或将压力平衡板定位在进气管和导流板之间。
附图说明
附图并非一定是按比例绘制。在附图中，各图内示出的每一个相同或大致相同的元件都由同样的附图标记表示。为了清楚起见，并不是每一个元件都会在每一张附图中进行标记。在附图中：
图1是本公开的回流焊炉实施例的示意图；
图2是回流焊炉中回流炉膛总成的分解透视图；
图3是回流炉膛总成中压缩室总成的分解透视图；
图4是由压缩室总成生成气流的正面立视图；以及
图5是其侧面立视图。
具体实施方式
仅仅是为了说明而不是为了限制普遍适用性，现参照附图详细介绍本公开。本公开并不将其应用局限于在以下说明内容中阐述或者在附图中示出的结构细节和部件的设置方式。本公开所介绍的原理能够用于其他的实施例并且可以用各种不同的方式实践或实现。而且如本文中所用的短语和术语都是为了进行说明而不应被认为是限制性的。本文中使用“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变形的意图是涵盖随后列举的项目及其等价形式以及增列项目。
在组装印刷电路板时经常使用焊膏，其中焊膏被用于将电子元件连接至电路板。焊膏包括用于焊接接缝的焊料以及用于制备金属表面以供连接焊料使用的焊剂。焊膏可以通过使用任意多种涂布方法沉积到设置在电路板上的金属表面(例如电子焊盘)上。在一个示例中，模版打印机可以利用刮板强行将焊膏抹过放置在暴露的电路板表面上的金属模版。在另一个示例中，分配器可以将焊膏材料分配到电路板的特定区域。将电子元件的引脚对准焊料沉积物并压入其中以形成组装。在回流焊工艺中，焊料随后被加热至足以熔化焊料的温度，然后再冷却以将电子元件持久地电耦合和机械耦合至电路板。焊料通常包括其熔点温度低于所连接金属表面的熔点温度的合金。温度还必须足够低以使得不会对电子元件造成损坏。在某些实施例中，焊料可以是锡‑铅合金。但是，采用无铅材料的焊料也可以使用。
在焊料中，焊剂通常包括粘结剂、溶剂、活化剂和其他添加剂。粘结剂是涂覆待焊接表面的固体或非挥发性液体并且可以包括松香、树脂、乙二醇、聚乙二醇、聚乙二醇表面活性剂和丙三醇。在预热和焊接工艺期间蒸发的溶剂用于溶解粘结剂、活化剂和其他添加剂。典型的溶剂示例包括乙醇、乙二醇、乙二醇酯和/或乙二醇醚和水。活化剂加强从待焊接表面中去除金属氧化物的能力。常用的活化剂包括盐酸胺、二羧酸例如己二酸或丁二酸以及有机酸例如柠檬酸、苹果酸或松香酸。其他焊剂的添加剂可以包括表面活性剂、粘度调节剂以及用于提供低坍落度和良好粘着特性以供在回流之前将元件固定就位的添加剂。
图1中示出了用于焊接电路板总成的回流焊装置的一个实施例。这样的装置在印刷电路板的制作和组装领域内有时被称为回流炉或回流焊炉。图1中整体上标记为10的回流焊炉包括隔热炉道形式的回流炉膛12，界定出用于预热、回流并随后冷却从中经过的电路板上的焊料的通道。回流炉膛12在多个加热区上延伸，在一个示例中包括三个预热区14，16，18，然后是三个浸润区20，22，24，每一个区域都分别包括顶部和底部加热器26，28。浸润区20，22，24之后例如是四个峰值区(spike zone)30，32，34，36，其中类似地包括加热器26，28。并且最终在峰值区30，32，34，36之后还有三个冷却区38，40，42。
包括沉积焊膏和电子元件的电路板总成44在图1中用虚线46表示的固定速度传送带上(例如在图1中从左向右地)被输送经过隔热回流炉膛12中的每一个区域，由此实现电路板总成受控和逐步的预热、回流和回流后的冷却。在预备性的预热区14，16，18，将电路板从环境温度加热至焊剂激活温度，焊剂激活温度对于铅基焊料来说可以在约130℃到约150℃的范围之间，对于无铅焊料来说可以更高。
在浸润区20，22，24内，电路板总成上的温度差异得以稳定并且为激活的焊剂提供时间以在回流之前清理元件引脚、电子焊盘和焊料粉末。另外，焊剂内的VOC被蒸发。浸润区20，22，24中的温度对于铅基焊料来说通常是约140℃到约160℃，对于无铅焊料来说可以更高。在某些实施例中，电路板总成经过浸润区20，22，24可能要花费约30秒到约45秒。
在峰值区30，32，34，36内，温度快速升高至焊料熔点以上的温度以回流焊料。用于共晶体或近似共晶体的锡‑铅焊料的熔点是约183℃，其中回流峰值通常被设定为高于熔点约25℃到约50℃以超过熔融焊料的粘稠范围。对于铅基焊料来说，峰值区内的典型最高温度在约200℃到约220℃的范围内。高于约225℃的温度可能会造成焊剂硬化、损坏元件和/或牺牲接缝的完整性。低于约200℃的温度可能会阻止接缝实现完全回流。在一个实施例中，电路板总成通常在峰值区30，32，34，36内保持高于回流温度的温度达到约一分钟。
然后，在冷却区38，40，42内，温度降至回流温度以下，并且电路板总成被充分冷却以固化接缝并由此在电路板总成离开回流炉膛12之前保持接缝的完整性。
焊剂抽取/过滤系统(未示出)可以被设置用于从由回流焊炉10生成的气体中去除污染性材料。在一个实施例中，进气管(未示出)可以被连接至选定区域或者连接在选定区域之间以提供从回流炉腔12到焊剂抽取/过滤系统的流体连通。出气管(也未示出)可以被连接至选定区域或者连接在选定区域之间以提供从焊剂抽取/过滤系统返回到回流炉腔12的流体连通。在操作中，蒸汽流从回流炉腔12抽出，经过进气管、经过所述系统、随后经过出气管并返回到回流炉腔。类似的进气管、系统和出气管的结构同样可以设置用于从回流焊炉10的其他区域或者在其他区域之间抽出蒸汽流。
现转至图2，回流炉中包括加热器26，28的几个区域(例如预热区14，16，18、浸润区20，22，24和/或峰值区30，32，34，36)都包括整体上标记为50的回流炉膛总成。在图示的实施例中，回流炉膛总成50实施有四个这样的区域。应该注意的是回流炉膛总成50可以被设置为在回流焊炉内具有所需或要求的任意合适数量的区域。而且，应该注意到图2示出了下部的回流炉膛总成50。类似的上部回流炉膛总成可以设置为附加于或者取代下部的回流炉膛总成以在电路板行进经过回流炉时从印刷电路板上方输送加热空气。
回流炉膛总成50包括整体上标记为52的矩形炉膛壳体，具有底部54、两个相对较长的侧部56，58、两个相对较短的端部60，62和开口的顶部64。炉膛壳体52被设置用于包围和安装回流炉膛总成50中的部件，并且进一步被设置用于适当地固定在回流焊炉10的回流炉膛12内。回流炉膛总成50进一步包括沿炉膛壳体52的长侧56，58设置的八个加热元件，每一个都标记为66。加热元件66提供特定区域例如浸润区20，22，24或峰值区30，32，34，36所需的热量。加热元件66被设计用于提供对流加热。
回流炉膛总成50还包括容纳在炉膛壳体52内的四个压缩室总成，每一个都标记为68。压缩室总成68被设置用于在回流工艺期间向印刷电路板(例如电路板44)分配加热空气的均匀气流。压缩室总成68在炉膛壳体52内的取向使得压缩室总成的长侧沿着与炉膛壳体长侧56，58的方向垂直的方向延伸。每一个都标记为70的区域分隔板被设置在相邻的压缩室总成68之间以分隔各个区域。区域分隔板70被设置用于隔开回流炉10内的各个区域。另外，鼓风机设备72被设置用于每一个压缩室总成68以引导加热空气从压缩室总成流向回流炉膛总成50。如图2所示，针对每一个压缩室总成68都设有两个加热元件66。这种设置方式使得加热元件66被定位在压缩室总成68的端部，其结构将随着对本公开说明的继续而详细介绍。
参照图3，每一个压缩室总成都包括整体上标记为74的压缩室壳体，具有底壁76、两个侧壁78，80、两个端壁82，84和穿孔的顶壁或导流板86。两个侧壁78，80具有相对较小的通过构建方形图案的一系列小开口而成形的进气口88。类似地，两个端壁82，84具有相对较大的也是通过构建矩形图案的一系列小开口而成形的进气口90。在一个实施例中，进气口88，90通过将压缩室壳体74的金属板材冲压出3/8英寸穿孔的方形开口而制成。这种开口图案提供了进气压力和排气压力的最优组合以用于运行期间稳定的鼓风操作。
每一个压缩室总成68都进一步包括整体上标记为92的四路进气管。进气管92包括矩形主体，具有顶部94、底部96、两个长侧98，100和两个开口端102，104。沿每一侧98，100分别设有入口106，108，这些入口沿其相应的侧面居中设置并且被成形为沿压缩室壳体74的侧面78，80与进气口88的形状和尺寸相对应。类似地，进气管92的开口端102，104均被成形为与设置在压缩室壳体74的端部82，84的进气口90的形状和尺寸相对应。四个入口102，104，106，108使得能够完全从压缩室总成68的周边周围引入空气。这种结构提供了排放空气返回至压缩室总成68的有效回收，由此在使用时实现了闭环系统。入口106，108及其相应进气口88的面积约为入口102，104及其相应进气口90的面积尺寸的一半。这种结构被设计用于强行将大部分空气从压缩室壳体74的端壁82，84抽出通过加热元件66。进气管92的底部96进一步包括出口110，在从进气管排出空气时通过该出口将空气吸入进气管内流动。
在一个实施例中，压缩室总成68进一步包括定位在进气管92和压缩室壳体74的底壁76之间的进气管出口110位置处的压力分配设备112。如图所示，压力分配设备112包括四个叶片，每一个叶片都被标记为114，它们被设计用于“剥离”并将来自鼓风机设备72的气压均等地分配至压缩室总成68中的所有部件。如图所示，鼓风机设备72(例如通过合适的紧固件)被固定至压缩室壳体74的底壁76的外表面以使鼓风机设备72通过与进气管92的出口110同轴的开口116伸出。这种设置方式使得鼓风机设备72被定位在压力分配设备112内以驱动空气从进气管92通过出口110流出并围绕进气管的外表面流向导流板86。
在一个实施例中，压缩室总成68进一步包括位于进气管92和导流板86之间的压力平衡板118。如图所示，压力平衡板118从进气管92的一端(例如端部102)延伸至进气管的相对端(例如端部104)。压力平衡板118端到端地平分压缩室壳体74并且从导流板86的底部延伸至进气管92的顶部94。设置的压力平衡板118被设计用于分隔压缩室总成68以在导流板86的作用下得到相等的压力分配。
如上所述，压缩室壳体74包括穿孔的顶壁或导流板86以将空气从压缩室总成68分配至回流炉膛。在某一实施例中，导流板86交错排列方式的192个孔眼以向印刷电路板提供稳定均匀的气流。这些孔眼在金属板材上冲压得出以使得它们形成得到均匀气流的收敛喷嘴。
图4和图5示出了由鼓风机设备72生成的流过压缩室总成68的气流以及进入进气管92和离开导流板86的空气。具体地，空气如箭头A所示进入进气管92。进入进气管的空气如箭头B所示通过出口(未标注)转入鼓风机设备72内。鼓风机设备72转移空气流过压力分配设备112，空气在此如箭头C所示离开叶片(未标注)。空气如箭头D所示流入进气管92顶部和导流板86之间由压力平衡板118界定出的空间内。空气随后如箭头E所示离开压缩室总成68，通过导流板86进入炉膛内。
本公开的实施例进一步包括在以上参照回流焊炉10介绍的回流焊炉类型内分配加热空气的一种或多种方法。在一个实施例中，所述方法包括：将加热空气从回流炉膛通过进气口88，90引入压缩室总成68和入口102，104，106，108内并将空气从出口110排出至导流板86。在另一个实施例中，压力分配设备112位于进气管92和压缩室壳体74之间出口110的位置处。在进一步的实施例中，鼓风机设备72位于压力分配设备112附近。鼓风机设备72被设置用于将加热空气从压缩室壳体74引导至导流板86。在又一个实施例中，压力平衡板118位于进气管92和导流板86之间。
因此，应该看到本公开中的回流炉膛总成50改进了回流炉10内加热空气的气流。
尽管已经介绍了本公开至少一个实施例的若干应用，但是应该意识到本领域技术人员可以轻易得出各种修改、变形和改进。这些修改、变形和改进应被认为是本公开的一部分并且应被认为是落在本公开的实质和保护范围内。因此，上述说明和附图仅仅是作为示例。
例如，回流炉膛总成50的变形可以包括改变导流板86内的孔眼数量、孔眼图案、孔眼尺寸和孔眼形状。加热元件66相对于压缩室的设置也可以改变。另外，成形在压缩室壳体74内的进气口88，90的孔眼数量、孔眼图案、孔眼尺寸和孔眼形状可以有所改变。而且，压力分配设备112中出口叶片114的尺寸和取向也可以改变。
权利要求如下。