气体混合装置 本发明主要涉及生产气体混合物的装置。更具体地讲，本发明涉及能够产生用在回流烘箱中增强电子装配方法的性能的受控气氛的气体混合控制板(gas mixing ganel)。
通常需要具有特定气体特性的受控气氛以改进在回流烘箱中的电子装配方法的性能。人们需要提供能够生产受控空气的经济的和简便的装置。
为获得最佳回流性能优选在所述空气中的特定气体特性为少量气体占主气体的大约100ppm至大约10,000ppm，更优选少量气体占主气体的大约500ppm至大约2,000ppm。对本发明来说，所述少量气体可为氧气或空气，所述主气体可为氮气。我们相信在氮气中的氧气或空气的浓度在该特定的范围内有助于减少如tombstoning和焊料溅散的缺陷并在电子装配作业过程中、特别是在集成电路板的生产中改进可焊性。在氮气中低于大约100ppm的氧气或空气会发生某些低氧缺陷，和在氮气中高于大约10,000ppm的氧气或空气会发生某些高氧缺陷。实现回流烘箱的最佳性能的在氮气中所需的氧气或空气浓度(一般在大约100ppm至大约10,000ppm)被称为“sweetspot”。
因此我们希望提供一种气体混合装置，该装置有助于提供具有在氮气中的氧气或空气为大约100ppm至大约10,000ppm的气体特性地受控空气以致可在更少或几乎不存在缺陷的情况下实施所述电子装配方法。
传统的气体混合技术一般使用了昂贵的质量流量控制器和庞大的缓冲罐。人们已经使用这些传统的混合器生产在氮气中1％至50％范围的氧气的气体混合物，但不能达到ppm范围。最近的研究出现了商业可得的更大尺寸的更昂贵得多的气体混合器。更近以来的进展出现了较低价格的气体混合器，该混合器使用固定的孔板以测量气体流量，并随后在小得多的缓冲罐中混合。另外针对准确提供某些气体组成还发展了其它传统的混合器。
在本领域中还存在其它同样提供混合气体组合物的气体混合设备。在美国专利号6,614,655中公开了测试气体和零点调整用气体的组合。所述零点调整用气体可为氮气或人工制造的氧气；而所述测试气体(校正气体)不作指定。’655专利公开了减少生产不同浓度的产物中的原料流所必需的临界喷嘴的数量。’655专利中的气体混合设备的混合室与所述临界喷嘴的出口连接，确保了出口压力高于某个最小压力。相邻之间的每个临界喷嘴增加了1∶2的比例。由于出口压力总是高于临界压力，因此只取决于所述喷嘴的横截面积的气体的体积总为常数。所述临界喷嘴接收了测试气体或零点调整用气体。具有两个入口的阀门安装在所述临界喷嘴的上游并且可交替打开这两个入口。四个喷嘴打开时具有横截面积为1∶2∶4∶8。将最大的喷嘴安装在与所述混合器的出口相对的地方。一个微型处理器启动所述阀门并监控和调整气体压力。在’655专利中的气体混合设备得到了在所述零点调整用气体中测试气体的16个线性梯度浓度。
在美国专利号5,671,767和美国专利号5,544,674中均公开了以控制的比例将两种气体混合在一起。由于所述混合装置是用于呼吸器，因此在这些专利中的气体仅仅涉及氧气和空气。所述混合装置达到与流速无关的高度准确的混合，因此可以高流速或低流速使用所述装置。通过可变面积的喷嘴控制第一气体流，该喷嘴将所述气体供给所述混合室。对于第二气体流也一样操作。当流速降低时，活塞移向阀门构件。这将减少每个喷嘴的大小而保持在所述喷嘴的通流面积之间的相同的比例。在每个阀门中所述两种气体的每一种的通道的大小或喷嘴面积增加或减少相同的数量从而保持了气体的比例。
在日本专利号11,033,382中公开了一种小型化和简单化的气体混合设备。在该专利中使用了一种压力平衡设备将两种气体调节至相同的压力。这两种气体在气体通过区域中以相应于预定混合比的比例混合。可通过调节阀调整流速。
虽然存在许多混合气体的装置，但我们相信没有一种能够提出经济和简便的装置可混合气体以生产具有大约100ppm至10,000ppm的氧气的氮气产品。因此需要一种具有所述特征的气体混合装置。
本发明的一个方面涉及用于准确混合复合气体(plurality gases)的简便的气体混合装置。该装置包括气体控制板(gas panel)、用于调整压差的压力控制阀、流量计和静态混合室。所述复合气体可为一种少量气体和一种主气体，其中，例如所述主气体为氮气和所述少量气体为空气或氧气。优选所述主气体和所述少量气体以在氮气中氧气占大约100ppm至大约10,000ppm的比例，更优选在氮气中氧气占大约500ppm至大约2,000ppm的比例混合得到气体混合物。
所述压力控制阀调整压差至大约±5英寸水柱。该装置与回流烘箱(reflow oven)形成一整体。
当在这里应用时，有时氧气可与空气互换。应该注意的是氧气含量占空气的大约20％。
当结合附图阅读时，通过以下对本发明的详细描述本发明的进一步的优点将变得显而易见，其中图1为使用差压计、流量计和静态混合室的气体混合装置的总体示意图。
本发明提供了简便的气体混合装置，该装置使用静态混合室可生产出具有一种少量气体和一种主气体的混合物，优选氧气或空气作为所述少量气体和氮气作为所述主气体，在氮气中氧气或空气的浓度为大约100ppm至大约10,000ppm，和更优选在氮气中氧气或空气的浓度为大约500ppm至大约2,000ppm。该装置包括一个固定的管线内的挡板，该挡板引起气体产生切变和旋涡，由此产生了均匀的产物。
本发明提供了在气体混合物中稳定的氧气浓度，这通过在混合控制板中混合氮气和空气或氧气，并在那里测定供给的氮气和供给的氧气的压力差并控制至差别不大于大约5英寸水柱来获得。通过将所述混合物传输通过一静态螺旋混合器将其均化。该技术特别有利之处在于其中混合到所述氮气中的氧气或空气的量足于得到优选在氮气中含大约100ppm至大约10,000ppm的氧气或空气、更优选在氮气中含大约500ppm至大约2,000ppm的氧气或空气的最终氮气浓度。
本发明与先有技术设计的极大的差别在于对两种气体流进行测量，并在缓冲罐中混合气体流。
在所述主气体和少量气体之间的微小的压力波动将对准确混合产生不利的影响。为了节省成本，在设计中除去了不昂贵的流量计，但引入差压计以测量和控制在所述主气体和少量气体之间的压差小于大约5英寸水柱。
本发明使用了静态混合室。这种静态混合室含有一固定的管线内的挡板，该挡板引起气体产生切变和旋涡，由此产生了均匀的产物。使用静态混合室补偿了差压计的费用，并且极大地缩小了现有的气体混合装置的尺寸。
在这里使用机械调节器控制所述氮气和氧气流，并且使用压差指示器确保调整所述两种气体流压力差在5英寸的水柱压力内。使用流量计(如转子流量计)控制所述受控的气体流的流量，并调节该流量计输送所需的精确的气体混合物。随后在静态混合室中将所述两种气体流混合，接着将最终的气体混合物传输至回流烘箱中。
本发明生产了在100ppm的气体混合物中准确至±1ppm的稳定气体混合物。简单的差压计生产出多种多样准确的流量范围和准确至大约±1ppm的气体混合物。通过确保所述两种气体流的相同的输送压力(偏差±5英寸水柱)提高所述准确性。测得本发明中的输送压力至高为大约±300英寸水柱。
作为本发明的气体混合控制板的一个例子，构思了“平板”设计以利于就地安装在所述回流烘箱中，其可进行非固定的安装。本发明的气体混合控制板的规格如下：尺寸 24”高×24”长×12”深
(61cm高×61cm长×30.5cm深)重量 651bs(29.2kg)接口 氮气入口：1/2”FPT
空气入口：1/4”FPT
N
2/空气混合出口：1/2”FPT
N
2/空气混合样品：1/4”快速接头气体要求
清洁干燥空气 至少50scfh(100psig)
Praxair(商品级氮气) 至少3000scfh(100psig)
图1提供了本发明的一个实施方案的流程。氮气流12(280-2800scfh,5-50scfm)和空气流14(2-20scfh)以75psig的压力进入。差压计24测量所述流之间的压差。如果所述压差太高，压力控制器20和22将作出调整直至压差在大约±5英寸水柱内。在通过流量计26或28之前，所述流连续通过压力释放阀16和18(设置在100psi)。流量阀30和32根据最终流所选择的具体的组成监控所述流的流量。在进入气体混合器34(静态混合室)之前单向阀36和38调整所述空气和氮气。将所述气体混合，放出的产物流16根据所选的组成具有大约10ppm至大约10,000ppm的氧气含量。样品阀40引导样品气体的流向。
本发明的各方面是可更换的。例如，可将具有导向/从属调节装置的差压计与安装在纯氮气和空气供应处。在这种设计中，所述氮气调节器将控制传输的氮气的压力，并提供信号以预设空气调节器达到和氮气压力基本相同的压力。
本发明所考虑的另一个变体是采用简便的缓冲罐代替所述静态混合室，在所述缓冲罐中的入口具有扩散式喷嘴。所述扩散式喷嘴将提供必需的剪切和涡旋以适当地混合所述氮气流和氧气流。
在附图中显示的一个或多个本发明的具体的特征仅仅是为了方便的目的，根据本发明每个特征可结合其它的特征。本领域的技术人员会认识到作为选择的实施方案，这些实施方案包括在权利要求书的范围内。