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波峰焊與回流焊:電子焊接工藝大揭秘

2024-12-23
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波峰焊與回流焊:差異總覽

在電子制造領域,波峰焊和回流焊是兩種極為關鍵的焊接技術。它們在焊接原理、工藝流程以及適用范圍等方面均存在顯著差異,這些差異使得它們在不同的電子產品生產場景中各展其長。

波峰焊:工作流程與特點

波峰焊的原理

波峰焊是借助泵機使熔化的焊料形成特定形狀的波峰,當插件板的焊接面通過波峰時,元器件的焊端或引腳與液態錫充分接觸,從而實現焊接。焊料通常為鉛錫合金或無鉛的錫銀銅合金,其在高溫下呈液態,通過特殊設計的噴嘴或泵系統形成穩定的波峰形狀。在焊接過程中,插件板以一定的速度和角度通過波峰,使焊料均勻地涂覆在焊接部位,經過冷卻后,焊料凝固,形成可靠的電氣連接和機械連接。

波峰焊的工藝流程


  • 涂布助焊劑:助焊劑的作用是去除焊接面的氧化物,增強焊料的潤濕性,防止焊接時再次氧化。其涂布方式有噴霧、發泡和涂刷等,其中噴霧方式最為常用,能使助焊劑均勻地覆蓋在電路板的焊接面。


  • PCB 板預熱:預熱的目的是逐步提升 PCB 板的溫度,使助焊劑活化,同時減少熱沖擊對電路板和元器件的影響。預熱溫度一般在 90 - 100℃,通過熱輻射、熱風對流或紅外線加熱等方式進行預熱。此過程可蒸發掉電路板吸收的潮氣或稀釋助焊劑的載體溶劑,避免在波峰焊接時產生焊錫濺射或形成中空焊點等問題。


  • 波峰焊接:預熱后的 PCB 板進入波峰焊接區域,這里有單波峰和雙波峰兩種形式。單波峰適用于焊接簡單的穿孔式元件,波峰焊料流動方向與板子行進方向相反,在元件引腳周圍產生渦流,去除助焊劑和氧化膜殘余物,使焊點在浸潤溫度時形成浸潤。雙波峰則常用于混合技術組裝件,個波峰(擾流波)較窄,擾動時垂直壓力高,能使焊錫滲入緊湊的引腳和表面安裝元件焊盤之間;第二個波峰(層流波或平滑波)可消除個波峰產生的毛刺和焊橋,使焊接面潤濕良好,完成焊點成形,焊接溫度通常在 220 - 240℃。


  • 線路板風冷:焊接后的線路板溫度較高,需要進行冷卻。風冷是常用的冷卻方式,通過風扇產生的氣流快速帶走線路板上的熱量,使焊料迅速凝固,有助于穩定焊點的形狀和質量,提高生產效率,并減少熱應力對線路板和元器件的影響,保證產品的可靠性。

波峰焊的優缺點

  • 優點

  • 適合大規模生產:能夠同時對多個插件元件進行焊接,生產效率高,適用于大批量生產需求。例如在大型家電產品(電視、音響設備等)以及數字機頂盒等的生產中廣泛應用。

  • 焊接牢固:焊料處于流動狀態,印制電路板的被焊面能充分與焊料接觸,導熱性好,形成的焊點飽滿、可靠,具有良好的電氣連接和機械強度。

  • 工藝成熟:波峰焊技術經過長期發展,工藝相對成熟,設備穩定性較高,操作和維護相對容易掌握,在電子制造行業中應用廣泛,技術支持和配套服務較為完善。


  • 缺點


  • 對元件耐熱性有要求:焊接過程中,元件需要承受較高的溫度,對于一些耐熱性較差的元件可能會造成損壞,限制了其在某些對溫度敏感的電子產品中的應用。


  • 可能產生錫渣:焊料在高溫下與空氣接觸,容易氧化產生錫渣,不僅增加了生產成本(需要定期清理錫渣并補充焊料),還可能影響焊接質量,若錫渣混入焊點,會導致焊點缺陷。


  • 不適合小型元件和密集電路板:波峰焊的焊料波峰在焊接小型元件或引腳間距密集的電路板時,容易出現橋接、短路等問題,難以控制焊料的分布,對于精細間距的焊接效果不如回流焊。

回流焊:工藝特色與優勢

回流焊的原理

回流焊的核心原理是利用加熱電路將空氣或氮氣加熱到特定溫度后,吹向已貼好元件的線路板,使預先涂布在焊盤上的焊料融化,從而實現元器件與電路板之間的電氣連接與機械連接。在這個過程中,焊料經歷了從固態到液態再到固態的轉變,通過控制溫度和時間,確保焊料能夠充分潤濕焊盤和元器件引腳,形成可靠的焊點。

回流焊的工藝流程

  • 單面貼裝流程


  • 預涂錫膏:使用絲網印刷機將錫膏地印刷到 PCB 的焊盤上,錫膏通常由焊錫粉、助焊劑和溶劑組成,其印刷質量直接影響后續焊接的效果。


  • 貼片:借助貼片機把表面貼裝元器件精準地放置在印有錫膏的焊盤上,貼片的位置精度對于保證焊接質量至關重要。


  • 回流焊:這一環節包含多個溫區,依次為預熱區、保溫區、回流區和冷卻區。在預熱區,PCB 和元器件逐漸升溫,焊料膏中的溶劑開始揮發,助焊劑活化;進入保溫區后,錫膏被進一步加熱至接近熔點;到達回流區時,溫度迅速上升到焊料的熔化溫度(一般在 220°C 至 250°C 之間),焊料完全熔化,形成液態焊接點,在此過程中,元器件與 PCB 焊盤之間的連接得以確立;最后在冷卻區,焊料快速冷卻并固化,使焊接點穩定,確保連接的可靠性。


  • 檢查及電測試:對焊接完成的線路板進行全面檢查,包括外觀檢查(如焊點是否飽滿、有無虛焊、橋接等缺陷)和電性能測試,以篩選出不良品,保證產品質量。


  • 雙面貼裝流程


  • A 面預涂錫膏:與單面貼裝的預涂錫膏步驟相同,在 PCB 的 A 面焊盤上印刷錫膏。


  • 貼片:將表面貼裝元器件放置在 A 面的錫膏上。


  • 回流焊:使 A 面的元器件完成焊接。


  • B 面預涂錫膏:在 PCB 的 B 面進行錫膏印刷。


  • 貼片:在 B 面放置元器件。


  • 回流焊:再次進行回流焊操作,完成 B 面的焊接。


  • 檢查及電測試:對雙面焊接后的線路板進行嚴格檢查與電性能測試,確保產品質量符合要求。

回流焊的優缺點


  • 優點


  • 溫度控制精準:能夠設定和控制各個溫區的溫度,使焊接過程中的溫度曲線更加符合工藝要求,從而有效提高焊接質量,減少焊接缺陷的產生,例如對于一些對溫度敏感的元器件,能夠在合適的溫度范圍內完成焊接,避免因溫度過高或過低導致元器件損壞或焊接不良。


  • 避免氧化:整個焊接過程在相對封閉的回流焊爐內進行,并且可以使用氮氣等惰性氣體進行保護,減少了焊料和元器件在焊接過程中與氧氣的接觸,降低了氧化的可能性,有助于提高焊點的質量和可靠性。


  • 適合貼片元件焊接:特別適用于表面貼裝元器件(SMC/SMD)的焊接,對于引腳間距小、體積微小的貼片元件,能夠實現高精度、高密度的焊接,廣泛應用于手機、電腦主板、數碼產品等電子產品的生產制造,滿足其小型化、輕量化和高性能的需求。


  • 高生產效率與自動化程度:作為一種自動化生產工藝,回流焊可以與貼片機等設備組成自動化生產線,實現連續生產,大大提高了生產效率,適合大批量生產的需求。同時,自動化操作減少了人為因素對焊接質量的影響,提高了產品的一致性和穩定性。


  • 節省材料:相比波峰焊,回流焊過程中錫膏的使用量相對較少,且錫膏的利用率較高,有助于降低生產成本,同時也減少了因錫渣產生帶來的材料浪費和環境問題。


  • 環保:采用無鉛錫膏進行焊接,符合環保要求,減少了對環境的污染和對操作人員健康的危害,順應了電子行業綠色環保發展的趨勢。


  • 缺點


  • 設備昂貴:回流焊所需的設備,如回流焊爐、溫度控制系統、自動化生產線等,價格較高,初期投資較大,對于一些資金有限的企業來說,可能會面臨較大的經濟壓力。


  • 對操作要求高:雖然是自動化生產工藝,但對操作人員的技能和經驗要求較高。操作人員需要熟悉設備的操作流程、參數設置、溫度曲線調整等知識,并且能夠及時處理生產過程中出現的各種問題,如焊接缺陷、設備故障等,否則可能會影響產品質量和生產效率。


  • 熱應力問題:在回流焊過程中,電子元件和印刷電路板需要承受較高的溫度變化,這可能會導致熱應力問題的產生。熱應力可能使元器件內部結構受損、引腳變形或電路板分層等,從而影響產品的性能和可靠性,尤其對于一些大型、復雜或多層的 PCB 板,熱應力問題更為突出。


  • 可能產生焊接缺陷:盡管回流焊能夠提高焊接質量,但在某些情況下,仍然可能出現焊接缺陷,如虛焊、錫珠、橋接、開路等。這些缺陷的產生可能與焊料質量、印刷精度、貼片精度、溫度曲線設置、設備穩定性等多種因素有關,需要在生產過程中嚴格控制各個環節,以降低缺陷率。

波峰焊與回流焊的區別:應用場景與工藝特性

適用元件類型

波峰焊主要適用于插腳電子元器件,如 DIP 封裝的集成電路、連接器、電阻電容等。這些元器件具有引腳,需要插入 PCB 板的通孔中進行焊接。而回流焊則特別適用于貼片電子元器件,像貼片電阻、貼片電容、貼片 IC 等。這類元器件直接貼裝在 PCB 板表面,無引腳或引腳較短,通過焊盤與 PCB 連接。例如在手機主板的生產中,大量的貼片電容、電阻等使用回流焊;而電腦電源中,一些較大的插件式連接器則采用波峰焊。

焊接工藝細節

在焊接前,PCB 板的狀態有所不同。波峰焊時,PCB 板上爐前并沒有焊料,是在焊接過程中,焊機產生的焊料波峰把焊料涂布在需要焊接的焊盤上完成焊接;回流焊則在 PCB 上爐前已經通過錫膏印刷機涂上焊料,焊接時只是把預先涂敷的錫膏融化并通過高溫進行焊接。焊接過程中的加熱方式也不一樣,波峰焊是利用高溫液態錫形成的波峰對元件引腳進行加熱,使焊料熔化實現焊接;回流焊則是依靠高溫熱風或紅外輻射等熱源,讓預先涂布在焊盤上的焊錫膏熔化,從而完成焊接。

生產效率與成本

大規模生產中,波峰焊的生產效率相對較低,因為其焊接速度較慢,一次只能對一批插件元件進行焊接。回流焊的焊接速度較快,能在較短時間內完成多個貼片元件的焊接,適用于大規模生產,可顯著提高生產效率。從設備成本來看,波峰焊設備相對簡單,成本較低;回流焊設備較為復雜,如回流焊爐、溫度控制系統等價格較高,初期投資大。在材料成本方面,波峰焊由于焊料波峰的形成和錫渣產生等,焊料消耗較多;回流焊中錫膏的使用量相對較少且利用率高,材料成本較低。人力成本上,波峰焊操作相對簡便,對人員技能要求不高;回流焊對操作人員的技能和經驗要求較高,人力成本可能會增加。

選擇波峰焊還是回流焊?

在選擇波峰焊還是回流焊時,需要綜合考慮多方面因素。對于電子產品類型,如果是大型、厚重且插件元件較多的產品,如工業控制設備、電源等,波峰焊更為合適;而小型、輕薄、貼片元件密集的產品,如手機、電腦主板等,則回流焊更具優勢。在設計需求方面,若對焊接精度和質量要求極高,回流焊是更好的選擇;若對成本較為敏感且對精度要求不是特別苛刻,波峰焊的成本效益可能更符合需求。生產規模上,大規模生產時,回流焊的高速度和自動化程度能有效提高效率;中小規模生產則波峰焊的設備成本和操作簡易性更具吸引力。


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