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波峰焊与回流焊:电子焊接工艺大揭秘

2024-12-23
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波峰焊与回流焊:差异总览

在电子制造领域,波峰焊和回流焊是两种极为关键的焊接技术。它们在焊接原理、工艺流程以及适用范围等方面均存在显著差异,这些差异使得它们在不同的电子产品生产场景中各展其长。

波峰焊:工作流程与特点

波峰焊的原理

波峰焊是借助泵机使熔化的焊料形成特定形状的波峰,当插件板的焊接面通过波峰时,元器件的焊端或引脚与液态锡充分接触,从而实现焊接。焊料通常为铅锡合金或无铅的锡银铜合金,其在高温下呈液态,通过特殊设计的喷嘴或泵系统形成稳定的波峰形状。在焊接过程中,插件板以一定的速度和角度通过波峰,使焊料均匀地涂覆在焊接部位,经过冷却后,焊料凝固,形成可靠的电气连接和机械连接。

波峰焊的工艺流程


  • 涂布助焊剂:助焊剂的作用是去除焊接面的氧化物,增强焊料的润湿性,防止焊接时再次氧化。其涂布方式有喷雾、发泡和涂刷等,其中喷雾方式最为常用,能使助焊剂均匀地覆盖在电路板的焊接面。


  • PCB 板预热:预热的目的是逐步提升 PCB 板的温度,使助焊剂活化,同时减少热冲击对电路板和元器件的影响。预热温度一般在 90 - 100℃,通过热辐射、热风对流或红外线加热等方式进行预热。此过程可蒸发掉电路板吸收的潮气或稀释助焊剂的载体溶剂,避免在波峰焊接时产生焊锡溅射或形成中空焊点等问题。


  • 波峰焊接:预热后的 PCB 板进入波峰焊接区域,这里有单波峰和双波峰两种形式。单波峰适用于焊接简单的穿孔式元件,波峰焊料流动方向与板子行进方向相反,在元件引脚周围产生涡流,去除助焊剂和氧化膜残余物,使焊点在浸润温度时形成浸润。双波峰则常用于混合技术组装件,个波峰(扰流波)较窄,扰动时垂直压力高,能使焊锡渗入紧凑的引脚和表面安装元件焊盘之间;第二个波峰(层流波或平滑波)可消除个波峰产生的毛刺和焊桥,使焊接面润湿良好,完成焊点成形,焊接温度通常在 220 - 240℃。


  • 线路板风冷:焊接后的线路板温度较高,需要进行冷却。风冷是常用的冷却方式,通过风扇产生的气流快速带走线路板上的热量,使焊料迅速凝固,有助于稳定焊点的形状和质量,提高生产效率,并减少热应力对线路板和元器件的影响,保证产品的可靠性。

波峰焊的优缺点

  • 优点

  • 适合大规模生产:能够同时对多个插件元件进行焊接,生产效率高,适用于大批量生产需求。例如在大型家电产品(电视、音响设备等)以及数字机顶盒等的生产中广泛应用。

  • 焊接牢固:焊料处于流动状态,印制电路板的被焊面能充分与焊料接触,导热性好,形成的焊点饱满、可靠,具有良好的电气连接和机械强度。

  • 工艺成熟:波峰焊技术经过长期发展,工艺相对成熟,设备稳定性较高,操作和维护相对容易掌握,在电子制造行业中应用广泛,技术支持和配套服务较为完善。


  • 缺点


  • 对元件耐热性有要求:焊接过程中,元件需要承受较高的温度,对于一些耐热性较差的元件可能会造成损坏,限制了其在某些对温度敏感的电子产品中的应用。


  • 可能产生锡渣:焊料在高温下与空气接触,容易氧化产生锡渣,不仅增加了生产成本(需要定期清理锡渣并补充焊料),还可能影响焊接质量,若锡渣混入焊点,会导致焊点缺陷。


  • 不适合小型元件和密集电路板:波峰焊的焊料波峰在焊接小型元件或引脚间距密集的电路板时,容易出现桥接、短路等问题,难以控制焊料的分布,对于精细间距的焊接效果不如回流焊。

回流焊:工艺特色与优势

回流焊的原理

回流焊的核心原理是利用加热电路将空气或氮气加热到特定温度后,吹向已贴好元件的线路板,使预先涂布在焊盘上的焊料融化,从而实现元器件与电路板之间的电气连接与机械连接。在这个过程中,焊料经历了从固态到液态再到固态的转变,通过控制温度和时间,确保焊料能够充分润湿焊盘和元器件引脚,形成可靠的焊点。

回流焊的工艺流程

  • 单面贴装流程


  • 预涂锡膏:使用丝网印刷机将锡膏地印刷到 PCB 的焊盘上,锡膏通常由焊锡粉、助焊剂和溶剂组成,其印刷质量直接影响后续焊接的效果。


  • 贴片:借助贴片机把表面贴装元器件精准地放置在印有锡膏的焊盘上,贴片的位置精度对于保证焊接质量至关重要。


  • 回流焊:这一环节包含多个温区,依次为预热区、保温区、回流区和冷却区。在预热区,PCB 和元器件逐渐升温,焊料膏中的溶剂开始挥发,助焊剂活化;进入保温区后,锡膏被进一步加热至接近熔点;到达回流区时,温度迅速上升到焊料的熔化温度(一般在 220°C 至 250°C 之间),焊料完全熔化,形成液态焊接点,在此过程中,元器件与 PCB 焊盘之间的连接得以确立;最后在冷却区,焊料快速冷却并固化,使焊接点稳定,确保连接的可靠性。


  • 检查及电测试:对焊接完成的线路板进行全面检查,包括外观检查(如焊点是否饱满、有无虚焊、桥接等缺陷)和电性能测试,以筛选出不良品,保证产品质量。


  • 双面贴装流程


  • A 面预涂锡膏:与单面贴装的预涂锡膏步骤相同,在 PCB 的 A 面焊盘上印刷锡膏。


  • 贴片:将表面贴装元器件放置在 A 面的锡膏上。


  • 回流焊:使 A 面的元器件完成焊接。


  • B 面预涂锡膏:在 PCB 的 B 面进行锡膏印刷。


  • 贴片:在 B 面放置元器件。


  • 回流焊:再次进行回流焊操作,完成 B 面的焊接。


  • 检查及电测试:对双面焊接后的线路板进行严格检查与电性能测试,确保产品质量符合要求。

回流焊的优缺点


  • 优点


  • 温度控制精准:能够设定和控制各个温区的温度,使焊接过程中的温度曲线更加符合工艺要求,从而有效提高焊接质量,减少焊接缺陷的产生,例如对于一些对温度敏感的元器件,能够在合适的温度范围内完成焊接,避免因温度过高或过低导致元器件损坏或焊接不良。


  • 避免氧化:整个焊接过程在相对封闭的回流焊炉内进行,并且可以使用氮气等惰性气体进行保护,减少了焊料和元器件在焊接过程中与氧气的接触,降低了氧化的可能性,有助于提高焊点的质量和可靠性。


  • 适合贴片元件焊接:特别适用于表面贴装元器件(SMC/SMD)的焊接,对于引脚间距小、体积微小的贴片元件,能够实现高精度、高密度的焊接,广泛应用于手机、电脑主板、数码产品等电子产品的生产制造,满足其小型化、轻量化和高性能的需求。


  • 高生产效率与自动化程度:作为一种自动化生产工艺,回流焊可以与贴片机等设备组成自动化生产线,实现连续生产,大大提高了生产效率,适合大批量生产的需求。同时,自动化操作减少了人为因素对焊接质量的影响,提高了产品的一致性和稳定性。


  • 节省材料:相比波峰焊,回流焊过程中锡膏的使用量相对较少,且锡膏的利用率较高,有助于降低生产成本,同时也减少了因锡渣产生带来的材料浪费和环境问题。


  • 环保:采用无铅锡膏进行焊接,符合环保要求,减少了对环境的污染和对操作人员健康的危害,顺应了电子行业绿色环保发展的趋势。


  • 缺点


  • 设备昂贵:回流焊所需的设备,如回流焊炉、温度控制系统、自动化生产线等,价格较高,初期投资较大,对于一些资金有限的企业来说,可能会面临较大的经济压力。


  • 对操作要求高:虽然是自动化生产工艺,但对操作人员的技能和经验要求较高。操作人员需要熟悉设备的操作流程、参数设置、温度曲线调整等知识,并且能够及时处理生产过程中出现的各种问题,如焊接缺陷、设备故障等,否则可能会影响产品质量和生产效率。


  • 热应力问题:在回流焊过程中,电子元件和印刷电路板需要承受较高的温度变化,这可能会导致热应力问题的产生。热应力可能使元器件内部结构受损、引脚变形或电路板分层等,从而影响产品的性能和可靠性,尤其对于一些大型、复杂或多层的 PCB 板,热应力问题更为突出。


  • 可能产生焊接缺陷:尽管回流焊能够提高焊接质量,但在某些情况下,仍然可能出现焊接缺陷,如虚焊、锡珠、桥接、开路等。这些缺陷的产生可能与焊料质量、印刷精度、贴片精度、温度曲线设置、设备稳定性等多种因素有关,需要在生产过程中严格控制各个环节,以降低缺陷率。

波峰焊与回流焊的区别:应用场景与工艺特性

适用元件类型

波峰焊主要适用于插脚电子元器件,如 DIP 封装的集成电路、连接器、电阻电容等。这些元器件具有引脚,需要插入 PCB 板的通孔中进行焊接。而回流焊则特别适用于贴片电子元器件,像贴片电阻、贴片电容、贴片 IC 等。这类元器件直接贴装在 PCB 板表面,无引脚或引脚较短,通过焊盘与 PCB 连接。例如在手机主板的生产中,大量的贴片电容、电阻等使用回流焊;而电脑电源中,一些较大的插件式连接器则采用波峰焊。

焊接工艺细节

在焊接前,PCB 板的状态有所不同。波峰焊时,PCB 板上炉前并没有焊料,是在焊接过程中,焊机产生的焊料波峰把焊料涂布在需要焊接的焊盘上完成焊接;回流焊则在 PCB 上炉前已经通过锡膏印刷机涂上焊料,焊接时只是把预先涂敷的锡膏融化并通过高温进行焊接。焊接过程中的加热方式也不一样,波峰焊是利用高温液态锡形成的波峰对元件引脚进行加热,使焊料熔化实现焊接;回流焊则是依靠高温热风或红外辐射等热源,让预先涂布在焊盘上的焊锡膏熔化,从而完成焊接。

生产效率与成本

大规模生产中,波峰焊的生产效率相对较低,因为其焊接速度较慢,一次只能对一批插件元件进行焊接。回流焊的焊接速度较快,能在较短时间内完成多个贴片元件的焊接,适用于大规模生产,可显著提高生产效率。从设备成本来看,波峰焊设备相对简单,成本较低;回流焊设备较为复杂,如回流焊炉、温度控制系统等价格较高,初期投资大。在材料成本方面,波峰焊由于焊料波峰的形成和锡渣产生等,焊料消耗较多;回流焊中锡膏的使用量相对较少且利用率高,材料成本较低。人力成本上,波峰焊操作相对简便,对人员技能要求不高;回流焊对操作人员的技能和经验要求较高,人力成本可能会增加。

选择波峰焊还是回流焊?

在选择波峰焊还是回流焊时,需要综合考虑多方面因素。对于电子产品类型,如果是大型、厚重且插件元件较多的产品,如工业控制设备、电源等,波峰焊更为合适;而小型、轻薄、贴片元件密集的产品,如手机、电脑主板等,则回流焊更具优势。在设计需求方面,若对焊接精度和质量要求极高,回流焊是更好的选择;若对成本较为敏感且对精度要求不是特别苛刻,波峰焊的成本效益可能更符合需求。生产规模上,大规模生产时,回流焊的高速度和自动化程度能有效提高效率;中小规模生产则波峰焊的设备成本和操作简易性更具吸引力。


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