波焊(wave soldering)技術介紹

波鋒焊接

電子業早期在SMT(Surface Mount Technology,表面黏著技術)還沒發達之前,所有的組裝電路板幾乎都要經過這種波峰焊接的製程(wave soldering)以達到電子零件焊接於電路板的目的。之所以稱之為「波峰焊接」是因為它焊接時需要使用一整桶的錫爐,錫爐內會加熱到足以融化錫條的溫度並行程熔融的錫液,這些錫液有時候通常看起來就像湖水一般,有時候又可以在上面製造波浪,而電路板就像艄舢舨一樣從其湖水或波浪的表面滑行而過,讓錫液沾附在電子零件與電路板之間,冷卻後焊錫就會將電子零件焊接於電路板上。

隨著工業技藝的日新月異,大部分電子零件也都越做越小了,並且可以符合SMT回流焊接的要求(如小尺寸零件以及耐迴流高溫),所以現今大部分的電路板都已經捨棄了這種傳統的波峰焊製程,既使有些無法縮小尺寸的零件,但只要其材料耐溫可以達到SMT迴焊的要求,也可以採用paste-in-hole 製程使用迴焊爐來達成焊接的目的。話雖如此,但還是有少數的電子零件依然達不到SMT製程的需求,所以在某些情況下還是得使用這這種需耗費大量焊錫的製程。








這段影片使用發泡式的助焊劑(flux),看起來似乎只開啟了平流波,但是用瀑布式(Cascade Wave)。

現在就大概來將解一下波峰焊(wave soldering)的製程(請參考影片),波峰焊的製程基本分成四大部份:

第一部份為助焊劑添加區((Flux Zone)

使用助焊劑的目的是為了為了提昇零件焊接的品質,因為電路板、電子零件,甚至錫液都有機會儲存及使用環境而受到一些污染,以致造成氧化影響焊接品質,而助焊劑的主要功能就在去除金屬表面的氧化物及髒東西,而且在高溫作業時更可以在金屬的表面形成薄膜以隔絕空氣,讓焊錫不易氧化。可是使用波峰焊接製程一定得使用熔融的錫液來當作焊接的媒介,既然是錫液,那麼溫度一定得高於焊錫的熔點溫度才行,以目前的SAC305無鉛焊錫的溫度大約在217°C,一般的助焊劑是無法長期留存在這樣的溫度之下,所以如果想添加助焊劑就必須要在電路板經過錫液以前先塗抹。

一般塗抹助焊劑的方式有兩種,一種使用發泡助焊劑,當電路板經過助焊劑區時就會沾附在電路板上,這個方式的缺點是助焊劑往往無法均勻的塗布到電路板上,造成沒有助焊劑的部位焊接不良;第二種方法使用噴塗的方式,噴嘴設置在鏈條的下方,當電路板經過時由下往上噴塗,這種方式有個缺點,就是助焊劑會穿過電路板的縫隙,差的可能會直接污染電路板正面的零件,甚至滲透到部份零件的內側,形成日後品質不穩的不定時炸彈,要不就是會殘留在波峰焊機器的頂部,如果沒有定時清理,當助焊劑累積到一定重量後就會滴落,一大坨直接污染到電路板的正面。

迴流焊製程的錫膏內也摻雜有助焊劑喔!只是一般我們不易察覺而已。

第二部份為預熱區(Pre-Heating Zone)

就如同SMT製程一般,波峰焊製程也需要預熱電路板,這是為了降低電路板變形,避免有些零件內部潮濕,加熱太快容易造成爆米花等缺失。

就如果煮白煮蛋一樣,如果先把水加熱到沸騰後,直接把生雞蛋放進去煮,雞蛋一定會破掉,而且擠出蛋白。想要煮出一顆完美的水煮蛋,就要把雞蛋先丟要冷水中,然後一起煮沸。

第三部份為焊接區(Soldering Zone)

這裡會有一大桶加熱熔融的錫槽,所以才會被稱為「錫爐」,它真的就是把一大堆的錫條丟到槽子內然後加熱融化成為錫液,所以這個製程需要耗費相當多的錫材。既然是液態的錫,所以就可以依照液體的特性製作出各種錫面來符合焊錫的需要。

一般來說錫爐內的錫槽會再被分成兩槽,第一槽稱為擾流波,第二槽稱為平流波,這兩個錫槽各有不同的功用,在大部分的情況下只會開啟平流波:

  • 擾流波(Chip Wave)
    利用馬達翻攪錫液,形成類似噴泉的效果,其主要用途在焊接SMD的零件,因為SMD零件一般密密麻麻分佈在電路板的各個區域,而且還有大有小,有高有低,因為電路板的行動類似舢舨滑行,是想舢舨底下如果有個大物件,滑行時大物件的後面就會形成所謂的「陰影效應」,錫液也是如此,如果沒有翻騰錫液就無法讓其接觸到這些陰影下面的零件或焊點,就會造成空焊的問題。可是就因為錫液永遠在翻滾,所以其焊接的效果有時候不夠均勻,有時候還會出現焊接架橋的情形,所以在擾流波的後面一般都還會在加開平流波。
  • 平流波
    就有點類似靜止的水面,它可以有效的消除前面「擾流波」所產生的一些毛刺及焊接架橋短路的問題。另外平流波對於傳統通孔元件(長腳伸出電路板)的焊接效果也非常好,如果波峰焊接時僅有通孔元件,就可以把擾流波關掉,用平流波就可以完成焊接。

第四部份為冷卻區(Cooling Zone)

此區域一般使用冷卻風扇在錫爐的出口處,負責將剛剛經過高溫錫液的電路板冷卻,因為後面緊接著要做一些焊接整理及修復的動作。一般過錫爐的電路板不會使用快速冷卻設備,可能是因為大部分是傳統的通孔元件或是較大的SMD零件吧!

有些波峰爐的後面還會都加一個清洗的製程,因為還是有些電路板會走清洗製程。


延伸閱讀:
迴流焊的溫度曲線 Reflow Profile
波鋒焊接(Wave soldering)時零件擺放的設計規範
選擇性波鋒焊的使用條件(selective wave soldering)


訪客留言內容(Comments)

很棒的影片,
因為我只有看過單台錫爐,在錫爐下方有伸縮的固定針
把插件好的pcb放在錫爐上,助焊劑也是用類似穩潔的瓶子
人工噴灑…
學知識了~感謝

Hallo 工作熊,

請教一下,如果是selective spray fluxer是否就可以避免上述助焊劑塗抹不均的可能性呢?

至於助焊劑會穿過電路板的縫隙,其實應該可以避免,如果有良好設計的solder mask 跟上方固定PCB 的cover,(以我們公司經驗小分享)

很久沒來湊熱鬧的D

德莉雅;
住焊劑不均勻的問題應該無關是否為選擇性填加助焊劑,一般來說噴塗(spray)的方式會比較均勻,旦缺點就是會到處飄,有時候還會飄到一些不該沾有助焊劑的地方。

上一封留言所說selective spray fluxer 其實是指具選擇性的fluxer(俗稱可編程式的噴霧機),只在指定位置噴塗,避免亂噴以及浪費的問題,但亂飄還是多少會吧我想, 只要是單面板應該問題不大,但雙面板的時候就有可能要小心從上面滴落下來的問題

德莉雅;
謝謝妳的進一步解釋。

別客氣, 互相學習^^

第四部份為冷卻區(Colling Zone) ….
應該為 Cooling Zone~
錯字~


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