一、波峰焊 —— 電子制造的幕后英雄
在當(dāng)今這個(gè)電子產(chǎn)品無(wú)處不在的時(shí)代,從我們?nèi)粘J褂玫?a target="_blank">手機(jī)、電腦,到家中的智能家電,再到工業(yè)生產(chǎn)中的各類控制設(shè)備,無(wú)一不依賴著精密的電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜的功能。而在電路板的制造過(guò)程中,有一項(xiàng)關(guān)鍵工藝起著舉足輕重的作用,它就像是一位幕后英雄,默默地將各種電子元器件精準(zhǔn)且牢固地連接在一起,為電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基石,這項(xiàng)工藝便是波峰焊。 波峰焊,作為電子制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的焊接技術(shù),主要用于大規(guī)模生產(chǎn)中的電子元器件焊接,如電路板、插座等。它的高效焊接能力和對(duì)多種電子元件的適應(yīng)性,使其成為電子設(shè)備制造中的中流砥柱。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),波峰焊是讓插件板的焊接面直接與高溫液態(tài)錫接觸達(dá)到焊接目的,其高溫液態(tài)錫保持一個(gè)斜面,并由特殊裝置使液態(tài)錫形成一道道類似波浪的現(xiàn)象,所以得名 “波峰焊”,其主要材料是焊錫條。你可以想象一下,一塊預(yù)先插好各種電子元器件的電路板,在自動(dòng)化設(shè)備的精準(zhǔn)傳送下,有條不紊地經(jīng)過(guò)一道道工序,最終在波峰焊機(jī)中與高溫液態(tài)錫峰來(lái)一場(chǎng) “親密接觸”,瞬間,元器件的引腳與電路板的焊盤就被牢牢焊接在一起,完成了從零散部件到功能組件的華麗轉(zhuǎn)變。那么,這神奇的波峰焊究竟是如何運(yùn)作的呢?它又為何對(duì) PCB 板有著如此深遠(yuǎn)的影響呢?讓我們一起深入探究。
二、波峰焊究竟是啥 “神器”
波峰焊設(shè)備猶如一臺(tái)精密的 “焊接工廠”,主要由運(yùn)輸帶、助焊劑添加區(qū)、預(yù)熱區(qū)、錫爐等幾大核心部分構(gòu)成。運(yùn)輸帶如同 “傳送帶”,穩(wěn)穩(wěn)地承載著電路板,按照預(yù)設(shè)的節(jié)奏,依次將其送向各個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。當(dāng)電路板進(jìn)入助焊劑添加區(qū),這里的紅外線感應(yīng)器會(huì)迅速感知,精準(zhǔn)指揮噴嘴將助焊劑均勻地噴灑在電路板的焊接面上,助焊劑就像是給焊點(diǎn)披上了一層 “保護(hù)衣”,能有效去除氧化層,提高焊料的潤(rùn)濕性能,為后續(xù)的焊接筑牢根基。 緊接著,電路板來(lái)到預(yù)熱區(qū),通過(guò)紅外線發(fā)熱、強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流等多種方式,讓電路板逐步升溫。這一步至關(guān)重要,一方面可以使助焊劑充分活化,發(fā)揮最佳效能;另一方面能減小電路板進(jìn)入高溫錫爐時(shí)因溫差過(guò)大而產(chǎn)生的熱沖擊,避免對(duì)電路板和元器件造成損傷。就好比運(yùn)動(dòng)員在比賽前需要熱身一樣,預(yù)熱后的電路板才能在焊接環(huán)節(jié)表現(xiàn)得更加 “出色”。 隨后,便是波峰焊的 “高光時(shí)刻”—— 錫爐區(qū)域。這里,電動(dòng)泵或電磁泵大顯身手,將熔融狀態(tài)下的軟釬焊料(常見的有鉛錫合金或環(huán)保的無(wú)鉛錫銀銅合金)噴射成特定形狀的焊料波峰。從工藝類型上看,有單波峰和雙波峰之分。單波峰焊,焊料波峰相對(duì)簡(jiǎn)單直接,對(duì)于一些常規(guī)的穿孔式元件,單波峰憑借焊錫流動(dòng)方向與板子行進(jìn)方向相反所產(chǎn)生的渦流,能像 “洗刷” 一般去除助焊劑和氧化膜殘余物,在焊點(diǎn)達(dá)到浸潤(rùn)溫度時(shí)實(shí)現(xiàn)良好焊接。而雙波峰焊則更為精妙,它包含擾流波和層流波(λ 波)。擾流波較窄且?guī)в休^高垂直壓力,能夠使焊錫有力地滲入到安放緊湊的引腳和表面安裝元件(SMD)焊盤之間,確保那些微小、緊密排列的焊點(diǎn)也能被焊料完美填充;緊接著的層流波則平滑穩(wěn)定,負(fù)責(zé)消除由擾流波產(chǎn)生的毛刺和焊橋,讓焊點(diǎn)表面平整光滑,大大提升焊接質(zhì)量,就像是給焊點(diǎn)做了一次精細(xì)的 “美容”。 在環(huán)保浪潮的推動(dòng)下,無(wú)鉛焊料逐漸成為主流。傳統(tǒng)的有鉛焊料雖具有熔點(diǎn)低、焊接操控方便、成本低等優(yōu)勢(shì),但其含有的鉛屬于有害重金屬,無(wú)論是在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的有毒煙霧,還是廢棄后對(duì)土壤、水源的污染,都對(duì)環(huán)境和人體健康存在巨大威脅。而無(wú)鉛焊料,如錫銀銅合金,以其無(wú)毒環(huán)保的特性備受青睞。不過(guò),無(wú)鉛焊料也并非十全十美,它的熔點(diǎn)相對(duì)較高,通常在 215 - 227℃左右,這就要求焊接設(shè)備具備更高的預(yù)熱溫度和更精準(zhǔn)的溫度控制能力,以確保焊料能夠充分熔化、流動(dòng),同時(shí)避免因高溫對(duì)電子元器件造成熱損傷。
三、PCB 板的 “內(nèi)心獨(dú)白”
PCB 板,全稱為 Printed Circuit Board,也就是印刷電路板,堪稱現(xiàn)代電子設(shè)備的 “基石”。它通常由一層或多層絕緣材料制成,常見的絕緣基材有玻璃纖維增強(qiáng)塑料等,這些材料為電路板提供了穩(wěn)定的物理支撐,確保其在各種復(fù)雜環(huán)境下不易變形、損壞。而在絕緣基材上,通過(guò)精密的印刷技術(shù)印制有銅線軌跡,這些纖細(xì)卻至關(guān)重要的銅線如同 “血管” 一般,將電路中的各個(gè)電子元器件緊密連接起來(lái),形成一個(gè)完整且高效的電路系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電源信號(hào)的傳遞、信號(hào)的放大、濾波、混頻等諸多功能,從而賦予電子設(shè)備豐富多彩的 “本領(lǐng)”。 從特性上看,PCB 板具有良好的導(dǎo)電性,這得益于其表面的銅箔走線,能夠讓電子流暢地在各個(gè)元器件之間穿梭,保障電氣信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠,相比傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線方式,大大提升了電路的性能,有效降低了信號(hào)干擾和衰減。同時(shí),它還具備出色的絕緣性,絕緣材料將不同的導(dǎo)電層、元器件彼此隔開,防止短路現(xiàn)象的發(fā)生,即使在潮濕、多塵等惡劣環(huán)境下,也能堅(jiān)守陣地,為電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。再者,PCB 板擁有一定的機(jī)械性能,能夠承受元器件的重量、插拔力以及在運(yùn)輸、使用過(guò)程中的震動(dòng)、沖擊等,為電子元器件提供了穩(wěn)固的 “棲息之所”。 在電子設(shè)備的世界里,PCB 板的身影無(wú)處不在。在通信領(lǐng)域,手機(jī)、無(wú)線路由器、通信基站等設(shè)備中的 PCB 板,承載著復(fù)雜的電路和高速信號(hào)傳輸任務(wù),確保我們能夠隨時(shí)隨地暢所欲言、暢享網(wǎng)絡(luò);計(jì)算機(jī)領(lǐng)域更是離不開它,計(jì)算機(jī)主板作為核心部件,其上的 PCB 板肩負(fù)著承載 CPU、內(nèi)存、顯卡等關(guān)鍵元件的重任,一旦 PCB 板出現(xiàn)故障,計(jì)算機(jī)便會(huì)陷入 “癱瘓”;汽車電子領(lǐng)域,發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、儀表盤、音響系統(tǒng)等眾多部件都依托 PCB 板來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣連接與信號(hào)交互,讓汽車變得更加智能、便捷;工業(yè)控制領(lǐng)域,機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備憑借 PCB 板實(shí)現(xiàn)精確的控制指令傳輸與反饋,助力工業(yè)生產(chǎn)邁向智能化、高效化。
四、波峰焊對(duì) PCB 板的 “深度塑造”
(一)熱的 “洗禮”
當(dāng) PCB 板踏入波峰焊的 “熱場(chǎng)”,首先面臨的便是高溫的考驗(yàn)。波峰焊過(guò)程中的溫度通常在 240°C 至 280°C 之間,這對(duì) PCB 板的耐熱性是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。一般來(lái)說(shuō),PCB 板應(yīng)具備經(jīng)受 260℃高溫的時(shí)間大于 50s 的耐熱性,否則在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下,板材內(nèi)部的樹脂基體可能會(huì)發(fā)生軟化、降解等變化,致使板材的機(jī)械性能大打折扣,出現(xiàn)翹曲、變形甚至分層等問題,嚴(yán)重影響后續(xù)電子產(chǎn)品的裝配與使用。 就翹曲問題而言,這是 PCB 板受熱后面臨的常見困擾。過(guò)高的溫度會(huì)使 PCB 板不同層材料因熱膨脹系數(shù)的差異,產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力。比如,常見的 FR-4 環(huán)氧玻璃纖維布印制電路板,其銅箔與樹脂的熱膨脹系數(shù)并不相同,受熱時(shí)膨脹程度不一,當(dāng)這種內(nèi)應(yīng)力超出板材的承受極限,板面就會(huì)發(fā)生翹曲。一旦出現(xiàn)翹曲,不僅在后續(xù)的元器件貼裝環(huán)節(jié),會(huì)使貼片機(jī)難以精準(zhǔn)對(duì)位,導(dǎo)致引腳與焊盤對(duì)位偏差,引發(fā)虛焊、短路等焊接缺陷;而且在產(chǎn)品使用過(guò)程中,還可能造成信號(hào)傳輸線路長(zhǎng)度與間距的改變,引發(fā)信號(hào)時(shí)序偏差、串?dāng)_等電氣性能問題,影響設(shè)備的正常運(yùn)行。 此外,高溫對(duì) PCB 板上的銅箔和阻焊膜也有著顯著影響。銅箔作為導(dǎo)電線路的關(guān)鍵載體,長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境,其與基板的粘合層可能會(huì)遭到破壞,導(dǎo)致銅箔抗剝強(qiáng)度下降,出現(xiàn)銅箔起泡、剝落等現(xiàn)象,直接切斷電路連接,使電子產(chǎn)品 “癱瘓”。阻焊膜,這層覆蓋在 PCB 板非焊接區(qū)域的 “保護(hù)膜”,高溫下若其黏附力不足,就會(huì)出現(xiàn)起皺、剝落,不僅失去對(duì)線路的防護(hù)作用,剝落的碎片還可能混入焊料中,形成雜質(zhì),影響焊點(diǎn)質(zhì)量。為應(yīng)對(duì)這些熱挑戰(zhàn),在 PCB 板的選材上,應(yīng)優(yōu)先選用耐熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)匹配的材料;在波峰焊工藝參數(shù)設(shè)置時(shí),要精準(zhǔn)控制預(yù)熱溫度、焊接溫度以及焊接時(shí)間,避免板材過(guò)度受熱。
(二)焊點(diǎn)的 “藝術(shù)”
焊點(diǎn)質(zhì)量堪稱 PCB 板的 “生命線”,而波峰焊對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響可謂是 “牽一發(fā)而動(dòng)全身”。理想狀態(tài)下的焊點(diǎn),應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)出光滑、圓潤(rùn)、飽滿的外觀,焊料與元器件引腳以及 PCB 板焊盤充分浸潤(rùn),形成可靠的機(jī)械連接與電氣連接,確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定順暢。然而,波峰焊過(guò)程稍有差池,不良焊點(diǎn)便會(huì)隨之滋生。 焊接溫度與時(shí)間的把控不當(dāng),是導(dǎo)致不良焊點(diǎn)出現(xiàn)的重要原因之一。若焊接溫度過(guò)低,焊料的黏度增大、流動(dòng)性變差,無(wú)法充分潤(rùn)濕焊盤與引腳,就容易形成虛焊、拉尖等缺陷。虛焊就像是在焊點(diǎn)處埋下了一顆 “定時(shí)炸彈”,表面看似連接正常,實(shí)則內(nèi)部焊料與焊件并未真正融合,電氣接觸不良,電子產(chǎn)品在后續(xù)使用中,稍有震動(dòng)或溫度變化,就可能出現(xiàn)斷路,導(dǎo)致設(shè)備故障;拉尖則是焊點(diǎn)末端出現(xiàn)尖銳的焊料突起,在高密度布線的 PCB 板上,這些尖刺極易與相鄰線路觸碰,引發(fā)短路,燒毀元器件。相反,若焊接溫度過(guò)高,焊料過(guò)度氧化,潤(rùn)濕性降低,同樣會(huì)造成虛焊,而且過(guò)高的溫度還可能使焊料大量揮發(fā),焊點(diǎn)干癟,機(jī)械強(qiáng)度不足,無(wú)法承受元器件的自重與外力拉扯。 波峰焊的傳送速度與軌道角度也在暗中 “操控” 著焊點(diǎn)質(zhì)量。傳送速度過(guò)快,PCB 板在波峰上停留時(shí)間過(guò)短,焊料來(lái)不及充分浸潤(rùn),會(huì)導(dǎo)致少錫、漏焊等問題,焊點(diǎn)如同 “營(yíng)養(yǎng)不良” 般,無(wú)法為元器件提供穩(wěn)固支撐,影響電氣連接的可靠性;傳送速度過(guò)慢,又會(huì)使焊料過(guò)度堆積,形成多錫、橋接等缺陷,相鄰焊點(diǎn)間的焊料連成一片,造成短路,讓電路板瞬間 “報(bào)廢”。軌道角度若不合適,當(dāng)傾角過(guò)小,液態(tài)焊料與 PCB 板分離緩慢,容易在焊點(diǎn)間形成焊料殘留,引發(fā)橋接;而傾角過(guò)大,焊料對(duì)焊點(diǎn)的沖擊力增強(qiáng),一方面可能沖壞已成型的焊點(diǎn),另一方面會(huì)使焊點(diǎn)吃錫量不均,部分焊點(diǎn)虛焊,影響整體焊接質(zhì)量。 再者,助焊劑的使用狀況對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量同樣起著關(guān)鍵作用。助焊劑的活性成分能夠有效去除焊件表面的氧化層,降低焊料表面張力,促進(jìn)焊料潤(rùn)濕鋪展。若助焊劑涂布不均勻,量少的區(qū)域無(wú)法徹底清除氧化層,焊料難以附著,產(chǎn)生虛焊;量多的區(qū)域在焊接后可能殘留過(guò)多助焊劑,不僅影響外觀,其腐蝕性成分還可能在后續(xù)使用中逐漸侵蝕焊點(diǎn)與線路,降低可靠性。而且,助焊劑在高溫下若揮發(fā)過(guò)快,來(lái)不及發(fā)揮最佳助焊效果,也會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷頻發(fā)。為雕琢出完美的焊點(diǎn) “藝術(shù)品”,在波峰焊過(guò)程中,必須依據(jù) PCB 板的材質(zhì)、元器件類型等因素,精細(xì)調(diào)整焊接溫度、時(shí)間、傳送速度、軌道角度等參數(shù),并確保助焊劑的正確選型與均勻涂布,全方位保障焊點(diǎn)質(zhì)量。
五、優(yōu)化波峰焊,成就 PCB 板 “完美人生”
既然波峰焊對(duì) PCB 板的影響如此關(guān)鍵,那么優(yōu)化波峰焊工藝就成為了提升 PCB 板質(zhì)量乃至整個(gè)電子產(chǎn)品性能的必由之路。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,企業(yè)可以采取一系列行之有效的措施來(lái)優(yōu)化波峰焊。 首先,從設(shè)備角度出發(fā),定期對(duì)波峰焊設(shè)備進(jìn)行全方位的維護(hù)保養(yǎng)至關(guān)重要。這包括檢查運(yùn)輸帶的平整度與穩(wěn)定性,確保電路板在傳送過(guò)程中不發(fā)生偏移、震動(dòng),以免影響焊點(diǎn)質(zhì)量;及時(shí)清理助焊劑噴嘴,防止噴嘴堵塞造成助焊劑涂布不均勻;對(duì)錫爐進(jìn)行深度清潔,去除錫渣,保證焊料的純凈度,維持穩(wěn)定的波峰形態(tài)。同時(shí),引入先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng),如采用高精度的熱電偶傳感器與智能溫控儀相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)熱區(qū)、錫爐區(qū)溫度的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與調(diào)控,將溫度波動(dòng)控制在極小范圍內(nèi),為焊接過(guò)程營(yíng)造穩(wěn)定的熱環(huán)境。 再者,在工藝參數(shù)優(yōu)化方面,依據(jù) PCB 板的材質(zhì)特性、元器件種類與布局,精心定制個(gè)性化的焊接參數(shù)。對(duì)于多層板、厚銅板等特殊板材,適當(dāng)提高預(yù)熱溫度與時(shí)間,使其充分預(yù)熱,減少熱沖擊;針對(duì)微小間距元器件的 PCB 板,放慢傳送速度,微調(diào)波峰高度與軌道角度,確保焊料能精準(zhǔn)且適量地填充到每個(gè)焊點(diǎn)。借助專業(yè)的溫度曲線測(cè)試儀,實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程中的溫度數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)分析不斷優(yōu)化溫度曲線,使焊接過(guò)程全程處于最佳狀態(tài)。 另外,加強(qiáng)對(duì)助焊劑的管理也不容忽視。選用高品質(zhì)、活性適中、殘留物少的助焊劑,并嚴(yán)格按照產(chǎn)品說(shuō)明書控制涂布量與涂布方式,確保助焊劑在去除氧化層的同時(shí),不會(huì)因過(guò)量或不當(dāng)使用引發(fā)后續(xù)問題。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),保持良好的通風(fēng)條件,及時(shí)排出助焊劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體,既保障操作人員的身體健康,又避免有害氣體對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量產(chǎn)生間接影響。 從 PCB 板設(shè)計(jì)層面優(yōu)化,也是提升波峰焊質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。在設(shè)計(jì)之初,充分考慮可制造性設(shè)計(jì)(DFM)原則,合理規(guī)劃元器件布局,避免間距過(guò)小、排列過(guò)于密集,為焊料流動(dòng)與焊接操作預(yù)留充足空間;優(yōu)化焊盤設(shè)計(jì),確保焊盤大小、形狀與元器件引腳適配,提高焊料潤(rùn)濕效果;對(duì)于有特殊散熱需求的元器件,設(shè)計(jì)專門的散熱通道或散熱焊盤,防止局部過(guò)熱影響焊接質(zhì)量與元器件壽命。 通過(guò)以上多方面、系統(tǒng)性的優(yōu)化措施,波峰焊工藝能夠得到極大提升,從而為 PCB 板帶來(lái)更可靠的焊接質(zhì)量、更穩(wěn)定的性能表現(xiàn),為電子產(chǎn)品在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),讓我們手中的電子產(chǎn)品更加智能、耐用,持續(xù)為生活添彩。
六、未來(lái)已來(lái),波峰焊與 PCB 共赴新程
展望未來(lái),波峰焊與 PCB 板的發(fā)展前景一片光明。隨著電子科技的迅猛發(fā)展,電子產(chǎn)品愈發(fā)朝著小型化、輕量化、高性能化邁進(jìn),這無(wú)疑對(duì)波峰焊技術(shù)和 PCB 板的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求,也為它們帶來(lái)了前所未有的創(chuàng)新機(jī)遇。 在波峰焊領(lǐng)域,智能化、自動(dòng)化程度將持續(xù)提升。智能控制系統(tǒng)的深度應(yīng)用,能夠依據(jù) PCB 板的材質(zhì)、元器件布局等實(shí)時(shí)信息,自動(dòng)且精準(zhǔn)地調(diào)整焊接參數(shù),確保每一塊 PCB 板都能在最佳工藝條件下完成焊接,極大減少人為因素導(dǎo)致的質(zhì)量波動(dòng),讓焊接質(zhì)量更穩(wěn)定、更可靠。與此同時(shí),視覺檢測(cè)技術(shù)將無(wú)縫嵌入波峰焊生產(chǎn)線,實(shí)時(shí)、全方位監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量,一旦發(fā)現(xiàn)虛焊、橋接等缺陷,立即反饋并進(jìn)行自動(dòng)修正,大幅提升生產(chǎn)效率與良品率。 環(huán)保理念也將在波峰焊技術(shù)中扎根更深。一方面,無(wú)鉛焊料的性能將不斷優(yōu)化,進(jìn)一步降低熔點(diǎn)、提升潤(rùn)濕性,減少對(duì)電子元器件的熱沖擊,同時(shí)拓展其適用范圍,使其能滿足更多特殊焊接需求;另一方面,焊料回收與循環(huán)利用技術(shù)將日益成熟,有效降低生產(chǎn)成本,減少資源浪費(fèi),讓波峰焊真正實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。 對(duì)于 PCB 板而言,同樣面臨著技術(shù)的深度變革。在材料創(chuàng)新方面,新型高性能絕緣基材和導(dǎo)電材料將嶄露頭角,它們具備更低的介電常數(shù)、更高的耐熱性以及更出色的信號(hào)傳輸性能,能夠有效滿足 5G 通信、人工智能等前沿領(lǐng)域?qū)Ω咚傩盘?hào)傳輸、高功率承載的嚴(yán)苛要求。在設(shè)計(jì)層面,PCB 板將向更高密度、更精細(xì)布線的方向發(fā)展,通過(guò)采用埋入式元器件、任意層互連等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)更小的板卡尺寸、更強(qiáng)的功能集成,助力電子產(chǎn)品的小型化進(jìn)程。 可以預(yù)見,在未來(lái)的電子制造舞臺(tái)上,波峰焊與 PCB 板將攜手共進(jìn),不斷突破技術(shù)瓶頸,為電子產(chǎn)業(yè)的繁榮注入源源不斷的動(dòng)力,讓我們的生活因更先進(jìn)的電子產(chǎn)品而變得更加便捷、多彩。
審核編輯 黃宇
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