焊波动力学的基本力
波峰焊是一种大规模工艺，旨在将通孔元件连接到印刷电路板 (PCB) 上。工艺流程是将电路板置于一盘熔融焊料上，由泵产生波峰来焊接焊点。该技术的核心是波峰焊动力学原理——即控制熔融焊料与 PCB 组件之间相互作用的复杂物理力相互作用。熔融焊料的流动受表面张力、润湿性和流体动力学等因素共同控制，而这些因素都受到精确的机器参数的影响。了解这些动力学对于获得坚固、可靠且无缺陷的焊点至关重要。
发挥作用的主要力量包括：
- 润湿和毛细作用：润湿是指熔融焊料在元件引线和PCB焊盘表面扩散并键合的能力。这一作用是由液态焊料和固态金属表面之间的表面张力驱动的。为了形成牢固的冶金结合，焊料必须有效地润湿这些表面[来源：ESD控制中心]。只有当表面没有氧化物时才能实现适当的润湿，因此助焊剂的涂抹和预热至关重要。毛细作用是有效润湿的直接结果，它是一种将焊料向上吸入PCB通孔的力量，确保整个焊点完全填充[来源：Epec Tec]。
- 静水压力：熔融焊锡波会产生静水压力，即由其重量和高度产生的压力。这种压力对于确保焊锡充分填充通孔并覆盖电路板背面的所有连接点至关重要。焊锡波的高度必须严格控制；如果焊锡波太低，可能无法覆盖所有焊点；如果焊锡波太高，则可能会淹没PCB正面。[来源：楚欣]
- 表面张力：表面张力不仅对润湿至关重要，而且在 PCB 离开焊波时也起着至关重要的作用。在自然状态下，熔融焊料的表面张力使其凝聚并形成球体，阻止其流入狭小空间。助焊剂的一个关键功能是降低这种表面张力，使焊料能够更自由地移动[来源：AMTECH]。当电路板离开焊波时，焊料的表面张力会帮助它从非金属表面拉回，在接头周围形成干净、轮廓分明的圆角。这种力有助于防止出现焊锡桥接等缺陷，但如果处理不当，也会导致焊球或焊桥[来源：Cadence PCB]。特定的焊料合金成分也会影响表面张力，无铅合金的表面张力通常高于含铅合金。
- 流体动力学：焊锡波本身是一个复杂的流体动力学系统。泵循环熔融的焊锡，形成稳定的驻波。驻波的形状、稳定性和流动对于获得一致的结果至关重要。影响这些动力学的关键参数包括传送带速度（决定接触时间）以及波高和形状（由泵速和喷嘴配置控制）。[来源：Kinetics]
通过精确控制焊料温度、波峰高度和传送带速度等变量，工程师可以操控这些基本力。深入了解这些动态特性，技术人员能够优化整个波峰焊接工艺并排除故障，从而生产出高度可靠的电子组件。
将动力学与常见的焊接缺陷联系起来
焊波的动态特性是决定焊点最终质量的关键因素。对焊波特性控制不当会导致各种缺陷，从而损害 PCB 的可靠性和功能性。了解这些动态特性如何导致特定问题是有效故障排除和预防的第一步。
常见缺陷及其动态原因
与焊波动力学直接相关的三种最常见的缺陷是桥接、空洞和冰柱。每一种缺陷都是工艺中特定不平衡的症状。
- 焊锡桥接：焊锡桥接是指焊料在两个或多个相邻导体之间形成非预期的连接。这通常是由于过多的焊锡在离开波峰焊时未能正确与电路板分离造成的。主要的动态原因包括传送带速度过慢、焊锡温度过高（降低焊锡表面张力）或波峰高度不正确[来源：chuxin-smt.com]。此外，湍流波峰焊会导致焊锡分布不均匀，从而显著增加桥接的可能性[来源：Cadence Design Systems]。
- 空洞：空洞是焊点内充满气体的空腔，会削弱连接强度，并可能导致过早失效。空洞通常是由于助焊剂挥发物、水分或镀通孔中滞留的空气在焊料凝固前无法逸出而形成的。这可能是由于预热不足导致助焊剂无法有效排气造成的。湍流焊波还会将气体引入熔融焊料中，这些气体随后在凝固过程中被困住[来源：PEMTRON]。正确排气的原则是通用的，详情请参阅减少空洞的指南。
- 冰柱和跳焊：冰柱是指焊料从焊点处突出的尖锐焊点，而跳焊（或不润湿）是指焊料未能粘附的区域。如果传送带速度过快或焊料温度过低，通常会形成冰柱，导致焊料在电路板离开波峰焊时无法回流到焊锡槽中。错误的出锡角度会加剧这种情况[来源：AMTECH]。另一方面，跳焊可能是由于助焊剂涂抹不当、元件引线污染或电路板与波峰焊接触时间不足造成的。
通过动态控制进行故障排除
要减少这些缺陷，需要精确控制波峰焊工艺参数。通过动态调整这些设置，操作员可以确保获得一致、高质量的结果。
- 传送带速度和角度：传送带的速度决定了PCB与焊锡波的接触时间。速度过慢可能导致桥接，而速度过快则可能导致跳锡和锡柱。传送带角度通常设置在5-7度之间，有助于焊锡顺利排出，从而防止桥接和锡柱。
- 波峰高度和流量：焊锡波的高度必须仔细校准——通常约为PCB厚度的一半到三分之二——以确保充分接触，且不会淹没顶层。调整波峰高度对于获得一致的结果至关重要。流量应平稳且呈层流状，因为湍流是造成空洞和桥接的主要原因。
- 温度控制：预热和焊锡炉温度都至关重要。适当的预热可以激活助焊剂，去除氧化物，并防止热冲击。焊锡炉温度必须足够高，以确保良好的流动性，但又不能过高，以免损坏元件或产生过多的焊锡渣。详细了解波峰焊的温度曲线至关重要。
- 助焊剂管理：使用正确类型和剂量的助焊剂至关重要。助焊剂涂敷人员必须涂抹均匀一致的涂层，以促进润湿并防止氧化。定期维护和监测助焊剂密度对于确保工艺稳定至关重要。
优化流程以实现最佳性能
要使波峰焊设备获得始终如一的高质量结果，需要深入了解工艺变量并致力于主动维护。优化此工艺不仅可以提高焊点质量，还能提高产量并延长设备寿命。最佳性能取决于掌握工艺设置、适应不同的电路板设计以及执行严格的维护计划。
流程设置的最佳实践
稳定且可重复的波峰焊接工艺始于精心配置的设置，其中每个参数都起着至关重要的作用。
- 助焊剂涂抹：目标是均匀涂抹一层助焊剂，以去除氧化物并促进润湿。助焊剂用量过少会导致焊接不良，而用量过多则会留下腐蚀性残留物。应定期检查助焊剂的比重，通常每两到四小时检查一次，以确保其化学成分保持一致。正确的助焊剂选择和维护是防止焊球和桥接等缺陷的基础。
- 预热区：预热可激活助焊剂，蒸发挥发性溶剂，并减少PCB及其元器件的热冲击。对于无铅工艺，电路板正面的典型预热温度范围为100°C至130°C。不合适的波峰焊温度曲线可能导致缺陷和元器件损坏。
- 焊锡波动态：对于常见的无铅合金（例如 SAC305），焊锡温度通常在 255°C 至 265°C 之间。调整焊锡波高度可确保充分接触，且不会使电路板溢流。传送带速度决定接触时间（停留时间）；较低的速度可以提高孔填充率，但会增加桥接风险。[来源：Epec Engineered Technologies]
针对不同电路板设计的高级优化
现代 PCB 的复杂性和热质量差异很大，需要定制的优化策略。
- 元件布局和方向： PCB 设计是波峰焊成功的关键因素。将相似的元件朝向相同方向可防止阴影（即一个元件阻碍焊料流向另一个元件）。增加引线间距并在与大型接地平面的连接处设置散热片也能显著减少缺陷。[来源：PCBCart]
- 焊接托盘和夹具：对于复杂、双面或形状奇特的电路板，定制托盘必不可少。这些托盘可以遮盖SMT元件等敏感区域，同时仅将通孔引线暴露于焊锡波峰，从而实现混合技术电路板的选择性焊接。
- 应对无铅挑战：由于更高的加工温度和不同的润湿特性，向无铅焊料的过渡带来了挑战。掌握无铅波峰焊的工艺曲线通常需要氮气保护，以减少焊锡炉中的浮渣形成（氧化）并改善润湿性，从而获得更可靠的焊点[来源：Kester]。
维护和监控长期可靠性
如果没有结构化的维护和监控程序，就不可能实现稳定的性能和长久的设备寿命。疏忽维护和监控是导致工艺波动和代价高昂的停机的直接原因。
例行维护计划
完善的维护计划应包括每日、每周和每月的任务。
- 每日：检查并补充焊锡炉的液位、验证焊剂密度并清洁传送带指状件。
- 每周：清洁焊剂装置和预热器，并对焊锡炉区域进行更彻底的清洁，以去除浮渣。
- 每月：送检焊料样品进行分析，检查是否存在污染物。例如，理想情况下，铜含量应保持在1%以下，以免影响焊点质量。[来源：AIM Solder]
过程监控和控制
定期进行工艺审核至关重要，以确保所有参数均符合规范要求。使用温度曲线仪绘制电路板在机器中的运行轨迹，为工艺控制提供宝贵的数据。详细记录参数设置、维护活动和观察到的缺陷，有助于快速解决问题。如需深入了解常见问题，请参阅波峰焊问题及解决方案指南。通过将明确的设置与自适应策略和周密的维护相结合，制造商可以实现最佳性能，并确保其波峰焊工艺在未来数年内保持可靠。
来源
- AIM 焊料 – 维护焊锡炉的指南
- AMTECH – 什么是助焊剂？
- AMTECH – 波峰焊故障排除指南
- Cadence 设计系统 – 了解和预防波峰焊缺陷
- Cadence PCB – 了解波峰焊工艺的动态
- 初心SMT——波峰焊温度综合指南
- Chuxin SMT – 波峰焊工艺分步指南
- 初心SMT-如何调整焊锡波高度以确保PCB焊接质量？
- 初心SMT – 如何减少回流焊接工艺中的空洞：技巧
- Chuxin SMT – 掌握无铅波峰焊曲线：综合指南
- Chuxin SMT – 减少波峰焊中的焊料桥接：最佳实践
- 初心SMT – PCB传送带完整指南
- 初心SMT-波峰焊设备常见问题及解决方案指南
- 初心SMT-波峰焊助焊剂选择及维护指南
- Epec Engineered Technologies – 波峰焊工艺缺陷及故障排除
- Epec Tec – 常见波峰焊缺陷及故障排除
- ESD 控制中心 – PCB 101 第 3 部分：焊接艺术
- Kester – 无铅波峰焊
- 动力学——波峰焊的基本原理
- PCBCart – 波峰焊参数介绍
- PEMTRON – 焊点空洞：原因及预防