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焊锡教材

焊錫作業不良原因及對策

1.焊錫不良分類:

A.焊點形(冰柱,短路等)

B.焊點外觀(潤焊力不足,潤焊不均力)

C.焊點體積(錫過多,太少)

D.PCB不良(基板起泡,脫層)

E.組裝不良(短腳/包焊)

F.其他(白色殘留物,綱狀錫絲)

2.不良現象及原因:

A.ICICLING(冰柱)

現象:

過多的錫在焊點上形成錐狀而成為尖銳,點或在零件腳上可見突狀物,如下圖:

 

原因:

1.預熱不足

2.輸送帶速度過快

3.錫槽溫度不足

4.助焊劑比重不夠或種類不同,不足以潤焊

5.錫中有污染物導致錫流動力降低

6.焊點太大,散熱太快

7.錫波調整不良(錫波整角度過大)

8.抗氧化油不足

9.基板焊錫性不良(同時發生潤料不足現狀)

10.焊點設計不良(孔比零件腳徑過大)

11.太大太重的金屬零件吸熱

12.PCB過錫太深

13.密集的焊接物過錫時會局部吸熱造成熱傳導不勻

14.太強的冷風造成散熱太快

B.BRIDGING(架橋)

現象:

過多的錫附於相鄰的零件肢上或銅軌上形成電氣功能短路.

 

原因:

1.吃錫時間不足(輸送帶太快)

2.預熱時間不足

3.錫槽溫度過低

4.助焊劑配合不當;如使用不適合的類型,太稀,被污染或已充質老化等

5.基板線路設計不良,零件腳太接近

6.零件的方向與錫流的方向相反

7.PCB過錫太深

8.錫波和角度太小

C.POORWETTINGOFTHEPCB(基板吃錫不良)

現象:

基板大部分銅箔點示完全被錫附著,且未吃錫部分由於加熱及與空氣接觸氣化,

呈現棕紅色

 

原因:

1.助焊劑不適合基板

2.基板表面有污染物(油.漆)

3.助焊劑調整不良導致助焊劑塗佈不足

4.基板嚴重氣化,可用兩次焊錫解決比問題

D.DEWETTING(潤料不均勻)

現象:

焊錫不銅箔點上附著力不足,不能形成均勻錫面,而呈現不規則形狀,厚薄不一致,

且吃錫角度過高

 

原因:

1.助焊劑不適用(助焊劉比重或高度不適合)

2.吃錫時間過長

3.錫槽溫度過高

4.基板不良

E.POORWETTINGOFLEADS(零件腳吃錫不良)

現象:

零件腳的吃錫角度過高,且可見錫與零件腳周圍有針孔現象

 

原因:

1.助焊劑調整不良導致零件腳沒有助焊劑

2.助焊劑不適用或溫度過低

3.零件表面層吃錫性不良

4.零件腳有污染物(油漆膠)

F.BLOWHOLES(吹氣孔)

現象:

焊點上可見深孔或針孔係焊點上發現一小孔,氣孔是焊點上較大孔,可看到

內部,而針孔的內部通常是空的,氣孔則是內部空氣完全噴出而造成的大孔,其

原因是焊錫在氣體尚未完全排除前即已凝固面形成

 

原因:

1.孔徑較零件腳徑太很多(設計不良)

2.零件本體阻塞零件腳孔造成助焊劑氣體不能透過PCB向零件面散逸而變成向

銅箔面散逸以造成吹氣孔

3.基板內有濕氣,在導通孔處容易吸收濕氣在焊錫過程中受到高熱而蒸發出來

4.助焊劑本身材質不良

5.壓縮來的空氣含有水氣

G.COLDJONTS(冷焊)

現象:

焊點表面呈現不規則形狀且粗糙有波紋,一般經常發生在手焊作業中

 

原因:

1.烙鐵頭熱容量不足或烙鐵加熱時間不足(手焊作業)

2.焊點加熱過度使焊點看起來無光澤且陰暗如錫渣(手焊作業)

3.焊點固化時零件移動(波焊作業)

4.焊點固化時焊錫流動(如吹氣孔發生時的波焊作業)

H.GRAINYJOINTS(粒狀焊點)

現象:

焊點表面不光滑呈現粒狀物

原因:

1.錫中污染物過高

2.基板銅箔或零件腳表面污染

3.錫渣過多

4.過多的除亮劑(目前本廠並無添加)

I.YELLOWJOINTS(黃色焊點)

現象:

焊點表面被覆蓋一層淺黃色的薄膜

原因:

1.手焊作業時錫絲中的鬆香在焊點上形成薄膜,一般是可接受的降非外觀是特別

被要求的可用溶劑清洗

2.波焊作業時如果焊錫溫度過高亦會在焊點面上形成氧化錫層的萍膜

3.錫波角度小使鬆香雜質不能流不去

4.輸送挂勾太大

J.INCLUSIONS(焊點含雜質)

現象:

雜質存在焊點上

現因:

1.錫渣

2.基板表面含有機化合物(油墨光阻劑)

3.零件腳含有機化合物(保護漆)

4.錫波角度不合理

K.DULLJOINTS(焊點陰暗)

現象:

正常焊點應為銀白色帶有光澤,此類不良焊點沒有光澤且阻暗.

原因:

1.錫成份不對或含錫量太低

2.錫中有污染物

3.助焊劑殘留物

L.CRACKS(錫裂)

現象:

焊點表面裂痕存在,此一情形通常焊錫,基板,導通孔及零件腳之間熱膨脹係數

未配合而造成

 

原因:

1.搬運不良對焊點產生不當的應力而導致破裂

2.基板設計不良造成不當的應力在焊點上

3.焊點固化時收縮形成

4.錫中含污染物造成錫易破裂

5.基板或零件表面有污染

M.EXCESSSOLDER(包焊,錫過多)

現象:

錫過多甚至將零件腳包住而不能確認零件腳是否存在

 

原因:

1.輸送帶速度過快(吃錫時間過短)

2.錫槽溫度過低

3.基板焊點銅箔形狀設計不良

4.預熱時間不足

5.抗氣化油不足(零件腳太短或零件角未入)

6.助焊劑溶度不對( AI所打零件腳角度過小)

7.錫波的形狀調整不當(錫波角度不當)

N.LACKOFSOLDER(錫太薄)

現象:

焊點上錫過少

正常焊點高度約等於1/2的腳長或不小於1/4的銅箔直徑.

 

原因:

1.與上項錫過多正好相反

2.助焊劑溶度不適合

3.基板銅箔吃錫不良

4.基板過錫時間太長

5.預熱溫度過高

O.WEBBING(防焊區有錫綱)

現象:

錫綱存在於基板上的防焊區甚至於造成導軌間的短路

 

原因:

1.錫中含有雜質

2.基板制造時未完全烘乾

3.基板防焊劑未完全烘乾

4.基板蝕化不良在兩導軌中仍有銅箔存在

5.不當的助焊劑濃度造成濺錫

6.基板上的保護漆特性改變而與助焊劑產生化學作用

P.WHITERESIDUES(白色殘留物)

現象:

過錫后白色的殘留物出現在基板

 

原因:

1.基板上保護漆與助焊劑不相容

2.基板上防焊劑與助焊劑不相容

3.基板材料不對

Q.SHORTLEAD(短腳)

現象:

零件腳太短,未能突出焊點且可識別

 

原因:

1.錫過多

2.零件插入不良

3.焊錫前的搬運不良

4.焊錫中輸送帶產生不正常的振動

R.LIFTEDCONDUCTORS(銅箔導軌翹皮)

現象:

導軌翹皮甚至斷裂

 

原因:

1.基板過熱(錫溫過高,吃錫時間過長)

2.基板不良(銅箔附著力不足)

3.外部應力於零件腳上

4.搬運不良

5.插件時不良

S.WARP&TWIST(基板彎曲)

現象:

基板彎曲

原因:

1.基板受熱及外應力

2.基板預熱時上下濁度差異大造成收縮而彎曲

3.在零件裝配過程中造成PCB過分拉緊而有應力產生導致彎曲

 

第1章焊錫原理

在研究焊錫工程所用的材料之前我們必須先清楚地瞭解焊錫的基本原理,否則,我

們便無法用目視來檢驗焊錫后錫鉛合金與各種零件所形成的焊點是否標準

第一節潤濕WETTING

焊錫的定義中可以發現「潤濕」是焊接過程中的主角,所謂焊接即是利用液態的「焊

錫」潤濕在基材上而達到接合的效果,這種現象正如水倒在固體表面一樣,不同的是

「焊錫」會隨著溫度的降低而凝固成接點.當焊錫潤濕在基材上時,理論上兩者之間

會以金屬化學鍵結合,而形成一種連續性的接合,但實際狀況下,基材會受到空氣及

周邊環境的侵蝕,而形成一層氣化膜來阻擋「焊錫」,使基無法達到較好的潤濕效果

其現象正如水倒在塗滿油脂的盤上,水只能聚集在部份的地方,而無法全面均勻的分

佈在盤子上,如果我們未能將基材表面的氧化膜去除,即使勉強沾上「銲錫」,其結

合力量還是非常的弱.

1.焊接與膠合的不同

當兩種材料用膠黏合在一起,其表面的相互黏著是因為膠給它們之間的機械鍵所致.

因為膠不容易在兩者之間固定,所以光亮的表面無法像粗糙或蝕刻的表面的黏著性那麼

好.膠合是一種表面現象,當膠是潮濕狀態時,它可以從原來的表面被擦掉.

焊接是焊錫和金屬之間形成一金屬化學鍵,銲錫的分子穿入基材表層金屬的分子結構

而形成一堅固.完全金屬的結構,當焊錫熔解時,也不可能完全從多屬表面上把它擦

掉,因為它已變成基層金屬的一部份.

2.潤濕和無潤濕Wetting&Non-wetting

一塊塗有油脂的金屬薄板浸到水中,沒有潤濕現象,此時水會成球狀般的水滴,一搖

即掉,因此,水並未潤濕或黏在金屬薄板上.

如將此金屬薄板放入熱清潔溶劑中加以清洗,並小心地乾燥.再把它浸入水中,此時

水將完全地擴散到金屬薄板的表面而形成一薄且均勻的膜層,怎麼搖也不會掉,即它

已經潤濕了此金屬薄板.

3.清潔

當金屬薄板非常乾凈時,水便會潤濕其表面,因此,當「銲錫表面」和「金屬表面」

也很乾凈時,銲錫一樣會潤濕金屬表面,其對清潔程度的要求遠比水於金屬薄板上還

要高很多,因為焊錫和金屬之間必須是緊密的連接,否則在它們之間會立刻形成一很

薄的氣化層.不幸的是,幾乎所有的金屬在曝露於空氣中時,都會立刻氣化,此極薄

的氣化層將妨礙金屬表面上焊錫的潤濕作用.

在第三章我們將討論助焊劑有克服此問題的功能

註一:

「焊錫」是指60/40或63/37的錫鉛合金

註二:

WETTING:

其中文的意思是「潤濕」或「潤焊」

註三:

「基材」:

泛指被焊金屬.如PCB或零件腳.

4.毛細管作用

如將兩片乾凈的金屬表面合在一起后,浸入熔化的銲錫中,銲錫將潤濕此兩片金屬表

面並向上爬升,以填滿相近表面之間的間隙,此為毛細管作用.

假如金屬表面不乾凈的話,便沒有潤濕及毛細管作用,銲錫將不會填滿此點.

當電鍍貫穿孔的印刷線板經過波峰錫爐時,便是毛細管作用的力量將錫貫滿此孔,

並在印刷線路板上面形成所謂的「焊錫帶」並不完全是錫波的壓力將銲錫推進此孔

5.表面張力

我們都看過昆蟲在池塘的表面行走而不潤濕它的腳,那是因為有一看不到的薄層或力

量支持著它,這便是水的表面張力.同樣的力量使水在塗有油脂的金屬薄板上維持水

滴狀,用溶劑加以清洗會減少表面張力,水便會潤濕和形成一薄層.

在第三章,我們將會知道助焊劑在金屬表面上的作用就像溶劑對塗有油脂的金屬薄板

一樣.溶劑去除油脂,讓水潤濕金屬表面和減少表面張力,助焊劑將去除金屬和焊錫

間的氣化物,好讓焊錫潤湴金屬表面.

在銲錫中的污染物會增加表面張力,因此必須小心地管製,鋰錫度也會影響表面張

力,即溫度愈高,表面張力愈小.

我們用圖來表未焊錫潤濕和無潤濕的情形,將更容易瞭解.

 

圖1-1-a表示小球狀的熔錫在加熱的銅板上,它一直維持小球狀,那是因為氧化層已經

增加了其表面張力.

圖1-1-b表示在錫球和銅板之間加入助焊劑,助焊劑已經去除焊錫和銅板之間的氣化物

焊錫已經潤濕基層金屬而形成一薄層.

焊錫表面和銅板之間的角度,稱為潤濕角度(wettingangle),它是所有焊檢驗的基礎.

 

圖1-2表示一些典型的完美焊點的斷面圖,銲錫已經潤濕零件腳和印刷線路板上的焊墊.

兩種基板的潤濕角度都很小,銲錫都已外流而形成毛狀邊絲.

6.潤濕的熱動力平衡

焊接工程不可或缺的材料「焊錫」、「助焊劑」和「基層金屬」,我們假設基層金

屬的表面是完全汪潔,無氣化物.

當一滴焊錫滴在基層金屬上,助焊劑在銲錫的四周時,簡稱

a.銲焊為L:

LIQUID

b.助焊劑為F:

FLUX(或V:

VAPOR)

c.基層金屬為S:

SOLIDBASEMETAL

當銲錫潤濕在基層金屬上,靜止下來時,亦即是力平衡的狀態.

 

依上圖:

得知PSF=PLS+PLFCOSθ

PSF是液體在固體上擴散的力量.

當銲錫滴在固體表面呈賀球狀時,PSF>PLS+PLFCOSθ,此時間始擴散,θ角度逐

漸變小,PLFCOSθ值變大,直到力量平衡為止.

1.θ>900,如果整個系統力量遠到平衡時θ>900,則表示PSF的值小,亦即其液

體的擴散力差.

以θ角度來說:

θ>900時稱為退潤濕(dewet)

θ=1800時稱為未潤濕(nonwet)

900<θ<1800時為潤濕不良(poorlywettedsurface)

2.900>θ>M,我們稱為邊際潤濕(marginalwetting)

通常的M>750這種潤濕也是不能接受的程度

3.θ

750

由上述說明θ角度越小表示潤濕越好.

 

圖1-4-a是完全未潤濕θ=1800

圖1-4-b是完全潤濕θ=00

圖1-4-c是部份潤濕00<θ<1800

第2節焊點

我們已經理論地討論在乾凈的金屬表面上加銲錫時會產生潤濕現象.現在,我們必須

瞭解實際上所發生的情形,它此水在金屬薄板上的潤濕例子還要復雜很多,我們將解

釋形成焊點所包含的東西.

1金屬間的形成

如果兩個銅板如圖1-5-a用銲錫焊接在一起,將他們之間的一小部份取出並放大200倍

(如圖1-5-b)在中間的是銲錫,兩邊是基層銅板.但是,在銅和銲錫之間的材料在焊接

之前並不存在,那是銲錫中錫和銅的表面層形成新的化合物,它是銅/錫化合物

(Cu3Sn,Cu6Sn5)也稱為「金屬間化合物」(intermetalliccompound).當銲錫潤濕銅板時

才會形成金屬間化合物,同時它也是潤濕已發生的表示.

 

金屬間化合物形成的過程如圖1-7到圖1-15所示

 

圖1-10液體助焊劑準備去除金屬表面氣化的略圖,尚無化學作用

 

圖1-11去除氣化層后,助焊劑覆蓋在干凈的金屬表面,準備過錫的略圖

 

2焊點裂

「金屬間化合物」此「銲錫」或「銅」還要硬,而且也比較脆,如果此金屬間化合物

太厚的話,當焊點受到熱或機械性的應力下,會產生焊點龜裂如圖1-16所示.

 

3單面和電鍍貫穿孔印刷線路板

圖1-2所示是完美銲點的橫斷面圖,銲錫已因毛細管作用吸食而上,填滿電鍍貫穿孔

並流到零件面的焊墊上,其潤濕角度很小,且有羽毛狀的邊緣,如果沒有上面所說的

情形,則此銲點便是不良的.

4熱

在被焊金屬表面的溫度未上昇到此銲錫的熔點高之前,是無法得到滿意的銲點,此熱

便由預熱器和焊錫爐的錫波而來,錫波僅和基板底部接觸的時間內加熱焊點,所以預

熱、錫濕、過錫時間都會影響焊錫的品質.

圖1-17-a/b/c表示銲錫的流動是隨熱的流動而通過貫穿孔.

 

圖1-18是因貫穿孔的電鍍有裂縫導致熱流動的停止,零件面的焊墊便沒有潤濕,也就

沒有「銲錫帶」的形成

 

5焊點表面清潔度和腐蝕

銲錫表面同樣也有未飽和鍵,與空氣接觸后,形成氣化層,通常銲錫中的鉛會很快的

生成氣化鉛,氣化鉛會形成一層薄膜保護銲錫不再受氣化,但如果助焊劑有大量的氛

離子殘餘在表面,其結果則完全不同.

 

由上項反應可看HC1不斷與pbo反應,生成pbc12再與空氣中CO2反應生成pbco3,而

又釋放出HC1.如HC1不斷循環使用,毫無消耗,因此腐蝕行為會一直持續不停止.

腐蝕會減少導體導電、損壞接點強度、漏電,而空氣中的水氣更會加速再次腐蝕及漏

電.

一般來說,助焊劑殘餘物是腐蝕的最大原因,而事實上還有許多其他原因會造成污染

腐蝕.

1.基板制作中使用的溶液,如電鍍及蝕刻溶液殘餘在基板上.

2.人的汗上:

人體的汗水中所含氛離子,其所具有的腐蝕性,可能較其他因素為高.

3.環境污染:

在工業區空氣中常含有硫,硫會腐蝕銀表面.

4.輸送系統的污染:

輸送系統常會有潤滑油等染物.

5.包裝材料的污染:

此類污染較易避免.

 

第三章認識助焊劑

第1節助焊劑的四大功能

助焊劑(FLUX)這個字來自拉丁文是”流動”(FlowinSoldering)的意思,但在此它的作用

不衹是幫助流動,還有其他功能,助焊劑的主要功能為:

(一):

清除焊接金屬表面的氧化膜

(二):

在焊接物表面形成一液態的保護膜隔絕高溫時四周的空氣,防止金屬表面的氧化

(三):

降低銲錫的表面張力,增加其擴散能力

(四):

焊接的瞬間,可以讓熔融狀的銲錫取代,順利完成焊接.

第2節助焊劑的化學特性

1化學活性ChemicalActivity

要達到一個好的焊點,被焊物必須要有一個完全無氧化層的表面,但金屬一旦露於

空氣中會生成氧化層,這種氧化層無法用傳統溶劑清洗,此時必須依賴助焊劑與氧化

層起化學作用,當助焊劑清除氧化層之后,乾凈的被焊物表面,才可與銲錫接合.

助焊劑與氧化物的化學反應有幾種:

(一)是相互起化學作用形成第三種物質

(二)氧化物直

接疲助焊劑剝離(三)上述二種反應並存

鬆香助焊劑去除氧化層,即是第一種反應,鬆香主要成份為鬆香酸(Abieticacid)和異構

變結酸(Isomericditerpeneacids),當助焊劑加熱后與氧化銅反應,形成銅鬆香(Copper

abiet),是呈綠色透明狀物質,易溶入未反應的鬆香內與鬆香一起被清除,即使有殘留

也不會腐蝕金屬表面.

氧化物曝露在氧氣中的反應,即是典型的第二種反應,在高溫下氧與氣反應成水,減

少氧化物,這種方式常用在半導體零件的焊接上.

幾乎所有的有機酸或無機酸都有能力去除氧化物,但大部份都不能用來焊錫,助焊劑

之被使用除了去除氧化物的功能外,還有其他功能,這些功能是焊錫作業時,必須考

慮的.

2熱穩定性ThermalStability

當助焊劑在去除氧化物反應的同時,必須還要形成一個保護膜,防止疲焊物表面再度

氧化,直到接觸銲錫為止,所以助焊劑必須能承受高溫,在焊錫作業的溫度下不會分

解或蒸發,如果分解(Decomposion)則會形成溶劑不溶物,難以用溶劑清洗,W/W級的純

鬆香在2800C左右會分解,此應特別注意.

6助焊劑在不同溫度下的活性

Activation&DeactivationTemperatures

好的助銲劑不祇是要求熱穩定性,在不同溫度下的活性亦應考慮.

助焊劑的功能即是去除氧化物,通常在某一溫度下效果較佳,例如RA的助焊劑,除非

溫度達在到某一程度,氛離子不會解析出來清理氧化物,當然此溫度必須在銲錫作業的

溫度範圍內.另一個例子,如使用氯氣做為助焊劑,如溫度是一定的,反應時間則依

氧化物的厚度而定

當溫度過高時,亦可能降低其活性,如鬆香在超過6000F(3150C)時,幾乎無任何反應

如果無法避免高溫時,可將預時間延長,使其充分發揮活性后進入錫爐.

也可以利用此一特性,將助焊劑活性鈍化以防止腐觸現象,但在應用上要特別注意受

熱時間與溫度,以確保活性鈍化.

4潤顯能力WettingPower

為了能清理基材表面的氧化層,助焊劑要能對基層金屬有很好的潤濕能力,同時亦應

對銲錫有很好的潤濕能力以取代空氣,降低銲錫表面張力,增加其擴散性..

7擴散率SpreadingActivity

助焊劑在焊接過程中應有幫助銲錫擴散的能力,擴散與潤濕都是幫助焊點的角度改變

通常「擴散率」(Spreadfactor)可用來作助焊劑強弱的指標.

第3節助焊劑的運作

在圖3-1-a,一個錫球放置在一銅板上的鬆香助焊劑表層上,此銅板是放在一熱板上,

且電源是開的,當熱板的熱上升,銲錫會熔解和流動,如圖3-1-b/c/d,讓我們來看,它

是如何發生.

當助焊劑加熱后,它變為活性化,然后開始去除銅板上氧化物,和預防任何氧化物

的再形成.銲錫馬上潤濕銅板和開始流動,如圖3-1-b.它在此重力之下繼續向外流動

如圖3-1-c.直到表面張力和潤濕力平衡時為止.如圖3-1-d,具有小的潤濕角度和薄的

羽毛狀邊緣.

 

圖3-2詳細地表示銲錫的邊緣和助焊劑如何地去除氧化物,當焊錫潤濕銅板時,它推動

助焊劑在前,最后助焊劑蓋住整個區域並防止再形成氧化物.

 

假如再做實驗,此次不加任何助焊劑,則銲錫溶解后,仍然維持小球狀,它不會潤濕

銅板,也無潤濕力,銲錫的表面張力使它無法流遍銅板.

在第一個實驗裡,助焊劑從表面去除氧化物並讓銲錫潤濕銅板.助焊劑能去除氧化物

的功能就是它的「活性」.弱活性助焊劑僅能去除很少的氧化物,強活性助焊劑則能

去除很多的氧化物.

我們已看過當銅板上的助焊劑加熱后錫球會流遍銅板,有時候,同量的銲錫流過的區

域面積大小也助焊劑活性的測量方式.

 

第4章助焊劑的選擇

隨著電子裝配的日超複雜與精密,助焊劑的種類也隨之增多,所以選擇適用的助焊劑

是一個科學化的過程.工程人員所挑選的助焊劑不但要配合工程的需要,同時也要注

意到避免不良后果及副作用的產生,以下是選擇助焊劑時所應注意的要點:

政府規定或廠內自訂的規格

對操作作員健康或環境污染之影響

被焊金屬表面的清潔程度(如PCB或零件腳的焊錫性)

焊接后免清洗或要清洗(水洗或有機溶劑清洗)

助焊劑本身的穩定性

腐蝕的程度

絕緣阻抗

焊點光亮型或消光型

是否有預先塗抹

第一次手浸焊的作業

起泡、塗抹或噴霧方式塗佈PCB

助焊劑殘留物多寡之考慮(含零件面及焊接面)

是否方便ATE或ICT的測試

預熱溫度的配合

錫爐速度的配合

清洗后是否有白斑產生

焊后表面平整干凈之考慮

比重使用範圍(助焊劑的包容性)

儲存安定性之考慮

廠商供貨及服務能力之考慮

 

從作流程中選擇詠翰科技的產品

合成松香型

傳統松香型

 

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

用水

11

保護層被覆

12無鹵素添加物

13快乾型

14自動測試機針腳不絕緣

15零件面無毛細引起的殘留

16起泡使用

17噴霧使用

18第一次預先抹

19不經預熱的手焊錫

20低飛濺

21電腦及周邊設備免洗專用

水溶性免洗透明

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