DIY開放原始碼迴焊爐

五月 13, 2015
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將家用小烤箱改造成表面黏著元件用的迴焊爐。
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使用ControLeo2改造的迴焊爐。

彼得・伊斯頓(Peter Easton)和蓋瑞・提茲(Gary Tietz)兩人都是半退休的工程師,但仍然喜歡在閒暇時間動手改造軟硬體。這次他們一起著手解決在設計小型電路板時會遇到的一個大挑戰:焊接表面黏著元件。

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這是2015年灣區MAKER FAIRE即將展出的專題。相關的展覽資訊可以看灣區MAKER FAIRE官網,之後《MAKE》國際中文版的特派編輯也會隨時帶來第一手的消息,敬請密切期待《MAKE》中文版官網。如果想要親自體驗Maker的熱情,也別錯過5/30、5/31即將在華山舉辦的MAKER FAIRE TAIPEI 2015喔。


焊接技術

有兩種基本的方法可將電子元件焊接在印刷電路板上,分別是插入式和表面黏著。

插入式焊接法中,每個元件都會伸出一條長長的線,我們稱之為接腳。這些接腳和電路板上的通孔相合,且需一個個焊接在電路板背面的焊點上。

使用表面黏著技術的元件則沒有上述的長接腳;而是將元件透過更小的接腳直接附著在電路板上。雖然有些表面黏著元件可以手工焊接,但是較普遍的做法還是在電路板的焊點上塗上錫膏,再將元件及電路板放至迴焊爐中加熱。

图片彼得和蓋瑞。

Make雜誌(以下簡稱M):是什麼促使你做出ControLeo2的呢?
彼得・伊斯頓(以下簡稱PE):使用插入式焊接元件一陣子後,我發覺表面黏著才是比較好的做法。在製作第一個迴焊爐之前我做了不少研究:一開始我使用的是Rocketscream擴充板來控制迴焊爐,不過中間遇到很多挫折。後來我又設計了備有較大螢幕的多繼電控制器,來改善原本的缺點。結果就是現在的ControLeo了。


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使用迴焊爐加熱後的表面黏著元件。

M:製作迴焊爐時遇到的挑戰有哪些?
PE一般人很容易認為迴流曲線中最重要的,就是達到峰值溫度225°C480°F)。沒錯,製作可以達到此溫度的迴焊爐是很重要的,但是還有另外一個重點是高溫時的升溫速率;因為在溫度越高的狀態下,要提升溫度也就越難。如果迴焊的時間過長,較敏感的元件就很有可能受損;而如果熱力全開,也會產生熱點(元件受損)和冷點(焊接失敗)。
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  • Preheat / Soak(60-120 seconds) 預熱/吸熱(60-120秒)
  • Ramp-Up 3°C/sec max上升速度每秒最高3°C
  • Time within 5°C of peak temperature (30 seconds) 距溫度峰值5°C以內的時間(30秒)
  • Reflow (60-150 seconds) 迴焊(60-150秒)
  • Peak Temperature 255-260°C溫度峰值 255-260°C
  • Ramp-Down 6°C/sec max 下降速度每秒最高6°C
M:有沒有什麼建議要給電子領域的新手們呢?
PE:現在起步要比以前簡單得多了。網路上可搜尋到許多相關資料,也有很多開放原始碼的專題可以嘗試。我覺得買一組「Arduino新手套件」然後照著上面的每一個範例練習,是個非常有幫助的方法。很快地,你就會很有把握能夠自己動手設計和執行屬於自己的專題了。況且現在的電子元件也已經便宜到令人難以置信的地步。

M:對於使用表面黏著技術有沒有什麼建議呢?
PE:
改用表面黏著技術的原因有很多;有些積體電路只有表面黏著的設計,如此一來,電路板的面積變小,組裝也就更快更容易了(當然前提是使用了正確的設備)。焊接小型及少量的電路板時,可以使用備有精細焊頭的烙鐵或是熱風槍錫膏進行焊接。但實際上,焊接過幾個電路板後,我保證你一定會想另外找個更快、更簡單的方法,而且還確保做出來的板子可以運作!製作一個迴焊爐絕對是個正確的選擇,而且當你試過成功之後,你就會開始設計更複雜的電路板,而且製作數量也更多。

焊接用的熱能來源需要仔細考量。大部份的IC電路都配合無鉛迴焊設計,而且保證可承受260°C的高溫(無鉛焊錫在217°C時會液化)。而熱風槍溫度則很有可能會超過260°C。有些比較便宜的迴焊爐會在電路板的正上方設置紅外線加熱器,這樣會使得深色的元件吸收到過多的熱能導致過熱。此情況下,即使電路板還是能運作,但還是影響到了平均故障間隔時間(MTBF)。

塗錫膏時請記得使用模板。可以使用聚醯亞胺模板來製作小量的原型,但不鏽鋼模板確實會好用許多。如果想找關於表面黏著的教學影片,YouTube是一個很好的來源。


David Scheltema
大衛・薛特瑪喜歡改造電子儀器和撰寫相關文章。大部份時間都花在製作專題和《MAKE》的技術編輯上。

原文
(譯:屠建明)

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