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手工锡焊基础技术----焊接原理

 

随着电子科技的飞速发展,电子组装行业的进步,元器件封装形式的不断变化,使得手工焊接技术在电子行业中的重要性也日益增加。

上世纪70 年代,芯片封装基本采用DIP 封装,此封装形式在当时具有适合PCB(印刷电路板)穿孔安装,布线和操作较为方便等特点。70 年代末80 年代初中国电子科技人员开始关注国外的SMT 技术发展,80 年代初、中期我国最早规模化引进SMT 生产线。进入21 世纪以来,中国SMT 引进步伐大大加快。虽然中国SMT/EMS 产业取得了突飞猛进的发展,但客观来看还存在很多问题。

随着SMT 电子元器件的封装更新换代加快,由原来的直插式改为了平贴式,连接排线也由FPC软板进行替代,元器件电阻电容经过了1206080506030402 后已向0201 平贴式,BGA 封装后已使用了蓝牙技术,这无一例外的说明了电子发展已朝向小型化、微型化发展,手工焊接难度也随之增加,在焊接当中稍有不慎就会损伤元器件,或引起焊接不良,所以我们的一线手工焊接人员必须对焊接原理,焊接过程,焊接方法,焊接质量的评定,及电子基础有一定的了解。

 

一、焊接原理

焊接是被焊工件的材质(同种或异种),通过加热或加压或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。

1 焊接分类与锡焊的条件

1.1 焊接的分类

焊接技术在电子工业中的应用非常广泛,在电子产品制造过程中,几乎各种焊接方法都要用到,但使用最普遍、最有代表性的是锡焊方法。他的原理是通过加热的烙铁将固态焊锡丝加热熔化,再借助于助焊剂的作用,使其流入被焊金属之间,待冷却后形成牢固可靠的焊接点。

当焊料为锡铅合金焊接面为铜时,焊料先对焊接表面产生润湿,伴随着润湿现象的发生,焊料逐渐向金属铜扩散,在焊料与金属铜的接触面形成附着层,使两则牢固的结合起来。所以焊锡是通过润湿、扩散和冶金结合这三个物理,化学过程来完成的。

锡焊是焊接的一种,它是将焊件和熔点比焊件低的焊料共同加热到锡焊温度,在焊件不熔化的情况下,焊料熔化并浸润焊接面,依靠二者原子的扩散形成焊件的连接。其主要特征有以下三点:

焊料熔点低于焊件;

焊接时将焊料与焊件共同加热到锡焊温度,焊料熔化而焊件不熔化;

焊接的形成依靠熔化状态的焊料浸润焊接面,由毛细作用使焊料进入焊件的间隙,形成一个合金层,从而实现焊件的结合。

除了含有大量铬、铝等元素的一些合金材料不宜采用锡焊焊接外,其它金属材料大都可以采用锡焊焊接。锡焊方法简便,只需要使用简单的工具(如电烙铁)即可完成焊接、焊点整修、元器件拆换、重新焊接等工艺过程。此外,锡焊还具有成本低、易实现自动化等优点,在电子工程技术里,它是使用最早、最广、占比重最大的焊接方法。

1.2 锡焊必须具备的条件

焊接的物理基础是“浸润”,浸润也叫“润湿”。要解释浸润,先从荷叶上的水珠说起:荷叶表面有一层不透水的腊质物质,水的表面张力使它保持珠状,在荷叶上滚动而不能摊开,这种状态叫做不能浸润;反之,假如液体在与固体的接触面上摊开,充分铺展接触,就叫做浸润。锡焊的过程,就是通过加热,让铅锡焊料在焊接面上熔化、流动、浸润,使铅锡原子渗透到铜母材(导线、焊盘)的表面内,并在两者的接触面上形成Cu6-Sn5的脆性合金层。

在焊接过程中,焊料和母材接触所形成的夹角叫做浸润角,如图1中的 (a)图中,当 时,焊料与母材没有浸润,不能形成良好的焊点;(b)图中,当 时,焊料与母材浸润,能够形成良好的焊点。仔细观察焊点的浸润角,就能判断焊点的质量。

 

1 浸润与浸润角

 

显然,如果焊接面上有阻隔浸润的污垢或氧化层,不能生成两种金属材料的合金层,或者温度不够高使焊料没有充分熔化,都不能使焊料浸润。进行锡焊,必须具备的条件有以下几点:

焊件必须具有良好的可焊性

所谓可焊性是指在适当温度下,被焊金属材料与焊锡能形成良好结合的合金的性能。不是所有的金属都具有好的可焊性,有些金属如铬、钼、钨等的可焊性就非常差;有些金属的可焊性又比较好,如紫铜、黄铜等。在焊接时,由于高温使金属表面产生氧化膜,影响材料的可焊性。为了提高可焊性,可以采用表面镀锡、镀银等措施来防止材料表面的氧化。

焊件表面必须保持清洁

为了使焊锡和焊件达到良好的结合,焊接表面一定要保持清洁。即使是可焊性良好的焊件,由于储存或被污染,都可能在焊件表面产生对浸润有害的氧化膜和油污。在焊接前务必把污膜清除干净,否则无法保证焊接质量。金属表面轻度的氧化层可以通过焊剂作用来清除,氧化程度严重的金属表面,则应采用机械或化学方法清除,例如进行刮除或酸洗等。

要使用合适的助焊剂

助焊剂的作用是清除焊件表面的氧化膜。不同的焊接工艺,应该选择不同的助焊剂,如镍铬合金、不锈钢、铝等材料,没有专用的特殊焊剂是很难实施锡焊的。在焊接印制电路板等精密电子产品时,为使焊接可靠稳定,通常采用以松香为主的助焊剂。一般是用酒精将松香溶解成松香水使用。

焊件要加热到适当的温度

焊接时,热能的作用是熔化焊锡和加热焊接对象,使锡、铅原子获得足够的能量渗透到被焊金属表面的晶格中而形成合金。焊接温度过低,对焊料原子渗透不利,无法形成合金,极易形成虚焊;焊接温度过高,会使焊料处于非共晶状态,加速焊剂分解和挥发速度,使焊料品质下降,严重时还会导致印制电路板上的焊盘脱落。

需要强调的是,不但焊锡要加热到熔化,而且应该同时将焊件加热到能够熔化焊锡的温度。

合适的焊接时间

焊接时间是指在焊接全过程中,进行物理和化学变化所需要的时间。它包括被焊金属达到焊接温度的时间、焊锡的熔化时间、助焊剂发挥作用及生成金属合金的时间几个部分。当焊接温度确定后,就应根据被焊件的形状、性质、特点等来确定合适的焊接时间。焊接时间过长,易损坏元器件或焊接部位;过短,则达不到焊接要求。一般,每个焊点焊接一次的时间最长不超过5s

 

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