电路板焊接技术

第12章焊接技术12.1锡焊一、焊接的分类焊接一般分为熔焊、压焊、钎焊三大类。熔焊是指在焊接过程中，焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法，如电弧焊、气焊、激光焊、等离子焊等。压焊是指在焊接过程中，必须对焊件加压力（加热或不加热）完成焊接的方法，如超声波焊、高频焊、电阻焊、脉冲焊、摩擦焊等。一、焊接的分类钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作焊料，将焊件和焊料加热到高于焊料熔点，但低于母材熔点的温度，利用液态焊料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊按照使用焊料的不同，可分为硬钎焊和软钎焊两种。焊料熔点大于450℃为硬钎焊，低于450℃为软钎焊。按照焊接方法的不同又可分为锡焊（如手工烙铁焊、波峰焊、再流焊、浸焊等）、火焰钎焊（如铜焊、银焊等）、电阻钎焊、真空钎焊、高频感应钎焊等。二、锡焊及其特点锡焊属于软钎焊，它的焊料是锡铅合金，熔点比较低，共晶焊锡的熔点只有183℃，是电子行业中应用最普遍的焊接技术。锡焊具有如下特点：（1）焊料的熔点低于焊件的熔点。（2）焊接时将焊件和焊料加热到最佳锡焊温度，焊料熔化而焊件不熔化。（3）焊接的形成依靠熔化状态焊料浸润焊接面，由毛细作用使焊料进入间隙，形成一个结合层，从而实现焊件的结合。三、锡焊的条件1．焊件应具有良好的可焊性金属表面被熔融焊料浸润的特性叫作可焊性。有些金属材料具有良好的可焊性，但有些金属如钼、铬、钨等，可焊性非常差。即使是可焊性比较好的金属，如紫铜、黄铜等，由于其表面容易产生氧化膜，为了提高可焊性，一般需要采用表面镀锡、镀银等措施。2．焊件表面必须清洁焊件由于长期储存和污染等原因，其表面有可能产生氧化物、油污等。故在焊接前必须清洁表面，以保证焊接质量。3．要使用合适的焊剂焊剂的作用是清除焊件表面氧化膜，并减小焊料融化后的表面张力，以利于浸润。不同的焊件，不同的焊接工艺，应选择不同的焊剂。如镍铬合金、不锈钢、铝等材料，不使用专用的特殊焊剂是很难实施锡焊的4．要加热到适当的温度在焊接过程中，既要将焊锡熔化，又要将焊件加热至熔化焊锡的温度。只有在足够高的温度下，焊料才能充分浸润，并扩散形成合金结合层。12.2锡焊机理了解焊锡机理，有助于我们正确操作，尽快掌握焊接方法。一、焊料对焊件的浸润熔融焊料在金属表面形成均匀、平滑、连续并附着牢固的焊料层的过程叫浸润或润湿。润湿是发生在固体表面和液体之间的一种物理现象。如果某种液体能在某固体表面漫流开，我们就说这种液体能与该固体表面润湿。如：水能在干净的玻璃表面漫流，而水银就不能，我们就说水能润湿玻璃，而水银不能润湿玻璃。从力学的角度来讲，不同的液体和固体，它们之间相互作用的附着力和液体的内聚力是不同的。当附着力大于内聚力时，就形成漫流，即润湿；当内聚力大于附着力时，液体会成珠状在固体表面滚动，即不润湿。那么从液体与固体接触的形状，就可以区分二者是否润湿。我们可从液体与固体接触的边沿，沿液体表面作切线，这条切线通过液体内部与固体表面之间形成一个夹角（叫接触角）。如果这个夹角是锐角，我们就说润湿；如果是钝角，我们就说不润湿。如图12.1所示：当θ90时，焊料不浸润焊件。当θ=90时，焊料润湿性能不好。当θ90时，焊料的浸润性较好，且θ角越小，浸润性能越良好。θ90θ=90θ90图12.1浸润角示例浸润作用同毛细作用紧密相连，光洁的金属表面，放大后有许多微小的凹凸间隙，熔化成液态的焊料，借助于毛细引力沿着间隙向焊接表面扩散，形成对焊件的浸润。由此可见，只有焊料良好地浸润焊件，才能实现焊料在焊件表面的扩散。那么扩散式一种什么样的过程呢？二、扩散实验表明：将一个铅块和金块表面加工平整后，紧紧压在一起，经过一段时间后，二者会“粘”在一起，如果用力把它们分开，就会发现银灰色铅的表面有金光闪烁，而金块的表面上也有银灰色的铅踪迹，这说明两块金属接近到一定距离时能相互“入侵”，这在金属学上称为扩散现象。从原子物理的观点出发，可以认为扩散是由于原子间的引力而形成的扩散。这种发生在金属界面上的扩散的结果，使两块金属结合成一体，从而实现了两块金属间的“焊接”。两种金属间的相互扩散是一个复杂的物理—化学过程。如用锡铅焊料焊接铜件时，焊接过程中既有表面扩散，也有晶界扩散和晶内扩散。锡铅焊料中的铅原子只参与表面扩散，不向内部扩散，而锡原子和铜原子则相互扩散，这是不同金属性质决定的选择扩散。正是由于扩散作用，形成了焊料和焊件之间的牢固结合。金属间的扩散不是在任何情况下都会发生的，而是有条件的。1.距离：两块金属必须接近到足够小的距离（10-10m的数量级），只有在小距离范围内，两块金属原子间引力的作用才会发生，一般情形下，由于金属表面不平、金属表面有氧化层或杂质，都会使两块金属达不到这么小的距离。2.温度：只有在一定温度下，金属分子才具有一定的动能，才可以挣脱自身其它金属分子对它的束博力，而进入另一种金属层，扩散才得以进行。常温下，扩散进行的很慢，温度越高，扩散进行的越快。锡焊的本质就是焊料与焊件在其表面的扩散。焊件表面平整、清洁、对焊件加热是扩散进行的基本条件。三、结合层焊料在润湿焊件的过程中，焊料和焊件界面上会产生扩散现象，这种扩散的结果，使得焊料和焊件的界面上形成一种新的金属层，我们称为结合层。结合层的成分既不同于焊料，又不同于焊件，而是一种既有化学作用（生成化合物。例如：Cu6Sn5、CU2Sn等），又有冶金作用（形成合金固溶体）的特殊层。正是由于结合层的作用，将焊料与焊件结合成一个整体，实现了金属的连接即焊接。如图所示。铅锡焊料和铜在锡焊过程中生成结合层，厚度可达1.2-10μm，由于润湿扩散过程是一种复杂的金属组织变化和物理冶金过程，结合层的厚度过薄或过厚都不能达到最好的性能。｝焊料区｝扩散区｝焊件区焊料与焊件扩散示意图形成结合层是锡焊的关键。如果没有形成结合层，仅仅是焊料堆积在母材上，则称为虚焊。实验表明，1.2-3.5μm的结合层，焊接强度最高，导电性能最好。如图2.5所示。结合层最佳厚度1..2--3.5μm图2.5锡焊结合层示意图综上所述，焊接的机理是：将表面清洁的焊件与焊料，加热到一定温度，焊料熔化并润湿焊件表面，与焊件在界面上形成结合层，从而实现焊接。*12.3元器件装置前的准备一、元器件引线的加工成型元器件在印制电路板上的排列和安装方式主要有两种，一种是规则排列卧式安装，另一种是不规则排列立式安装。加工时，不要将引线齐根弯折，并用工具保护好引线的根部，以免损坏元器件。在焊接时，应尽量保持其排列整齐，同类元件要保持高度一致，且各元件的符号标志向上（卧式）或向外（立式），以便于检查。09.10.15-10二、镀锡新出厂的元器件引线一般都镀有一层薄薄的钎料，但时间一长，其表面将产生一层氧化膜，影响焊接。因此，除少数镀层良好的引线外，大部分元器件在焊接前都要重新进行镀锡。镀锡，是锡焊的核心——实际上就是液态焊锡对被焊金属表面浸润，在焊件表面形成一层既不同于被焊金属，又不同于焊锡的结合层。这一结合层将焊锡同待焊金属这两种性能、成份都不同的材料牢固地结合起来。1．镀锡的要求（1）待镀面应清洁焊剂的作用主要是加热时破坏金属表面氧化层，对锈迹、油迹等杂质并不起作用。各种元器件、焊片、导线等都可能在加工、存贮的过程中，带有不同的污物，轻则用酒精或丙酮擦洗，严重的腐蚀污点只能用机械办法去除，包括刀刮或砂纸打磨，直到露出光亮的金属为止。（2）加热温度要足够要使焊锡浸润良好，被焊金属表面温度应略高于焊锡熔化时的温度，才能形成良好的结合层。因此，应根据焊件大小供给它足够的热量。考虑到元器件承受温度不能太高，因此必须掌握恰到好处的加热时间。（3）要使用有效的焊剂松香是使用最多的焊剂，但松香多次加热后就会失效，尤其是发黑的松香基本上不起作用，应及时更换。2．镀锡的方法镀锡的方法有很多种，常用的方法主要有电烙铁手工镀锡、锡锅镀锡、超声波镀锡等。（1）电烙铁手工镀锡电烙铁手工镀锡是指直接使用电烙铁对电子元器件的引线进行镀锡。其优点是方便、灵活。缺点是镀锡不均匀，易生锡瘤，且工作效率低。适用于少量、零散作业。电烙铁手工镀锡时应注意事项：a．烙铁头要干净，不能带有污物和使用已氧化了的焊锡。b．烙铁头要大一些，有足够的吃锡量。c．电烙铁的功率及温度应根据不同元器件进行适当选择。电阻、电容温度可高一些，一般可达到350～400℃。而对晶体管则温度不能太高，以免烧坏管子，一般控制在280～300℃左右。实践证明，镀锡温度超过450℃时就会加速铜的氧化，导致锡层无光，表面粗糙等。d．镀锡前，应对元器件的引线部分进行清洗处理，以利于镀锡。e．应选择合适的助焊剂，常使用松香酒精水。f．镀锡时，引线要放在平整干净的木板上，其轴线应与烙铁头的移动方向一致。烙铁头移动速度要均匀，不能来回往复。g．多股导线镀锡时，要先剥去绝缘层，并将多股导线拧成螺旋状后，在距绝缘层0.5-1mm以外进行镀锡。如图所示。12.4手工焊接技术使用电烙铁进行手工焊接，掌握起来并不困难，但要焊出质量合格的焊点，又不是一件容易的事情。需要掌握一定的技术要领。人们在长期的焊接实践中，总结出了焊接的四个要素，简称4M，即材料（Material）：包括焊件、焊料和焊剂；工具（Machine）：烙铁及辅助工具；方式方法（Method）：焊接时采取的方法；操作者（Man）人。其中最主要的还是人的技能。没有经过相当长的时间的焊接实践和用心体验、领会，就不可能掌握焊接的要领；即使是从事焊接工作较长时间的技术工人，也不能保证每个焊点的质量都会完全合格。只有充分了解焊接原理再加上用心实践，才有可能在较短的时间内学会焊接的基本技能。一、焊接的操作要领下面要介绍的一些具体方法和注意点，都是实践经验的总结，是初学者迅速掌握焊接技能的捷径。1．焊接姿势焊接时应保持正确的姿势。焊剂加热后，挥发出的化学物质对人体是有害的，如果操作时鼻子距离烙铁头太近，则很容易吸入有害气体。一般烙铁头的顶端距操作者鼻尖部位至少要保持20~30cm以上。同时要挺胸端坐，不要躬身操作。并要保持室内空气流通。2.烙铁的握法（图12.2）⑴反握法：适合大功率直头烙铁，焊件水平放置，长时间工作不易疲劳。⑵正握法：适合中功率弯头烙铁，焊件竖直放置。⑶握笔法：适合在工作台上，用中小功率直头烙铁。反握法正握法握笔法3．焊锡丝的拿法焊锡丝的拿法根据连续锡焊和断续锡焊的不同分为两种拿法。如图12-3所示。手握焊锡丝，用拇指、食指、中指控制送丝速度，适合连续焊接(图a)。仅用拇指、食指、中指捏住焊锡丝，适合断续焊接（图b）。图a图b焊锡丝一般要直接用手送入被焊处，不要先送烙铁头上再用烙铁头上的焊锡去焊接，这样很容易造成焊料的氧化，焊剂的挥发。因为烙铁头温度一般都在300℃左右，焊锡丝中的焊剂在高温情况下容易分解失效。焊锡丝含铅量大，操作时，不应直接抓拿焊锡丝，应戴手套，工作结束后，要洗脸洗手。烙铁使用时，要配置烙铁架，烙铁架一般放于右（左）前方，并注意电源线不要与烙铁头相碰，以防造成事故。二、焊接操作的步骤1.准备施焊焊接表面应无污物，干干净净，如氧化过于严重，还要人工清除氧化层。根据焊点大小，准备好粗细合适的焊丝。烙铁头温度要达到高于焊锡丝熔化温度至少50℃以上，表面无氧化现象，无焊渣，保持有少量焊锡。一手拿焊丝，一手拿烙铁，如图所示。烙铁焊锡丝(1)准备施焊焊接操作一般分为:准备施焊、加热焊件、送入焊丝、移开焊丝、移开烙铁五步。称为“五步法”。2.加热焊件将烙铁头放在焊点上，同时加热要焊接的两个焊件。并注意使烙铁头的大斜面部分接触热容量较大焊件，小斜面接触较小焊件，如图（2）所示，使两焊件同时均匀加热。（2）加热施焊3.送焊丝大约经1—2秒钟，焊件能熔化焊锡时，送焊丝至焊点，焊丝要即接触焊件，又接触烙铁头。如图（3）所示（3）送焊丝（4）去焊丝4.移开焊丝焊丝熔化后，当达到焊点所需量后，要及时移开焊丝。若移开过早，则焊锡量不够，焊点太小，达不到一定强度。若移开太晚，焊点会过大。即浪费焊锡，又容易与周围焊点桥接。如图（4）所示。5.移开烙铁当熔