手工焊接技术

手工焊接技术内蒙古工业大学工程训练中心——电子工艺实习第四章4.1锡焊基础焊接是金属加工的基本方法之一。通常焊接技术分为熔焊、压焊和钎焊三大类。锡焊属于钎焊中的软钎焊。(钎料熔点低于450℃)习惯把钎料称为焊料，采用铅锚焊料进行焊接称为铅锡焊，简称锡焊。施焊的零部件通称焊件，一般情况下是指金属零件。4.1.1锡焊概述锡焊，简略地说，就是将铅锡焊料熔入焊件的缝隙使其连接的一种焊接方法，其特征是：(1)焊料熔点低于焊件。(2)焊接时将焊件与焊料共同加热到焊接温度，焊料熔化而焊件不熔化。(3)连接的形式是由熔化的焊料润湿焊件的焊接面产生冶金、化学反应形成结合层而实现的。锡焊的使用非常方便，使其在电子装配中获得广泛应用。(1)铅锡焊料熔点低于200℃，适合半导体等电子材料的连接。(2)只需简单的加热工具和材料即可加工，投资少。(3)焊点有足够强度和电气性能。(4)锡焊过程可逆，易于拆焊。4.1.2锡焊机理我们首先回忆物理学中讲述的一个实验: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“粘”到一起了，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，而金块的结合面上也有银灰色铅的踪迹，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。如图4-1。焊料与焊件扩散示意图图4-11、扩散金属之间的扩散不是任何情况下都会发生，而是有条件的。两个基本条件是：(1)距离，两块金属必须接近到足够小的距离。只有在一定小的距离内，两块金属原子间引力作用才会发生。金属表面的氧化层或其他杂质都会使两块金属达不到这个距离。(2)温度，只有在一定温度下金属分子才具有动能，使得扩散得以进行，理论上说，到“绝对零度”时便没有扩散的可能。实际上在常温下扩散进行是非常缓慢的。锡焊就其本质上说，是焊料与焊件在其界面上的扩散。焊件表面的清洁，焊件的加热是达到其扩散的基本条件。2、润湿润湿是发生在固体表面和液体之间的一种物理现象。这种润湿作用是物质所固有的一种性质(图4-2)。图4-2润湿角不同的液体和固体，它们之间相互作用的附着力和液体的内聚力是不同的，其合力就是液体在固体表面漫流的力。当力的作用平衡时流动也停止了，液体和固体交界处形成一定的角度，这个角称润湿角，也叫接触角，是定量分析润湿现象的一个物理量。如图2-2所示，θ角从0°到180°，θ角越小，润湿越充分。锡焊过程中，熔化的铅锡焊料和焊件之间的作用，正是这种润湿现象。如果焊料能润湿焊件，我们则说它们之间可以焊接，观测润湿角是锡焊检测的方法之一。润湿角越小，焊接质量越好。一般质量合格的铅锡焊料和铜之间润湿角可达20°，实际应用中一般以45°为焊接质量的检验标准(图4-3)。图4-3焊料润湿角3、结合层焊料润湿焊件的过程中，符合金属扩散的条件，所以焊料和焊件的界面有扩散现象发生。这种扩散的结果，使得焊料和焊件界面上形成一种新的金属合金层，我们称之为结合层。(图4-4)结合层的成分是一种既有化学作用(生成金属化合物)，又有冶金作用的特殊层。由于结合层的作用将焊料和焊件结合成一个整体，实现金属连续性。而锡焊就是靠结合层的作用实现连接的。焊料与焊件扩散示意图图4-4锡焊结合层示意图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。结合层小于1.2μm，实际上是一种半附着性结合，强度很低，而大于6μm则使组织粗化，产生脆性，降低强度。理想的结合层厚度是1.2～3.5μm，强度最高，导电性能好。综上所述，我们获得关于锡焊的理性认识：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，在其界面上发生金属扩散并形成结合层，从而实现金屑的焊接。4.2锡焊工具与材料4.2.1电烙铁电烙铁是手工施焊的主要工具，选择合适的烙铁，合理地使用它，是保证焊接质量的基础。原理就是将电能转换为热能对焊接点部位的金属进行加热，同时熔化焊锡，使熔融的焊锡与被焊金属形成合金，冷却后形成牢固地连接。1、分类及结构由于用途，结构的不同，有各式各样的烙铁，从加热方式分：有直热式、感应式、气体燃烧式等；从烙铁发热能力分：有20W，30W，……，300W等；从功能分:又有单用式、两用式、调温式等。最常用的还是单一焊接用的直热式电烙铁。它又可分为内热式和外热式两种。通常功率越大，烙铁的手柄就越粗。1）直热式烙铁下图所示为典型烙铁结构，主要由以下几部分组成。图4-5典型烙铁结构示意图(1)发热元件，其中能量转换部分是发热元件，俗称烙铁芯子。它是将镍铬电阻丝缠在云母、陶瓷等耐热、绝缘材料上构成的。内热式与外热式主要区别在于外热式的发热元件在传热体的外部，而内热式的发热元件在传热体的内部，也就是烙铁芯在内部发热。显然，内热式能量转换效率高。因而，同样温度的烙铁内热式体积，重量都小于外热式。(2)烙铁头，作为热量存储和传递的烙铁头，一般用紫铜制成。在使用中，因高温氧化和焊剂腐蚀会变成凹凸不平，需经常清理和修整。(3)手柄，一般用木料或胶木制成，设计不良的手柄，温升过高会影响操作。(4)接线柱，这是发热元件同电源线的连接处。必须注意：一般烙铁有三个接线柱，其中一个是接金属外壳的，接线时应用三芯线将外壳接保护零线。新烙铁或换烙铁芯时，应判明接地端，最简单的办法是用万用表测外壳与接线柱之间的电阻。显然，如果烙铁不热，也可用万用表快速判定是否烙铁芯损坏。2.电烙铁选用如果有条件选用恒温烙铁是比较理想的。对一般研制、生产，可根据不同施焊对象选择不同功率的普通烙铁，一般也可满足需要。表2-1所提供的选择供参考。烙铁头温度的高低，可以用热电偶或表面温度计测量，一般可根据助焊剂发烟状态粗略估计。如表2-2所示，温度越低，冒烟越小，持续时间长，温度高则反之。当然对比的前提是在烙铁头蘸上等量的焊剂。实际使用时，根据情况灵活应用。需要指出的是不要以为烙铁功率越小，越不会烫坏元器件。用一个小功率烙铁焊大功率三极管，因为烙铁较小，它同元件接触后不能很快提供足够的热量，所以焊点达不到焊接温度而不得不延长烙铁停留时间，这样热量将传到整个三极管上并使管芯温度可能达到损坏的程度。相反，用较大功率的烙铁；则很快可使焊点局部达到焊接温度而不会使整个元件承受长时间高温，因而不易损坏元器件。表4-1表4-24.2.2焊料焊料是易熔金属，它熔点低于被焊金属，在熔化时能在被焊金属表面形成合金而将被焊金属连接到一起。按焊料成分，有锡铅焊料、银焊料、钢焊料等，在一般电子产品装配中主要使用锡铅焊料。锡铅合金：铅与锡熔形成合金后，具有一系列铅和锡不具备的优点：（1）熔点低；（2）机械强度高；（3）具有良好的导电性；（4）抗腐蚀性能好；（5）对元器件引线及其导线附着力强，不易脱落。4.2.3焊剂在进行焊接时，为能使被焊物与焊料焊接牢固，要求金属表面无氧化物和杂质，以保证焊锡与被焊物的金属表面固体结晶组织之间发生合金反应，即原子状态相互扩散。除去氧化物和杂质，通常用机械方法和化学方法。机械方法是用砂纸或刀子将其清除。化学方法是用助焊剂清除。用助焊剂清除具有不损坏被焊物和效率高的特点，因此焊接时一般都采用此法。（1）除氧化膜，其实质是助焊剂中的氯化物、酸类同氧化物发生还原反应，从而除去氧化膜，反应后的生成物变成悬浮的渣，漂浮在焊料表面。（2）防止氧化，液态的焊锚及加热的焊件金属都容易与空气中的氧接触而氧化．助焊剂在熔化后，漂浮在焊料表面，形成隔离层，因而防止了焊接面的氧化。（3）减小表面张力，增加焊锡流动性，有助于焊锡润湿焊件。对助焊剂要求是:（1）熔点应低于焊料。只有这样才能发挥助焊剂作用。（2）表面张力、黏度、比重小于焊料。（3）残渣容易清除。焊剂都带有酸性，而且残渣影响外观。（4）不能腐蚀母材。焊剂酸性太强，就会不仅除氧化层，也会腐蚀金属，造成危害。（5）不产生有害气体和刺激性气味。1.助焊剂有三大作用：助焊剂可分为无机系列、有机系列和树脂系列。（1）无机系列助焊剂这类助焊剂的主要成分是氯化锌及其它们的混合物。其最大优点是助焊作用好，缺点是具有强烈的腐蚀性，常用于可清洗的金属制品的焊接中。如对残留的助焊剂清洗不干净，会造成被焊物的损坏。市场上出售的各种“焊油”多数属于此类助焊剂。对于镀锌、铁、锡镍合金等焊接困难的材料，可选用此类助焊剂。但焊接后，务必对残留焊剂进行清洗。2．助焊剂的种类（2）有机系列助焊剂有机系列助焊剂主要由有机酸卤化物组成。优点是助焊性能好，不足之处是有一定的腐蚀性，且热稳定性较差。即一经加热，便迅速分解，留下无活性残留物。（3）树脂活性系列助焊剂此类助焊剂最常用的是在松香焊剂中加入活性剂。松香是从各种松树分泌出来的汁液中提取的，通过蒸馏法加工成固态松香。松香是一种天然产物，它的成分与产地有关。松香酒精焊剂是用无水酒精溶解松香配制而成的。一般松香占23％～30％。这种助焊剂的优点是：无腐蚀性，高绝缘性，长期的稳定性及耐湿性。焊接后易于清洗，并能形成薄膜层覆盖焊点，使焊点不被氧化腐蚀。电子线路和易于焊接的铂、金、铜、银、镀锡金属等，常采用松香或松香酒精助焊剂。4.3手工锡焊基本操作1、焊接操作姿势与卫生电烙铁拿法有三种:一般烙铁离开鼻子的距离应至少不小于30cm，通常以40cm时为宜图4-6焊烙铁拿法焊锡丝一般有两种拿法:注意：使用电烙铁要配置烙铁架，一般放置在工作台右前方，电烙铁用后一定要稳妥放于烙铁架上，并注意导线等物不要碰烙铁头。图4-7焊锡丝拿法２、五步法训练（1）准备施焊准备好焊锡丝和烙铁。此时特别强调的是烙铁头部要保持干净，即可以沾上焊锡(俗称吃锡)。（2）加热焊件将烙铁接触焊接点，注意首先要保持烙铁加热焊件各部分，例如印制板上引线和焊盘都使之受热，其次要注意让烙铁头的扁平部分(较大部分)接触热容量较大的焊件，烙铁头的侧面或边缘部分接触热容量较小的焊件，以保持焊件均匀受热。图4-8五步训练法（3）熔化焊料当焊件加热到能熔化焊料的温度后将焊丝置于焊点，焊料开始熔化并润湿焊点。（4）移开焊锡当熔化一定量的焊锡后将焊锡丝移开。（5）移开烙铁当焊锡完全润湿焊点后移开烙铁，注意移开烙铁的方向应该是大致45度的方向。图4-8五步训练法上述过程，对一般焊点而言大约二、三秒钟。对于热容量较小的焊点，例如印制电路板上的小焊盘，有时用三步法概括操作方法，即可将上述步骤2、3合为一步，4、5合为一步。实际上细微区分还是五步，所以五步法有普遍性，是掌握手工烙铁焊接的基本方法．特别是各步骤之间停留的时间，对保证焊接质量至关重要，只有通过实践才能逐步掌握。３、锡焊操作要领焊件表面处理手工烙铁焊接中遇到的焊件是各种各样的电子零件和导线，除非在规模生产条件下使用“保鲜期”内的电子元件，一般情况下遇到的焊件往往都需要进行表面清理工，去除焊接面上的锈迹、油污、灰尘等影响焊接质量的杂质。手工操作中常用机械刮磨和酒精、丙酮擦洗等简单易行的方法。预焊预焊就是将要锡焊器件引线或导线的焊接部位预先用焊锡润湿，一般也称为镀锡，上锡等。称预焊是准确的，因为其过程和机理都是锡焊的全过程一焊料润湿焊件表面，靠金属的扩散形成结合层后而使焊件表面“镀”上一层焊锡。图4-9镀锡不要用过量的焊剂适量的焊剂是必不可缺的，但不要认为越多越好。过量的松香不仅造成焊后焊点周围需要清洗的工作量，而且延长加热时间(松香溶化、挥发需要并带走热量)，降低工作效率：而当加热时间不足时又容易夹杂到焊锡中形成“夹渣”缺陷；对开关元件的焊接，过量的焊剂容易流到触点处，从而造成接触不良。合适的焊剂量应该是松香水仅能浸湿将要形成的焊点，不要让松香水透过印刷板流到元件面或插座孔里(如IC插座)。对使用松香芯的焊丝来说，基本不需要再涂焊剂。保持烙铁头的清洁因为焊接时烙铁头长期处于高温状态，又接触焊剂等受热分解的物质，其表面很容易氧化而形成一层黑色杂质，这些杂质几乎形成隔热层，使烙铁头失去加热作用。因此要随时在烙铁架上蹭去杂质。用一块湿布或湿海绵随时擦烙铁头，也是常用的方法。加热要靠焊锡桥非流水线作业中，