在电子整机装配中

第三章焊接工艺基础在电子整机装配中,为了避免连接处移动和露在空气中的金属表面产生氧化层导致导电率的不稳定,通常采用焊接工艺来处理金属导体的连接。焊接就是把比被焊金属熔点低的焊料和被焊金属一同加热,在被焊金属不熔化的条件下,使熔化的焊料润湿连接处被焊金属的表面,在它们的接触界面上形成合金层,达到被焊金属间的牢固连接。在焊接工艺中普遍采用的是锡焊,焊料是一种锡铅合金。本章从手工焊接技术和自动焊接技术两个方面,简要介绍有关焊接工艺的基础知识。3.1手工焊接工艺3.1.1焊料与焊剂一、焊料焊料是一种熔点比被焊金属低,在被焊金属不熔化的条件下能润湿被焊金属表面,并在接触界面处形成合金层的物质。通常锡焊的被焊金属是铜,焊料是锡铅合金。为什么要用铅锡合金而不单独使用铅或锡作为焊料呢?有三点理由:1.降低熔点,便于使用锡的熔点是232℃,铅的熔点是327℃,但把锡和铅作成合金,它开始熔化的温度可降到183℃。如图3.1.1锡铅合金状态图所示,当锡的含量为61.9%时,锡和铅有一个共晶点,此时锡铅合金开始凝固和开始液化的温度是一定的,为183℃,是锡铅合金中熔点最低的一种。图3.1.1锡铅合金状态图2.提高机械强度锡和铅都是质软、强度低的金属,如果把两者熔为合金,机械强度就会得到很大的改进。一般说来,锡的含量为65%时,强度最大(抗拉强度约为5.5kg/mm2;剪切强度约为4.0kg/mm2),约为纯锡的两倍。3.降低价格锡是价格较贵的金属,而铅却很便宜,因此锡铅合金的价格较纯锡要便宜。应当指出,对焊接质量要求较高的场合,有时是使用掺银焊锡。所谓掺银焊锡就是在锡铅焊料中加进银,比例是:锡为60%、铅为37%、银为3%。由于银对铜·14·的扩散作用大,因此可在铜材料的表面形成稳定的合金层。要焊接较厚的铜板,使用掺银焊锡就能避免焊锡脱落,效果较好。一个良好的连接点(焊点)必须有足够的机械强度和优良的导电性能,而且要在短时间内(通常小于3秒钟)形成。在焊点形成的短时间内,焊料和被焊金属会经历三个变化阶段:1.熔化的焊料润湿被焊金属表面阶段;2.熔化的焊料在被焊金属表面扩展阶段;3.熔化的焊料渗入焊缝,在接触界面形成合金层阶段。其中润湿是最重要的阶段,没有润湿,焊接就无法进行。在焊接过程中,同样的工艺条件,会出现有的金属好焊,有的不好焊,这往往是由于焊料对各种金属的润湿能力不同。此外,被焊金属表面若不清洁,也会影响焊料对金属的润湿能力,给焊接带来不利。锡铅合金焊料,通常又称焊锡,有多种形状和分类。形状有块状、棒状、带状、丝状和粉末状。最常见的用于电子设备的是松脂芯焊丝,如图3.1.2所示,这种焊锡丝的轴向芯内注有助焊剂(一种松香粉末)。松脂芯焊丝的外径通常分0.6、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0、2.3、3.0mm等尺寸。图3.1.2松脂芯焊丝二、焊剂焊接是在空气中和高温下进行的,因此焊料和被焊金属表面必然产生氧化层,它阻碍着焊接的进程。焊剂是一种焊接辅助材料,它能去除氧化物并防止焊接时金属表面再次氧化,故又称助焊剂。焊剂可分为无机类焊剂和有机类焊剂两大类。无机焊剂,例如盐酸、磷酸、氯化锌、氯化铵等。有的制品俗称焊油,它们的活性好但腐蚀性强,在电子设备中是禁止使用的。有机焊料,例如甲酸、乳酸、乙二胺及松香焊剂等,其腐蚀性较小,有较好的助焊性能。特别是松香焊剂,在电子设备的焊接中被广泛应用。因松香焊剂应用广泛,有的资料把它另列为树脂焊剂,与有机焊剂,无机焊剂并列为三种焊剂。松香焊剂是典型的有机酸类焊剂,其主要成分是松香酸(约占80%)。在对铜或铜合金进行焊接时,铜和松香酸在加热的条件下(170℃),生成松香酸铜(金属盐)。而松香酸铜在受热的条件下又会分解成活性铜和松香酸。活性铜与熔化的焊料中的锡反应,最终生成铜锡合金,从而完成了焊接。目前还出现了能提高助焊效果的活性松香焊剂和改性松香焊剂等。3.1.2焊接工具的选用手工焊接的基本工具是电烙铁,它的作用是加热焊接部位,熔化焊料,使焊料和被焊金属连接起来。一、电烙铁的基本结构电烙铁种类很多,结构各有不同,但其基本结构都是由发热部分、储热部分和手柄部分组成的。1.发热部分也叫加热部分或加热器。电烙铁发热部分的作用是将电能转换成热能。其结构原理是,在云母或陶瓷绝缘体上缠绕高电阻系数的金属材料(如镍铬合金丝),当电流通过时产生热效应,把·24·电能转换成热能,并把热能传递给储热部分。2.储热部分电烙铁的储热部分是烙铁头,它在得到发热部分传来的热量后,温度逐渐上升,并把热量积蓄起来。通常采用密度较大和比热较大的铜或铜合金作烙铁头。3.手柄部分电烙铁手柄一般用木材、胶木或耐高温塑料加工而成。手柄的形状要根据电烙铁功率和操作方式而定,应符合牢固、温升小、手握舒适等要求。二、外热式和内热式电烙铁简介通用的电烙铁按加热方式可分为外热式和内热式两大类。1.外(旁)热式电烙铁是一种应用较广的普通型电烙铁,其外形如图3.1.3所示。其加热器是用电阻丝缠绕在云图3.1.3外(旁)热式电烙铁外形母材料上制成。因其是把烙铁头插入加热器,所以称为外(旁)热式电烙铁。外热式电烙铁绝缘电阻低,漏电大。又由于是外侧加热,故热效率低,升温慢,体积较大。但其结构简单,价格便宜,所以仍是目前使用较多的电烙铁。其规格有20、25、30、50、75、100、150W等。主要用于导线、接地线和较大器件的焊接。2.内热式电烙铁内热式电烙铁的外形如图3.1.4所示。常用的规格有20、30、50W等。其加热器用电阻丝缠绕在密闭的陶瓷管上制成,因其是把加热器插在烙铁头里面,直接对烙铁头加热,所以称为内图3.1.4内热式电烙铁外形热式电烙铁。内热式电烙铁绝缘电阻高、漏电小。它对烙铁头直接加热,热效率高,升温快。采用密闭式加热器,能防止加热器老化,延长使用寿命。但加热器制造复杂,烧断后无法修复。内热式电烙铁主要用于印制电路板上元器件的焊接。三、电烙铁的选用和温度控制1.电烙铁的选用根据手工焊接的技术要求,在选用电烙铁时,应注意下列要求:(1)必须满足焊接时所需的热量。升温快,热效率高,在连续操作时能保持一定的温度。(2)烙铁头的形状要适合焊接空间的要求。(3)电气、机械性能安全可靠。质量小,操作舒适,工作寿命长,维修方便。2.电烙铁的温度控制控制电烙铁的温度,是提高焊接质量,防止元器件过热损坏的重要措施。不控制温度的电烙铁,焊接时烙铁头的温度会有不同程度的下降,尤其是在连续操作时,如果烙铁头温度不能迅速恢复到焊接所需温度,会影响工作。另外,也有可能出现烙铁头温度过高,造成被焊元器件受热损坏的情况。可见,在手工焊接时,应对电烙铁的温度进行控制。·34·控制电烙铁的温度常用下列几种方法:(1)通过调整烙铁头伸出的长度来控制。这种办法最简单,但必须有丰富的经验,且调温不够精确。(2)通过调整电源电压,即改变电烙铁输出功率来调控温度。(3)利用温度传感器,通过电子线路来控制温度。此法控温精度高,调节方便,但结构复杂,价格较高。(4)使用装有磁性开关的恒温电烙铁。这种磁性开关是利用居里效应———软磁材料被加热到一定温度(称为居里点)即失去磁性制成的。四、电烙铁的使用和维护为了能够顺利而安全地进行焊接操作及延长电烙铁的使用寿命,应当正确使用和维护电烙铁,要点如下:1.合理使用烙铁头。初次使用的电烙铁要先将烙铁头浸上一层锡。焊接时要使用松香或无腐蚀的焊剂。擦拭烙铁头要用浸水海绵或湿布。不要用砂纸或锉刀打磨烙铁头。焊接结束后,不要擦去烙铁头留下的焊料。2.电烙铁外壳要接地。长时间不用时,应切断电源。定期检查电源线是否拉脱或短路。有关焊接MOS集成电路的防漏电措施详见第51页有关内容。3.要经常清理外(旁)热式电烙铁壳体内的氧化物,防止烙铁头卡死在壳体内。3.1.3保证焊接质量的因素手工焊接是利用电烙铁加热焊料和被焊金属,实现金属间牢固连接的一项工艺技术。这项工作看起来十分简单,但要保证众多焊点的均匀一致、个个可靠却是十分不容易的,因为手工焊接的质量是受多种因素影响和控制的。通常应注意以下几个保证焊接质量的因素:一、保持清洁要使熔化的焊料与被焊金属受热形成合金,其接触表面必须十分清洁,这是焊接质量得到保证的首要因素和先决条件。二、合适的焊料和焊剂电子设备手工焊接通常采用共晶锡铅合金焊料,以保证焊点有良好的导电性及足够的机械强度。目前常用的是松脂芯焊丝。三、合适的电烙铁手工焊接主要采用电烙铁,应按焊接对象选用不同功率的电烙铁,不能只用一把电烙铁完成不同形状、不同热容量焊点的焊接。四、合适的焊接温度焊接温度是指焊料和被焊金属之间形成合金层所需要的温度。通常焊接温度控制在260℃左右,但考虑到烙铁头在使用过程中会散热,可以把电烙铁的温度适当提高一些,控制在300±10℃为宜。五、合适的焊接时间由于被焊金属的种类和焊点形状的不同及焊剂特性的差异,焊接时间各不相同。应根据不同的对象,掌握好焊接时间。通常,焊接时间不大于3秒钟。·44·六、被焊金属的可焊性主要是指元器件引线、接线端子和印制电路板的可焊性。为了保证可焊性,在焊接前,要进行搪锡处理或在印制电路表面镀上一层锡铅合金。3.1.4手工焊接的工艺流程和方法一、手工焊接的基本步骤手工焊接的工艺流程如图3.1.5所示,有准备、加热、加焊料、冷却和清洗等基本步骤。图3.1.5手工焊接工艺流程图1.准备焊接前的准备包括:焊接部位的清洁处理,导线与接线端子的钩连,元器件插装以及焊料、焊剂和工具的准备,使连接点处于随时可以焊接的状态。2.加热烙铁头加热焊接部位,使连接点的温度升至焊接需要的温度。加热时,烙铁头和连接点要有一定的接触面和接触压力。3.加焊料加热到一定温度后,即可在烙铁头与连接点的结合部或烙铁头对称的一侧,加上适量的焊料。焊料熔化后,用烙铁头将焊料拖动一段距离,以保证焊料覆盖连接点。4.冷却焊料和烙铁头离开连接点(焊点)后,焊点应自然冷却,严禁用嘴吹或其他强制冷却的方法。在焊料凝固过程中,连接点不应受到任何外力的影响而改变位置。5.清洗必须彻底清洗残留在焊点周围的焊剂、油污、灰尘。按清洗对象的不同,可采用手工擦洗、气相清洗和超声波清洗等。二、手工焊接的操作常识1.加热方法(1)电烙铁的握法图3.1.6手握电烙铁的方法(a)反握法;(b)正握法;(c)笔握法通常用右手握住电烙铁,握法有反握、正握和笔握三种,如图3.1.6所示。反握法对被焊件压力较大,适用于较大功率的电烙铁(75W);正握法适用于弯烙铁头的操作或直烙铁头在大型机架上的焊接;笔握法适用于小功率的电烙铁焊接印制电路板上的元器件。(2)电烙铁的操作要领电烙铁要在短时间内将几种金属同时加热,·54·烙铁头如何与被焊金属接触十分重要。例如,焊接印制电路板时,由于接触角度θ不同,会造成图3.1.7烙铁头接触焊点的方法热传导速度或引线一侧快或铜箔一侧快,如图3.1.7所示。为使加热均匀,烙铁头应对引线和铜箔同时加热。焊接结束时,烙铁头撤离的方法也要注意。因为烙铁头的主要作用是加热,焊料熔化后,烙铁头应迅速离开焊点。如果焊料停止供给后还继续加热,会造成焊料流淌,焊点表面出现粗糙状,失去金属光泽;如果烙铁头过早撤离,会造成加热不充分,焊剂作用不够,焊点强度降低,甚至会造成虚焊或假焊。电烙铁除具有加热作用外,还能够控制焊料量,带走多余的焊料,如图3.1.8所示。图(a)为烙铁以45°方向撤离,焊点圆滑,带走少量焊料;图(b)为烙铁头垂图3.1.8烙铁头撤离方向和焊料量关系直向上撤离,焊点容易造成拉尖;图(c)为烙铁头以水平方向撤离,带走大量焊料;图(d)为烙铁头沿焊点向下撤离,带走大部分焊料;图(e)为烙铁沿焊点向上撤离,带走少量焊料。掌握上述烙铁撤离方向,就能控制焊料留存量,使每个焊点符合要求,这也是手工焊接的技巧之一。2.焊料供给方法(1)焊料的拿法是用左手拇指和食指轻轻捏住线状焊料,端头留出3～5cm,借助中指推力往前送料。(2)焊料供给要领要掌握好焊料供给时机,即在焊点达到焊接温度时,及时供给焊料,这时焊剂最容易在金属表面起作用,促使焊料润湿被焊金属。同时,焊料供