电子产品手工焊接焊接温度的设立及验证

1电子产品手工焊接焊接温度的确立及验证陈正浩中国电子科技集团公司第十研究所摘要：本文从手工焊接是热能量从烙铁头向被焊物转移的原理分析着手，指出烙铁头显示温度与与烙铁头焊接温度之间存在着温差，烙铁头空载温度与烙铁头焊接温度之间存在着温差，提出只有把烙铁头的焊接温度而不是烙铁头的空载温度作为焊接PCBA的基准温度才更加符合焊接工艺的原理和实际情况，对于PCB的手工焊接温度的确定具有普遍意义。关键词：手工装焊焊接温度空载温度显示温度回温特性验证引言电子产品手工焊接用的电烙铁经历了四代变化，从九十年代以前的直热式电烙铁（外热式或内热式）、感应式电烙铁（焊枪）到九十年代的恒温电烙铁（温控型电烙铁）直到十多年以前以德国ERSA、美国OK和日本HAKKO为代表的智能型电烙铁的出现。智能型电烙铁不同于温控型电烙铁，两者不属于一个档次。温控型电烙铁通过控制通电时间而实现恒温的。通电时烙铁温度上升，当达到预定的温度时因强磁体传感器达到了居里点而磁性消失，从而使磁性触点断开，停止向电烙铁供电。当温度低于强磁体传感器居里点时，强磁体恢复磁性，并吸动磁芯开关中的永久磁铁，使控制开关的触点接通，继续向电烙铁供电。以此循环达到控制温度的目的。智能型电烙铁采用先进的技术，例如HAKKO-941采用自动温度校准补偿功能，使电烙铁的功率随焊点热容量负载而变化，从而使烙铁头实现温度恒定。使用智能型电烙铁焊接各种热容量大小不同的焊点时，能自动进行功率补偿，使烙铁头温度变化始终控制在±1℃的范围，烙铁头的温度变化与操作人员的经验无关，不会出现超温现象（过高或过低），焊接时温度无须校验。智能型电烙铁具有温度补偿功能，其功率可随焊点大小智能调节，因此焊接时，无论焊点大小（热容量不等），温度恒定，不会产生因高温而损坏PCB和元器件，也不会出现因温度过低而出现“冷焊”现象。图1外热式电烙铁图2内热式电烙铁2a）温控型电烙铁b）温控型电烙铁结构示意图c）温控型电烙铁原理图图3图4带刻度盘的智能型电烙铁图5液晶显示智能型电烙铁在使用智能型电烙铁以前，我们对烙铁头大部分都是采用功率来进行表述的。QJ3117-1999对烙铁头采用功率来进行表述：“除采用自动调节功率电烙铁外，印制电路板组装件的焊接一般采用30~50W电烙铁。微型器件及片式元件的焊接建议采用10~20W电烙铁；大型接线端子和接地线的焊接建议采用50~75W电烙铁”。SMD/SMC手工焊接工艺要求规定：修理Chip应采用15~20W小功率电烙铁，烙铁头温度控制在265℃以下【13】。选用温控型电烙铁作为手工焊接工具的标准有：QJ2465-1993、HB7262.2-1995、QJ3011-1998、QJ3086-1999、SJ20882-2003和SJ20385A-2008等。外热式和内热式电烙铁属于功率恒定而温度可变的电烙铁，温控型电烙铁是通过控制通电时间而实现恒温的。尽管QJ2465-1993规定了“烙铁头表面温度控制在260℃±10℃范围内”，QJ3011-1998规定了“焊接温度为260℃~300℃”，SJ20882-2003规定了“烙铁头的温度一般保持250℃±5℃范围内”，但外热式、内热式电烙铁和温控型电烙铁以及早期采用刻度盘的智能型电烙铁（例如HAKKO-936等）都无法实时准确显示焊接时的实时焊接温度，一般采用3用点温计在焊接前的烙铁头上采样测试，不能像波峰焊和再流焊一样实时显示和准确反映焊接时的实际焊接温度。上述手工焊接用电烙铁的选择以及为确保手工焊接质量所必须的焊接温度的表述都有待于进一步完善。一.手工焊接原理手工焊接是“焊料在烙铁头焊接温度的作用下在加热焊料、助焊剂与被焊件，发生焊料的熔融，并在助焊剂的润湿作用下在被焊件表面发生清洁、加热、润湿、铺展、扩散和溶解，形成厚度为1.5μm~3.5μm的金属间化合物的过程”。图6是一个Sn63Pb37锡铅合金焊点形成过程示意图，在助焊剂活化区，焊剂清洁被焊件表面，将被焊件表面的氧化物、污染物清除掉；在焊料熔化区域焊锡丝熔化后迅速浸润被焊件表面，再经过2~3s的快速扩散、溶解，形成厚度为1.5μm~3.5μm的金属间化合物，然后冷却【13】。理想的手工焊接温度-时间曲线如图7所示【13】。MIL-STD/IPC规定：焊接温度不得高于焊锡熔点40℃，停留时间为2~5s。【6】图6手工焊点形成过程示意图图7理想的手工焊接温度-时间曲线“手工焊接是在空气中敞开进行的，印制板不预热，烙铁头的热容量小、散热快，因此烙铁头的实际温度比理论温度要高一些”，“Sn63Pb37锡铅合金的熔点为183℃，理想的焊接温度为223℃，烙铁头理论温度为330℃，烙铁头实际温度为360℃”，【13】烙铁头实际温度比理想的焊接温度整整高了近140℃。这里所指的烙铁头实际温度是空载温度还是焊接温度？笔者以为不应是焊接温度，因为在相同条件下的焊接温度只有一个；应该指的是烙铁头的空载温度，而且必定是直热式电烙铁（外热式或者内热式电烙铁），只有这类低档次的电烙铁由于没有温度自动补偿和校准功能，才为使空载温度与焊接温度有这么大的温差，而智能型电烙铁空载温度与焊接温度的温差一般只有几十度，图10反应了这两类不同档次的空载温度与焊接温度的温差。这类低档次的电烙铁在高可靠电子产品的焊接中由于不能确保焊接质量应该属于落后的被淘汰的禁限4用工艺范畴。二.手工焊接过程在电子装联中对焊点的形成起直接作用的是焊接温度。这里所指的焊接温度的定义是指：“焊接时，烙铁头在加热焊料、助焊剂与被焊件，使之发生焊料的熔融，并在助焊剂的润湿作用下在被焊件表面发生润湿、铺展和扩散，形成厚度为1.5μm~3.5μm的金属间化合物等理化作用所需的加热温度”。图8表示手工焊接是热能量从烙铁头向被焊物转移的过程。其中“粉色”曲线是烙铁头加热体的温度，“蓝色”曲线是烙铁头的温度，“桔红色”曲线是焊盘的温度。这三条曲线反映了手工焊接一个焊点，从焊接开始到结束过程中加热体、烙铁头、焊盘的温度变化。图中“A”点是烙铁头接触焊盘，开始焊接的起点，“B”点是烙铁头离开焊盘，焊接的结束点。从“A”点到“B”点是一个焊点的焊接过程。从图8可以看出：手工焊接过程中加热体的温度昀高，加热体的热能量传给烙铁头、焊接前（空载时），烙铁头的温度是衡定的。当烙铁头开始接触焊盘（“A”点）时，烙铁头的热量传给了焊盘，此时烙铁头的温度开始下降，焊盘的温度开始上升，助焊剂逐渐活化，产生启动能，并清洗焊盘表面氧化层；随着时间的延长，加热体和烙铁头的温度逐渐降低，焊盘的温度逐渐升高，当温度升高到达焊锡合金的熔点时，焊锡开始熔化，熔融的焊锡在焊盘表面形成热桥，迅速流动、铺展、浸润整个焊盘，并迅速扩散结合层；到“B”点焊接结束时，焊盘温度达到昀高点；当烙铁头从“B”点离开时，焊锡和焊盘迅速降温，冷却凝固，完成焊接。图8手工焊接过程是热能量从烙铁头向被焊物转移过程示意图51.烙铁头显示温度与与烙铁头焊接温度之间存在的温差从图8也可以看出：无论在“A”点或是在“B”点，加热体、烙铁头和焊盘三者之间的温度都是不相同的。设图8“B”点焊盘的温度为焊接温度，那么此时烙铁头的显示温度与焊盘上焊接的温度之间存在一定的温差。焊台的显示温度因不同型号焊台在烙铁头上安置热电偶-传感器的位置不同，烙铁头的结构不同，烙铁头的材料不同，而有着完全不同的显示温度；图9智能型电烙铁焊接温度、空载温度及显示温度测试点因此，烙铁头的显示温度与焊盘上的焊接温度之间的温差也就大不相同；表1是使用FLUKE741B（NO：6945701）标准温度测试仪实测的编号为9410102532的HAKKO-941-08电焊台的温差。表1烙铁头型号设置温度（℃）实测烙铁头焊接温度（℃）设置温度（℃）实测烙铁头焊接温度（℃）T1-08D（A1406）280240.1310263.4T1-12D（A1407）280250.6310271.8T1-24D（1409）280243.6310274.5T1-3BCF（A1413）280271.4310299.1T1-K（A1423）280247.8310278.0对于HAKKO-941来说，当焊接温度和显示温度之间的温差小于50℃时，可以利用焊台的温度校准补偿功能把焊接温度校准至所设定的温度，使焊接温度和显示温度相等。当焊接温度和显示温度之间的温差大于50℃时，可以通过把焊接温度加上温差的方法来设置显示温度，以确保焊接温度的准确性。对于那些靠材料的物理特性来保证温度的准确性的电烙铁，由于材料存在温度离散性，因此也应该对每一个烙铁头进行鉴定，确定每一个烙铁头的实际温度，然后根据需要，在昀佳焊接温度之间进行选择。62.烙铁头空载温度与烙铁头焊接温度之间存在的温差通过对图8和图9的判读，我们可以看出每一个电烙铁实际上存在三种含义完全不同的温度参数，即：烙铁头的空载温度、烙铁头的焊接温度和烙铁头的显示温度；这三种温度参数广义上讲都在烙铁头上，但具体部位和含义大不相同。第一个差别：烙铁头的空载温度和烙铁头的焊接温度测试点均在烙铁头的“尖”上，而烙铁头显示温度的测试点，即传感器的放置位置距烙铁头的空载温度和烙铁头的焊接温度测试点有一定的距离，因此出现了焊接温度与显示温度之间的温差。第二个差别：图8中“A”点是烙铁头的空载温度，是烙铁头的热能完全没有转移时的温度，而烙铁头焊接温度则是“烙铁头在加热焊料、助焊剂与被焊件，使之发生焊料的熔融，并在助焊剂的润湿作用下在被焊件表面发生润湿、铺展和扩散，形成厚度为1.5μm~3.5μm的金属间化合物等理化作用所需的加热温度”，它比烙铁头的空载温度低得多。而且不同材料的烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间的温差各不相同。图10a）是HAKKO-941回热特性和烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间温差的实测数据，烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间温差大约在50℃左右；图10b）是其它电烙铁回热特性和烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间温差的实测数据，烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间温差大约在150℃左右。a）b）图10烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间温差还受到不同尺寸、不同形状烙铁头的影响。7a）大型烙铁头b）中型烙铁头c）小型烙铁头图11图11显示了三种不同尺寸烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间温差。可以看出，即使同一类型的智能型电焊台，由于烙铁头的尺寸不同，其烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间温差也相差很大，烙铁头的尺寸越小，烙铁头的空载温度与烙铁头的焊接温度之间的温差越大。对于把什么温度作为焊接PCBA的基准温度，是提“烙铁头焊接温度”还是提“烙铁头空载温度”？业内有些分歧，即使在美国也存在。例如美国宇航局NASA把烙铁头空载温度作为焊接PCBA的基准温度，而美国MIL军标则把焊接温度作为焊接PCBA的基准温度。美国宇航局NASA把烙铁头空载温度作为焊接PCBA的基准温度需要具体的工艺保障措施。美国军标MIL-STD/IPCRuleofThumb规定正确的焊接温度为“当焊锡为Sn60/Pb40时，其熔点为183℃，加40℃后为223℃”，同样也需要有具体的工艺保障措施。笔者以为，把烙铁头的焊接温度作为焊接PCBA的基准温度的做法更切合实际。三.手工焊接标准的滞后和手工焊接工具落后给焊接质量带来的影响QJ3117-1999标准中对烙铁头是采用功率来进行表述的．但在实际操作中电装人员很难控制，需要改为按烙铁头温度的技术指标进行表述，而按烙铁头温度的技术指标进行表述只有在符合上述防静电智能型电烙铁要求的条件下才能实现。在对焊接温度提要求时，采用ECSS标准的规定。ECSS-Q-70-08A中5.5.7条的要求为：“使烙铁头保持适当的焊接温度。对于一般电子元器件的焊接，烙铁头温度宜为280℃。但任何情况下不应超过330℃。对于散热快的特殊场合，允许烙铁头温度为360℃”，如引线或端子较粗、焊盘与印制电路板大面积铜箔相连等的情况。ECSS-Q-70-08A的上述规定指的是“烙铁头焊接温度”，但该“烙铁头焊接温度”指的是烙铁头