电子焊接技术论文

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电子焊接技术　１，焊接的概念　焊接，一般是用加热的方式使两件金属物体结合起来；如果在焊接的过程　需要熔人第三种物质，　则称之为　＂钎焊＂　所加熔上去的第三种物质称为　，　＂焊料＂　．　按焊料熔点的高低又将钎焊分为＂硬焊＂和＂软钎焊＂，通常以　４５０℃为界，低　于　４５０℃的称为＂软钎焊＂．电子产品安装工艺中的所谓＂焊接＂就是软钎焊的　一种，主要用锡，铅等低熔点合金做焊料，因此俗称＂锡焊＂．　２，焊接的原理是　焊接技术是电子制作中的基本技能．常用的焊接工具是电烙铁；焊接用料是锡铅　合金，焊接的焊剂．焊接的原理就是用高温将固态焊料加热熔化成液态，在焊剂　的配合下，使液态的焊料在焊接物表面形成不同金属的良好熔合．而选择良好的　焊料是确保焊接质量的前提． 许多初接触焊接的人对焊料的成分及特性等了解甚少，为此，下面对常　用焊料及配合使用的焊剂等进行简单介绍，让大家明白基本的焊接原理，常用焊　料和焊剂的正确选用等，　做到心中有数，　尽快在实际操作中提高自己的焊接水平．　最常用的焊料——焊锡　最常用的焊料见图　１，它是由锡和铅两种金属按照一定比例熔合而成的锡铅合　金，其中锡为主料，因此通常称这种焊料为焊锡．纯锡（Ｓｎ）为银白色，有光泽，　富有延展性，在空气中不易氧化，它的熔点为　２３２．锡能与大多数金属熔融成合　金．但纯锡材料呈脆性，为增加焊料的柔韧性并降低焊料的熔化温度，必须用另　一种金属与锡熔合，以缓和锡的性能．铅就是一种很不错的配料，纯铅（Ｐｂ）为　青灰色，质软而重，有延展性，但容易氧化，有毒性，它的熔点为　３２７℃．当锡　和铅按比例熔合后，就构成了我们最常用的锡铅合金焊料——焊锡，此时此刻熔　点温度变低，使用方便，并能与大多数金属结合，具有价格低，导电性好和连接　电子元器件可靠等特点． 焊接是一个比较复杂的物理，化学过程，当用焊锡焊接金属铜时，随着　电烙铁的加热和焊剂的帮助，焊锡先对焊接表面产生润湿，并逐渐向金属扩散，　在焊锡与金属铜的接触面形成附着层，冷却后即形成牢因可靠的焊接点．其过程　可分为以下三步：　第一步，润湿．润湿过程是指已经熔化了的焊锡借助毛细管力沿着被焊金　属表面细微的凹凸和结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊金属表面形成附着层，　使焊锡与被焊接金属的原子相互接近，达到原子引力起作用的距离．引起润湿的　环境条件是：被焊金属的表面必须清洁，不能有氧化物或污染物．读者不妨通过　形象比喻来理解润湿，我们把水滴到荷花叶上形成水珠，就是水不能润湿荷花；　而把水滴到毛巾止，水就渗透到毛巾里面去了，这就是说水能润湿毛巾．　第二步，扩散．伴随着润湿的进行，焊锡与被焊接金属原子间的相互扩　散现象开始发生．通常原子在晶格点阵中处于热振动状态，一旦温度升高，原子　活动加剧，　就会使熔化的焊锡与被焊接金属中的原子相互越过接触面进入对方的　晶格点阵，而原子的移动速度与数量决定于加热的温度与时间．　第三步，冶金结合．由于焊锡与被焊金属相互扩散，在接触面之间就形　成了一个中间层——金属化合物．　可见要获得良好的焊点，被焊金属与焊锡之间必须形成金属化合物，从而使焊接　点达到牢固的冶金结合状态．　综上所述，某种金属是否能够焊接，是否容易焊接，取决于两个因素：　一是所用焊料是否能与焊件形成化合物；二是要有除去接头上污锈的焊剂．焊接　时，焊锡能与大多数金属（如金，银，铜，铁，锌等）反应生成一种相当硬而脆　的金属化合物，这种化合物就是焊料与焊件结合的粘合剂，但有些金属（如钛，　硅，铬等）不能与焊锡反应，因而焊接这些金属时就不能采用焊锡这种焊料．　３，焊接的分类　（１）手工焊接　一，接触焊接　接　触焊接　是在　加　热的烙　铁嘴（ｔｉｐ）或　环（ｃｏｌｌａｒ）直　接接　触　焊接点　时完　成的．烙铁嘴或环安装在焊接工具上．焊接嘴用来加热单个的焊接点，而　焊接环用来同时加热多个焊接点．对单嘴焊接工具和焊接嘴，有多种的设　计结构．　对烙铁环形式的焊接嘴也有多种设计结构．有两或四面的离散环，主　要用于元件拆除．环的设计主要用于多脚元件，如集成电路（（ＩＣ）；可是，　它们也可用来拆卸矩形和圆柱形的元件．烙铁环对取下已经用胶粘结的元　件非常有用．在焊锡熔化后，烙铁环可拧动元件，打破胶的连接． 四边元件，如塑料引脚芯片载体（ＰＬＣＣ），产生一个问题，因为烙铁环　很难同时接触所有的引脚．如果烙铁环不接触所有引脚，则不会发生热传　导，这意味着一些焊点不熔化．特别是在　Ｊ　型引脚元件上，所有引脚可能　不在同一个参考平面上，这使得烙铁环不可能同时接触所有的引脚．这种　情况可能是灾难性的，因为还焊接在引脚上的焊盘在操作员取下元件时将　从　ＰＣＢ　拉出来．　焊接嘴与环要求经常预防性的维护．它们需要清洁，有时要上锡．可　能要求经常更换，特别是在使用小烙铁嘴时．　接触焊接系统可分类为从低价格到高价格，通常限制或控制温度．选　择取决于应用．例如，表面贴装应用通常比通孔应用要求更少的热量．　１，恒温系统，提供连续，恒定的输出，持续地传送热量．对于表面贴　装应用，这些系统应该在　３３５￣３６５°Ｃ　温度范围内运行．　２，限制温度系统，具有帮助保持该系统温度在一个最佳范围的温度限　制能力．这些系统不连续地传送热量，这防止过热，但加热恢复可能慢．　这可能引起操作员设定比所希望更高的温度，加快焊接．对表面贴装应用　的操作温度范围是　２８５￣３１５°Ｃ．　３，控制温度系统，　提供高输出能力．这些系统，象温度限制系统一　样，不连续地传送热量．响应时机和温度控制比限制温度系统要优越．对　表面贴装应用的操作温度范围是　２８５￣３１５°Ｃ．这些系统也提供更好的偏差　能力，通常是　１０°Ｃ．　与接触焊接系统有关的特性包括：　在多数情况中，接触焊接是补焊（ｔ　ｏｕｃｈ－ｕｐ）以及元件取下与更换的最容易和成本最低的方法．　用胶附着的元　件可容易地用焊接环取下．　接触焊接设备成本相对低，容易买到．　与接　触焊接系统有关的问题包括：　没有限制烙铁嘴或环的系统容易温度冲击，　将烙铁嘴或环的温度提升到所希望的范围之上．　烙铁环必须直接接触焊接　点和引脚，到达效率．　温度冲击可能损伤陶瓷元件，特别是多层电容．　二，加热气体（热风）焊接　热风焊接通过用喷嘴把加热的空气或惰性气体，如氮气，指向焊接点　和引脚来完成．热风设备选项包括从简单的手持式单元加热单个位置，到　复杂的自动单元设计来加热多个位置．手持式系统取下和更换矩形，圆柱　形和其它小型元件．自动系统取下合更换复杂元件，诸如密脚和面积排列　元件．　热风系统避免用接触焊接系统可能发生的局部热应力，这使它成为在　均匀加热是关键的应用中的首选．热风温度范围一般是　３００￣４００°Ｃ．熔化　焊锡所要求的时间取决于热风量．较大的元件在可取下或更换之前，可能　要求超过　６０　秒的加热．　喷嘴设计很重要；喷嘴必须将热风指向焊接　点，有时要避开元件身体．喷嘴可能复杂和昂贵．充分的预防维护是必要　的；喷嘴必须定期清洁和适当储存，防止损坏． 热风系统有关的特性包括：　热风作为传热媒介的低效率，减少由于缓　慢的加热率产生的热冲击．这是对某些元件的一个优点，如陶瓷电容．　使　用热风作为传热媒介，消除直接烙铁嘴接触的必要．　温度和加热率是可控　制，可重复和可预测的．　热风系统有关的问题包括：　热风焊接设备价格　范围从中至高．　自动系统相当复杂，要求高技术水平的操作．　三，助焊剂与焊锡　助焊剂可以用小瓶来滴，可使用密封的或可重复充满的助焊剂笔．经　常，操作员使用太多的助焊剂．我宁愿使用助焊剂笔，因为它们限制使用　的助焊剂量．我也宁愿使用带助焊剂芯的焊锡，含有助焊剂和焊锡合金．　当使用带助焊剂芯的焊锡和液体助焊剂时，保证助焊剂相互兼容．　表面贴装焊接通常要求较小直径的锡线，典型的在　０．５０￣０．７５ｍｍ　范围．　通孔焊接通常要求较大直径的锡线，范围在　１．２０￣１．５０ｍｍ．　锡膏（ｓｏｌｄｅｒ　ｐａｓｔｅ）也可以用注射器来滴，虽然许多手工焊接方法加热　锡膏太快，造成溅锡和锡球．助焊剂胶，而不是锡膏，对更换面积排列元　件是非常有用的．　（２）波峰焊　波峰焊是将熔融的液态焊料，借助与泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊　料波，插装了元器件的　ＰＣＢ　置与传送链上，经过某一特定的角度以及一定的浸入　深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程．　波峰面的表面均被一层氧化皮覆盖，　它在沿焊料波的整个长度方向上几乎都保持　静态，在波峰焊接过程中，ＰＣＢ　接触到锡波的前沿表面，氧化皮破裂，ＰＣＢ　前面　的锡波无皲褶地被推向前进，　这说明整个氧化皮与　ＰＣＢ　以同样的速度移动波峰焊　机焊点成型：当　ＰＣＢ　进入波峰面前端（Ａ）时，基板与引脚被加热，并在未离开　波峰面（Ｂ）之前，整个　ＰＣＢ　浸在焊料中，即被焊料所桥联，但在离开波峰尾端　的瞬间，　少量的焊料由于润湿力的作用，　粘附在焊盘上，　并由于表面张力的原因，　会出现以引线为中心收缩至最小状态，　此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘　之间的焊料的内聚力．　因此会形成饱满，　圆整的焊点，　离开波峰尾部的多余焊料，　由于重力的原因，回落到锡锅中　．防止桥联的发生．　１，使用可焊性好的元器件／ＰＣＢ　２，提高助焊剞的活性　３，提高　ＰＣＢ　的预热温度，增加焊盘的湿润性能　４，提高焊料的温度　５，去除有害杂质，减低焊料的内聚力，以利于两焊点之间的焊料分开　．　波峰焊机中常见的预热方法　１，空气对流加热　２，红外加热器加热　３，热空气和辐射相结合的方法加热　波峰焊工艺曲线解析 １，润湿时间　指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间　２，停留时间　ＰＣＢ　上某一个焊点从接触波峰面到离开波峰面的时间　停留／焊接时间的计算方式是：　停留／焊接时间＝波峰宽／速度　３，预热温度　预热温度是指　ＰＣＢ　与波峰面接触前达到的温度（见右表）　４，焊接温度　焊接温度是非常重要的焊接参数，通常高于焊料熔点（１８３°Ｃ　）５０°Ｃ　￣６０°　Ｃ　大多数情况是指焊锡炉的温度实际运行时，　所焊接的　ＰＣＢ　焊点温度要低于炉温，　这是因为　ＰＣＢ　吸热的结果　ＳＭＡ　类型　元器件　预热温度　单面板组件　通孔器件与混装　９０￣１００　双面板组件　通孔器件　１００￣１１０　双面板组件　混装　１００￣１１０　多层板　通孔器件　１１５￣１２５　多层板　混装　１１５￣１２５　波峰焊工艺参数调节　１，波峰高度　波峰高度是指波峰焊接中的　ＰＣＢ　吃锡高度．其数值通常控制在　ＰＣＢ　板厚度的　１／２￣２／３，过大会导致熔融的焊料流到　ＰＣＢ　的表面，形成＂桥连＂　２，传送倾角　波峰焊机在安装时除了使机器水平外，还应调节传送装置的倾角，通过倾角的　调节，可以调控　ＰＣＢ　与波峰面的焊接时间，适当的倾角，会有助于焊料液与　ＰＣＢ　更快的剥离，使之返回锡锅内　３，热风刀　所谓热风刀，是　ＳＭＡ　刚离开焊接波峰后，在　ＳＭＡ　的下方放置一个窄长的带开口　的＂腔体＂，窄长的腔体能吹出热气流，尤如刀状，故称＂热风刀＂　４，焊料纯度的影响　波峰焊接过程中，焊料的杂质主要是来源于　ＰＣＢ　上焊盘的铜浸析，过量的铜会　导致焊接缺陷增多　５，助焊剂　６，工艺参数的协调　波峰焊机的工艺参数带速，预热时间，焊接时间和倾角之间需要互相协调，反　复调整．　（３）再流焊　再流焊也叫回流焊，是伴随微型化电子产品的出现而发展起来的焊接技术，　主要应用于各类表面组装元器件的焊接．这种焊接技术的焊料是焊锡膏．　预先在电路板的焊盘上涂上适量和适当形式的焊锡膏，再把　ＳＭＴ　元器件贴 放到相应的位置；焊锡膏具有一定粘性，使元器件固定；然后让贴装好元　器件的电路板进入再流焊设备．传送系统带动电路板通过设备里各个设定　的温度区域，焊锡膏经过干燥，预热，熔化，润湿，冷却，将元器件焊接　到印制板上．　再流焊的核心环节是利用外部热源加热，使焊料熔化而再次流动浸润，　完成电路板的焊接过程．　影响再流焊工艺的因素很多，也很复杂，需要工艺人员在生产中不断　研究探讨，将从多个方面来进行探讨．　１，　温度曲线的建立　温度曲线是指　ＳＭＡ　通过回流炉时，　ＳＭＡ　上某一点的温度随时间变化的曲　线．温度曲线提供了一种直观的方法，来分析某个元件在整个回流焊过程　中的温度变化情况．这对于获得最佳的可焊性，避免由于超温而对元件造　成损坏，以及保证焊接质量都非常有用．　２，　预热段　该区域的目的是把室温的　ＰＣＢ　尽快加热，以达到第二个特定目标，但　升温速率要控制在适当范围以内，如果过快，会产生热冲击，电路板和元　件都可能受损；过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质量．由于加热速度　较快，在温区的后段　ＳＭＡ　内的温差较大．为防止热冲击对元件的损伤，一　般规定最大速度为　４℃／ｓ．然而，通常上升速率设定为　１－３℃／ｓ．典型的　升温速率为　２℃／ｓ．　３，　保温段　保温段是指温度从　１２０℃－１５０℃升至焊膏熔点的区域．　其主要目的是使　ＳＭＡ　内各元件的温度趋于稳定，尽量减少温差．在这个区域里给予足够的时　间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发．　到保温段结束，焊盘，焊料球及元件引脚上的氧化物被除去，整个电路板　的温度达到平衡．应注意的是　ＳＭＡ　上所有元件在这一段结束时应具有相同　的温度，否则进入到回流段将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现　象．　４，　回流段　在这一区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰　值温度．在回流段其焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同，一般推荐为　焊膏的熔点温度加　２０－４０℃．对于熔点为　１８３℃的　６３Ｓｎ／３７Ｐｂ　焊膏和熔点　为　１７９℃的　Ｓｎ６２／Ｐｂ３６／Ａｇ２　焊膏，峰值温度一般为　２１０－２３０℃，再流时间　不要过长，以防对　ＳＭＡ　造成不良影响．理想的温度曲线是超过焊锡熔点的　＂尖端区＂覆盖的面积最小．　５，　冷却段　这段中焊膏内的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面，应该用尽　可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和 低的接触角度．缓慢冷却会导致电路板的更多分解而进入锡中，从而产生　灰暗毛糙的焊点．在极端的情形下，它能引起沾锡不良和减弱焊点结合力．　冷却段降温速率一般为　３－１０℃／ｓ，冷却至　７５℃即可．　与再流焊相关焊接缺陷的原因分析　６，　桥联　焊接加热过程中也会产生焊料塌边，这个情况出现在预热和主加热两　种场合，当预热温度在几十至一百度范围内，作为焊料中成分之一的溶剂　即会降低粘度而流出，如果其流出的趋势是十分强烈的，会同时将焊料颗　粒挤出焊区外的含金颗粒，在熔融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留　的焊料球．　除上面的因素外，ＳＭＤ　元件端电极是否平整良好，电路线路板　布线设计与焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等都　会是造成桥联的原因．　７，　立碑（曼哈顿现象）　片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立，这是因为急热使元件两　端存在温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润，而另一边的　焊料未完全熔融而引起湿润不良，这样促进了元件的翘立．因此，加热时　要从时间要素的角度考虑，使水平方向的加热形成均衡的温度分布，避免　急热的产生．　防止元件翘立的主要因素有以下几点：　①选择粘接力强的焊料，焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高；　②元件的外部电极需要有良好的湿润性和湿润稳定性．　推荐：　温度　４０℃　以下，湿度　７０％ＲＨ　以下，进厂元件的使用期不可超过　６　个月；　③采用小的焊区宽度尺寸，以减少焊料熔融时对元件端部产生的表面　张力．另外可适当减小焊料的印刷厚度，如选用　１００μｍ；　④焊接温度管理条件设定也是元件翘立的一个因素．通常的目标是加　热要均匀，特别在元件两连接端的焊接圆角形成之前，均衡加热不可出现　波动．　８，　润湿不良　润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区（铜箔）或　ＳＭＤ　的外部　电极，经浸润后不生成相互间的反应层，而造成漏焊或少焊故障．其中原　因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成金属化　合物层而引起的．譬如银的表面有硫化物，锡的表面有氧化物都会产生润　湿不良．另外焊料中残留的铝，锌，镉等超过　０．００５％以上时，由于焊剂　的吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良．因此在焊接基板表面和　元件表面要做好防污措施．选择合适的焊料，并设定合理的焊接温度曲线． ０８２１１　谢旭良 １１。