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手工焊接基礎知識以及在焊接需要注意的問題


www. 2016年7月26日

    概述     
  隨著電子元器件的封裝更新換代加快,由原來的直插式改為了平貼式,連接排線也由FPC軟板進行替代,元器件電阻電容經過了1206,0805,0603,0402后已向0201平貼式,BGA封裝后已使用了藍牙技術,這無一例外的說明了電子發展已朝向小型化、微型化發展,手工焊接難度也隨之增加,在焊接當中稍有不慎就會損傷元器件,或引起焊接不良,所以我們的一線手工焊接人員必須對焊接原理,焊接過程,焊接方法,焊接質量的評定,及電子基礎有一定的了解。

一、焊接原理:

  錫焊是一門科學,他的原理是通過加熱的烙鐵將固態焊錫絲加熱熔化,再借助于助焊劑的作用,使其流入被焊金屬之間,待冷卻后形成牢固可靠的焊接點。
當焊料為錫鉛合金焊接面為銅時,焊料先對焊接表面產生潤濕,伴隨著潤濕現象的發生,焊料逐漸向金屬銅擴散,在焊料與金屬銅的接觸面形成附著層,使兩則牢固的結合起來。所以焊錫是通過潤濕、擴散和冶金結合這三個物理,化學過程來完成的。
1.潤濕:潤濕過程是指已經熔化了的焊料借助毛細管力沿著母材金屬表面細微的凹凸和結晶的間隙向四周漫流,從而在被焊母材表面形成附著層,使焊料與母材金屬的原子相互接近,達到原子引力起作用的距離。(圖1所示)。

 


  引起潤濕的環境條件:被焊母材的表面必須是清潔的,不能有氧化物或污染物。
形象比喻:把水滴到荷花葉上形成水珠,就是水不能潤濕荷花。把水滴到棉花上,水就滲透到棉花里面去了,就是水能潤濕棉花。

  2.擴散:伴隨著潤濕的進行,焊料與母材金屬原子間的相互擴散現象開始發生。通常原子在晶格點陣中處于熱振動狀態,一旦溫度升高。原子活動加劇,使熔化的焊料與母材中的原子相互越過接觸面進入對方的晶格點陣,原子的移動速度與數量決定于加熱的溫度與時間。(圖二所示)。

  3. 冶金結合:由于焊料與母材相互擴散,在2種金屬之間形成了一個中間層---金屬化合物,要獲得良好的焊點,被焊母材與焊料之間必須形成金屬化合物,從而使母材達到牢固的冶金結合狀態。(圖三所示)

 

二、助焊劑的作用

  助焊劑(FLUX)這個字來自拉丁文是"流動"(Flow in Soldering)。助焊劑主要功能為:
  1.化學活性(Chemical Activity)
  要達到一個好的焊點,被焊物必須要有一個完全無氧化層的表面,但金屬一旦曝露于空氣中回生成氧化層,這中氧化層無法用傳統溶劑清洗,此時必須依賴助焊劑與氧化層起化學作用,當助焊劑清除氧化層之后,干凈的被焊物表面,才可與焊錫結合。
助焊劑與氧化物的化學放映有幾種:
1、相互化學作用形成第三種物質;
2、氧化物直接被助焊劑剝離;
3、上述兩種反應并存。
  松香助焊劑去除氧化層,即是第一種反應,松香主要成份為松香酸(Abietic Acid)和異構雙萜酸(Isomeric diterpene acids),當助焊劑加熱后與氧化銅反應,形成銅松香(Copper abiet),是呈綠色透明狀物質,易溶入未反應的松香內與松香一起被清除,即使有殘留,也不會腐蝕金屬表面。
氧化物曝露在氫氣中的反應,即是典型的第二種反應,在高溫下氫與氧發生反應成水,減少氧化物,這種方式常用在半導體零件的焊接上。
幾乎所有的有機酸或無機酸都有能力去除氧化物,但大部分都不能用來焊錫,助焊劑被使用除了去除氧化物的功能外,還有其他功能,這些功能是焊錫作業時,必不可免考慮的。
2.熱穩定性(Thermal Stability)
  當助焊劑在去除氧化物反應的同時,必須還要形成一個保護膜,防止被焊物表面再度氧化,直到接觸焊錫為止。所以助焊劑必須能承受高溫,在焊錫作業的溫度下不會分解或蒸發,如果分解則會形成溶劑不溶物,難以用溶劑清洗,W/W級的純松香在280℃左右會分解,此應特別注意。
3.助焊劑在不同溫度下的活性
  好的助焊劑不只是要求熱穩定性,在不同溫度下的活性亦應考慮。助焊劑的功能即是去除氧化物,通常在某一溫度下效果較佳,例如RA的助焊劑,除非溫度達到某一程度,氯離子不會解析出來清理氧化物,當然此溫度必須在焊錫作業的溫度范圍內。
當溫度過高時,亦可能降低其活性,如松香在超過600℉(315℃)時,幾乎無任何反應,也可以利用此一特性,將助焊劑活性純化以防止腐蝕現象,但在應用上要特別注意受熱時間與溫度,以確保活性純化。

三、焊錫絲的組成與結構
  我們使用的有鉛SnPb(Sn63%Pb37%)的焊錫絲和無鉛SAC(96.5%SN 3.0%AG0.5%CU)的焊錫絲里面是空心的,這個設計是為了存儲助焊劑(松香),使在加焊錫的同時能均勻的加上助焊劑。當然就有鉛錫絲來說,根據SNPB的成分比率不同有更多中成份,其主要用途也不同:如下表:

 

同樣目前主流的無鉛錫絲成份也有多種,單從SC和SAC成份來看:

 


焊錫絲的作用:達到元件在電路上的導電要求和元件在PCB板上的固定要求。

四、電烙鐵的基本結構

  烙鐵:(1)手柄、(2)發熱絲、(3)烙鐵頭、(4)電源線、(5)恒溫控制器、(6)烙鐵頭清洗架(圖四所示)
電烙鐵的作用:用來焊接電子原件、五金線材及其它一些金屬物體的工具。

 

五、手工焊接過程

1、操作前檢查
(1)每天上班前3-5分鐘把電烙鐵插頭插入規定的插座上,檢查烙鐵是否發熱,如發覺不熱,先檢查插座是否插好,如插好,若還不發熱,應立即向管理員匯報,不能自隨意拆開烙鐵,更不能用手直接接觸烙鐵頭.

(2)已經氧化凹凸不平的或帶鉤的烙鐵頭應更新的:1、可以保證良好的熱傳導效果;2、保證被焊接物的品質。如果換上新的烙鐵嘴,受熱后應將保養漆擦掉,立即加上錫保養。烙鐵的清洗要在焊錫作業前實施,如果5分鐘以上不使用烙鐵,需關閉電源。海綿要清洗干凈不干凈的海綿中含有金屬顆粒,或含硫的海綿都會損壞烙鐵頭。

(3)檢查吸錫海綿是否有水和清潔,若沒水,請加入適量的水(適量是指把海綿按到常態的一半厚時有水滲出,具體操作為:濕度要求海綿全部濕潤后,握在手掌心,五指自然合攏即可),海綿要清洗干凈,不干凈的海綿中含有金屬顆粒,或含硫的海綿都會損壞烙鐵頭。

(4)人體與烙鐵是否可靠接地,人體是否佩帶靜電環。

2、焊接步驟
  烙鐵焊接的具體操作步驟可分為五步,稱為五步工程法,要獲得良好的焊接質量必須嚴格的按下圖五操作。
按上述步驟進行焊接是獲得良好焊點的關鍵之一。在實際生產中,最容易出現的一種違反操作步驟的做法就是烙鐵頭不是先與被焊件接觸,而是先與焊錫絲接觸,熔化的焊錫滴落在尚末預熱的被焊部位,這樣很容易產生焊點虛焊,所以烙鐵頭必須與被焊件接觸,對被焊件進行預熱是防止產生虛焊的重要手段。

3、焊接要領

(1)烙鐵頭與兩被焊件的接觸方式(圖六所示)
接觸位置:烙鐵頭應同時接觸要相互連接的2個被焊件(如焊腳與焊盤),烙鐵一般傾斜45度,應避免只與其中一個被焊件接觸。當兩個被焊件熱容量懸殊時,應適當調整烙鐵傾斜角度,烙鐵與焊接面的傾斜角越小,使熱容量較大的被焊件與烙鐵的接觸面積增大,熱傳導能力加強。如LCD拉焊時傾斜角在30度左右,焊麥克風、馬達、喇叭等傾斜角可在40度左右。兩個被焊件能在相同的時間里達到相同的溫度,被視為加熱理想狀態。
接觸壓力:烙鐵頭與被焊件接觸時應略施壓力,熱傳導強弱與施加壓力大小成正比,但以對被焊件表面不造成損傷為原則。

(2)焊絲的供給方法
焊絲的供給應掌握3個要領,既供給時間,位置和數量。
供給時間:原則上是被焊件升溫達到焊料的熔化溫度是立即送上焊錫絲。
供給位置:應是在烙鐵與被焊件之間并盡量靠近焊盤。
供給數量:應看被焊件與焊盤的大小,焊錫蓋住焊盤后焊錫高于焊盤直徑的1/3既可。

(3)焊接時間及溫度設置
A、溫度由實際使用決定,以焊接一個錫點4秒最為合適,最大不超過8秒,平時觀察烙鐵頭,當其發紫時候,溫度設置過高。
B、一般直插電子料,將烙鐵頭的實際溫度設置為(350~370度);表面貼裝物料(SMC)物料,將烙鐵頭的實際溫度設置為(330~350度)
C、特殊物料,需要特別設置烙鐵溫度。FPC,LCD連接器等要用含銀錫線,溫度一般在290度到310度之間。
D、焊接大的元件腳,溫度不要超過380度,但可以增大烙鐵功率。

(4)焊接注意事項
A、焊接前應觀察各個焊點(銅皮)是否光潔、氧化等。
B、在焊接物品時,要看準焊接點,以免線路焊接不良引起的短路

4、操作后檢查:
(1)用完烙鐵后應將烙鐵頭的余錫在海綿上擦凈。
(2)每天下班后必須將烙鐵座上的錫珠、錫渣、灰塵等物清除干凈,然后把烙鐵放在烙鐵架上。
(3)將清理好的電烙鐵放在工作臺右上角。

六、錫點質量的評定:1、標準的錫點: 

(1)錫點成內弧形
(2)錫點要圓滿、光滑、無針孔、無松香漬 
(3)要有線腳,而且線腳的長度要在1-1.2MM之間。
(4)零件腳外形可見錫的流散性好。 
(5)錫將整個上錫位及零件腳包圍。

2、不標準錫點的判定:

(1)虛焊:看似焊住其實沒有焊住,主要有焊盤和引腳臟污或助焊劑和加熱時間不夠。
(2)短路:有腳零件在腳與腳之間被多余的焊錫所連接短路,另一種現象則因檢驗人員使用鑷子、竹簽等操作不當而導致腳與腳碰觸短路,亦包括殘余錫渣使腳與腳短路
(3)偏位:由于器件在焊前定位不準,或在焊接時造成失誤導致引腳不在規定的焊盤區域內
(4)少錫:少錫是指錫點太薄,不能將零件銅皮充分覆蓋,影響連接固定作用。
(5)多錫:零件腳完全被錫覆蓋,及形成外弧形,使零件外形及焊盤位不能見到,不能確定零件及焊盤是否上錫良好.
(6)錯件:零件放置的規格或種類與作業規定或BOM、ECN不符者,即為錯件。
(7)缺件:應放置零件的位置,因不正常的原因而產生空缺。
(8)錫球、錫渣:PCB板表面附著多余的焊錫球、錫渣,會導致細小管腳短路。
(9)極性反向:極性方位正確性與加工要求不一致,即為極性錯誤。

3、不良焊點可能產生的原因:

(1)形成錫球,錫不能散布到整個焊盤?
烙鐵溫度過低,或烙鐵頭太小;焊盤氧化。
(2)拿開烙鐵時候形成錫尖?
烙鐵不夠溫度,助焊劑沒熔化,步起作用。烙鐵頭溫度過高,助焊劑揮發掉,焊接時間太長。
(3)錫表面不光滑,起皺?
烙鐵溫度過高,焊接時間過長。
(4)松香散布面積大?烙鐵頭拿得太平。
(5)錫珠?錫線直接從烙鐵頭上加入、加錫過多、烙鐵頭氧化、敲打烙鐵。
(6)PCB離層?烙鐵溫度過高,烙鐵頭碰在板上。
(7)黑色松香?溫度過高。

七、總結
  此文是我司手工焊接手冊的摘錄,內容和形式相對簡單,主要是為同行業交流手工焊接方法和技巧,后續我會整理更多、更完整的手工焊接技巧。

 
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