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  • 焊接基础知识

    发布时间:2019-9-17 17:35:30

    焊接基础知识

     

    第一章 焊接理论

    一、焊接的含义

    焊接是利用比被焊接金属熔点低的材料,与被焊接金属一同加热,在被焊接金属不熔化的条件下,熔融焊料润湿金属表面,并在接触面上形成合金层,从而达到牢固的连接的过程。

    在焊接过程中,为什么焊料能润湿被焊金属?怎么样才能得到可靠的连接?通过对焊接原理的分析,可以得到初步的了解。

    一个焊点的形成要经过三个阶段的变化:1、熔融焊料在被焊金属表面的润湿阶段;2、熔融焊料在被焊金属表面的扩展阶段;3、熔融焊料通过毛细管作用渗透焊缝,与被焊金属在接触面上形成合金层。其中,润湿是最重要的阶段,没有润湿,焊接无法进行。

    二、焊接的润湿作用

    任何液体和固体接触时,都会产生程度不同的润湿现象。焊接时,熔融焊料(液体)会程度不同地黏附在各种金属表面,并能进行不同程度的扩展,这种粘附就是湿润。润湿得越牢,扩展面越大,润湿得越好,反之,润湿性不好或根本不湿润。

    为什么会产生润湿程度的差异,其原因是液体分之(熔融焊料)与固体分子(被焊金属)之间的相互引力(粘结力)大于或小于液体分子之间的相互引力(表面张力)决定的,即:

    粘结力>表面张力,则湿润;

    粘结力<表面张力,则不湿润。

    根据上述原理,焊接时降低熔融焊料的表面张力,可提高焊料对被焊金属的润湿能力。而降低焊料表面张力的最有效手段是:焊接时使用焊剂。

    为了使焊料能迅速湿润被焊金属,必须达到金属间的直接接触,也就是说焊料和被焊金属接触面必须干净,任何污染都会妨碍润湿和金属化合物生成。因此保持清洁的接触表面是润湿必须具备的条件但是金属表面总是存在氧化物、油污等,因此焊接前对被焊金属表面都要进行清洁处理。

    三、焊点的形成

    3.1焊点形成的作用力

       一个焊点形成是多种作用力综合作用的结果。在一块清洁的铜板上涂上一层焊剂,并在上面放置一定的焊料,然后将铜板加热到规定的温度,焊料熔化后就形成了下图的形状。


     

                                                图 3-3

     

    (3-2)中可以看出,通过接触角的大小,可以衡量焊料对被焊金属润湿性能的好坏,如图3·3所示。

    θ90°时COSθ 0 ,湿润

    θ90°时COSθ 0 ,不湿润

    θ0°时COSθ1 ,完全湿润

    θ180°时COSθ-1 ,完全不湿润

    一般来说,θ=20°~30°,为良好的润湿,是合格的焊点

    从以上可以看出,焊点形成的优劣取决于焊料和焊剂的性能,以及被焊金属的表面状态,同时也取决于焊接工艺条件和操作方法。

    3.2 焊点(合金层)的形成——金属间扩散作用

         熔融材料润湿被焊金属时,会产生金属间的扩散,从而在金属接触面上形成合金层,达到焊接的最终目的。

         任何金属内部都不是完全致密的,在晶格内部或晶格界面上总存在一定数量的间隙或空穴。在正常情况下,金属原子在晶格中都可以以其平衡位置为中心进行不停的热运动,这种运动随温度的增高,其频率和能量也逐步增高,当达到足够的能量和温度时,某些原子会克服周围原子对它的束缚,脱离原来占据的位置,这种现象就是扩散。如进行铜和铜合金焊接时,在一定的工艺条件下,焊料中的锡原子和被焊金属铜原子都会扩散到金属接触面,形成铜锡合金Cu5Sn6Cu3Sn)。

    金属间的扩散速度和扩散量,与温度和时间密切相关,因此,在焊接技术中,焊接温度和焊接时间等工艺是保证焊接质量达到可靠连接的重要条件。

    另外,焊接时能否形成合金层还取决于被焊金属与焊料之间亲和力的大小有关。亲和力大,则生成金属化合物(合金层);亲和力小,则生成固溶体亲和力特别小,则生成混合物。这说明焊料润湿被焊金属与被焊金属本身特性有关,在电子导电材料中,大多采用CuAuAg等材料和镀层,就是为了提高焊料对被焊金属的润湿能力。

    四、提高焊接质量的对策

    根据以上对焊接机理的分析,我们知道电子产品的焊接过程是一项复杂的物理化学变化过程,焊点的形成是综合作用力的结果。由此,提高焊接质量的对策是:

    1、      必须保持一个清洁的接触表面;

    2、      要想办法降低焊料的表面张力;

    3、      要保持一定的焊接温度和焊接时间;

    4、      要了解被焊金属的表面特性。

     

     

    第二章   焊接材料

    焊接材料包括焊料和焊剂两种,即连接金属的焊料和清除金属表面氧化物的焊剂。

    一、  焊料

    1.1分类

    按照熔点分,焊料可分为软焊料和硬焊料两种。熔点大于450℃的称为硬焊料,小于450℃的称为软焊料。由于电子产品焊接通常采用锡铅合金(俗称焊锡)软材料,故而以下重点介绍Sn-Pb合金焊料。

    1.2 Sn-Pb合金焊料

    1.2.1 Sn-Pb合金金属相图


      232 



    从Sn-Pb合金的相图可以看出,Sn-Pb合金由α(Sn)相和β(Pb)相两种固溶体和α+β相合成的共晶体组成。b点为共晶点,Sn的含量为61.9%,Pb的含量为38.1%。按照该比例制成的焊料为共晶焊料,其熔化温度(共晶温度)为183℃。

    1.2.2 Sn-Pb焊料(共晶焊料)的特点

    1、共晶焊料的熔化温度比其他配比的温度都要低,这样可以减少焊料对元器件的热损伤。

    2、共晶焊料加热时由固态直接变成液态,不存在半熔状态,这样可以防止焊料凝固时连接点晃动造成的虚焊。

    3、流动性好,表面张力小,侵润性好,有利于提高焊接质量。

    4、共晶焊料的电气和机械性能优良(机械强度高、导电性能好)。

    因此,共晶焊料被广泛应用于电子产品的焊接。

    1.2.3 Sn-Pb焊料中杂质对焊接的影响

    锡铅焊料除了主要成分锡和铅外,还含有少量的其它金属杂质。在金属杂质中,有些是无害的,有些则不然,即使含有微量也会对焊接质量造成程度不同的影响。因此,正确使用焊料,控制杂质含量,是提高焊接质量的措施之一。

    国标(GB3131)规定的杂质含量如下:

    焊料牌号

    成分(%)

    杂质含量(%)

    其它

    SnPb

    59-61

    <0.8

    余量

    0.08

    0.1

    0.05

    0.02

    0.02

    0.002



    杂质对焊接性能的影响:

    锑(Sb):焊料中的主要杂质(在矿石中锑常与锡结合在一起)。少量锑的存在有利于提高焊料的机械强度,特别能改善连接处的低温性能。含量在3%以下时,对焊点的外观光泽无影响,但含量过高会使焊点脆化,使焊料流动性和润湿性差。

    锌(Zn):焊料中最有害杂质之一。其含量达到0.001%时,影响就会表现出来,含量达到0.005%时,焊料表面会产生氧化锌(ZnO)薄膜,使焊接性能劣化,流动性下降,焊点失去光泽,表面粗糙。锌通常从镀锌零件带入焊料槽或焊点,另一来源是焊接黄铜零件,焊料中的锡会从黄铜中溶解锌。

    铝(AI):微量的铝杂质就会使焊点出现砂粒状外观,并加速焊料表面的氧化,使焊料槽的浮渣增加,焊料的流动性和润湿性下降。铝通常是在自动焊接过程中由夹具磨损带入的。

    铋(Bi):焊料中铋的含量增加,会使焊料熔点降低,是制造低温焊料的材料,但也会降低焊料的机械性能。

    铜(Cu):铜杂质是焊料中最常见的杂质,铜含量增加会造成焊料熔点增高,焊点性能变脆,润湿性下降。

    金(Au):在过去焊料槽中金是主要杂质,人们常优先采用金作为元器件引线和印制板的镀层。但焊接后Sn-Au-Cu金属化合物会促成焊点产生裂纹,因此金作为镀层越来越少。焊料中金杂质的增加会造成焊点失去光泽,甚至会出现砂粒状外观,还会降低焊料的润湿性能。因此,焊料中金杂质的含量最大值为0.1%。

    银(Ag):银是另一种镀层带进焊料中的杂质,也是有害性最小的杂质之一。在某些焊料中还故意加银,以解决微电子焊接中银层的迁移带来的危害。银含量过高会使焊点灰暗,并降低焊料的流动性。

    二、焊剂

    2.1 分类

    焊剂也称助焊剂,其分类方法很多,通常焊剂分为无机助焊剂(如ZnCl、NH4Cl、HCl等)、有机助焊剂(有机酸、有机卤素等)和树脂型助焊剂(如松香等)。具体如下: 




    正磷酸H3PO4




    盐酸(HCI)



    无机系列


    氟酸(HF)




           盐-氧化物ZnCl2、NH4Cl、SnCl2




    有机酸(硬脂酸、乳酸、油酸、氨基酸等)

    助焊剂

    有机系列

    有机卤素(盐酸笨胺等)




    尿素、乙二胺等





    松香




    树脂型

    活化松香





    氧化松香












    熔融焊料在被焊金属表面要想产生“润湿”和“扩展”,就只有在被焊金属和焊料之间的距离达到相互作用的原子间距时才能发生。而妨碍原子间相互接近的是金属表面的氧化层和杂质。为了去除氧化层和防止焊接时金属表面氧化,必须使用焊剂。


    2.2 焊剂的作用原理

    焊剂的作用原理示意图如下:

    2.2.1 焊剂的化学作用

         利用焊剂的活性,清除金属表面的氧化物,因此,焊剂的化学作用主要表现在亲氧性方面,即在达到焊接温度前充分地使金属表面的氧化物还原或置换,形成新的金属盐类化合物。下面以松香为例,对焊剂的化学作用进行分析。

    松香是电子工业中最常用的焊剂,松香中的有机酸的主要成分是松香酸,而松香酸在170℃时,活性表现充分,靠本身的功能基因胫基起助焊作用,以达到去除金属表面氧化物的目的。其化学反应如下(以焊接铜金属为例):

      CuO+2C19H29COOH→Cu(C19H29OCO)2+H2O

    上式为氧化铜和松香酸在加热条件下,生成松香酸铜(金属盐),它只是一瞬间生于焊盘周围,而松香酸铜受热分解,除生成活性铜外,还可以从松香酸铜中取得[H]+,从而形成胫基基因,重新聚合为松香酸。

       Cu(C19H29OCO)2→C19H29COOH+Cu

    生成的活性铜可以与熔融焊料反应生成铜锡合金。

       Cu+Sn-Pb→Cu-Sn-Pb

    2.2.2 焊剂的物理作用

         焊接时使用焊剂能降低焊料的表面张力,从而提高焊料对被焊金属的润湿能力。如,共晶焊料的表面张力为49Pa,使用松香焊剂时表面张力为39Pa,若用氯化锌时表面张力降为33.1Pa。

    同时,焊剂可以改善焊接时的热传导,很快达到热平衡。因焊接表面有一定的粗糙度,焊接面谷点的间隙内有空气存在,起着隔热作用,施加焊剂后,间隙内被焊剂填满,加快了热量传递并建立热平衡,保证了焊接质量。

    2.3 焊剂的性能要求

    1、焊剂中各组份之间不应因相互作用而降低助焊性能,储存时有长期稳定性;

    2、表面张力比焊料小,润湿扩散速度比焊料快;

    3、焊剂熔点应低于焊料,在加热过程中有一定的热稳定性;

    4、焊接时焊剂的活性发挥充分,而在常温下化学性能稳定,无腐蚀性;

    5、存放或焊接时不会产生有毒、有强烈臭味的气体;

    6、焊剂的电气性能优良,绝缘电阻高,残留物容易清除。

     

     

    第三章  焊接工具——电烙铁

    一、电烙铁的分类

    按加热方式,电烙铁可分为直热式、感应式、两用式和恒温式等几种。

    1.1 直热式电烙铁

    为单一焊接使用的电烙铁,最常使用,它可分为内热式和外热式两种。

    1、    内热式电烙铁

    内热式电烙铁的发热元件在烙铁头的内部,从烙铁头内部向外传热,所以被称为内热式电烙铁,如下图所示


     

    2、    外热式电烙铁

    外热式电烙铁的发热元件在烙铁头外,如下图所示


    1.2感应式电烙

    感应式电烙铁也叫速热烙铁,俗称焊枪。它里面实际上是一个变压器,这个变压器的次级一般只有一匝。当变压器初级通电时,次感应出的大电流通过加热体,使和它连接的烙铁头迅速达到焊接所需要的温度。

    这种烙铁的特点是加热速度快,一般通电几秒钟,即可达到温度,不需要持续通电。它的手柄上带有开关,工作时只需按下开关几秒钟即可进行焊接,适用于断续工作 。

    1.3两用式电烙铁

    即焊接和拆焊两用的电烙铁,又称锡电烙铁。它是普通直热式电烙铁上增加吸锡结构组成,具有加热、吸锡两种功能。也可将吸锡器做成单独的一种工具。

    1.4 恒温电烙铁

    该种电烙铁又分为自动和手动两种。手动实际上是将电烙铁接到一个可调电源(如调压器)上,由调压器上的刻度可以确定调定烙铁的温度。

    自动恒温电烙铁一种是依靠温度传感元件监测烙铁头的温度,并通过放大器输出的信号放大,控制电烙铁的供电电路,从而达到恒温的目的。

    另一种是强磁体传感器磁性在某一温度时的磁性消失的特性达到恒温的目的。

    二、  电烙铁的合理选用

    2.1 选用原则

    1必须满足焊接所需的热量,并能在操作过程中保持一定的温度;

    2、温升快、热效率高,在连续操作时温度下降不多;

    3、电气、机械性能安全可靠;

    4、质量轻,操作舒适,工作寿命长,维修方便;

    5、烙铁头形状要适应焊接空间的需求。

    2.2 选择依据

    焊接对象及工作性质

    烙铁头温度(室温、220V电压)

    选用烙铁



    一般印制电路板、安装导线

    300~400℃

    20W内热式、30W外热式、恒温式


    集成电路

    300~400℃

    20W内热式、恒温式


    焊片、电位器、2-8W电阻、大电解电容器、大功率管

    350~450℃

    35-50W内热式、恒温式  50-75W外热式



    8W以上大电阻、φ2mm以上导线

    400~550℃

    100W内热式、150-200W外热式


    汇流排、电阻板等

    500~630℃

    300W外热式


    维修、调试一般电子产品


    20W内热式、恒温式、感应式、两用式


    三、  烙铁的正确使用方法

    3.1 新烙铁使用前的处理

    新烙铁在使用前要进行处理后,才能使用。方法是:先用纱布(对于旧烙铁可用细锉刀)对烙铁头进行打磨,露出新鲜表面(除去表面氧化层),在松香水中浸一下;然后接通烙铁头电源,待烙铁热后,在木板上放些松香并放一段焊锡,烙铁上沾上锡,在松香中来回摩擦,直到烙铁头修理面均匀镀上一层锡焊为止。也可以在烙铁头沾上锡后,在湿布上摩擦,再沾锡,反复磨檫。直到烙铁头上均匀涂上一层锡为止。该方法同样适用于使用后旧烙铁的处理。

    3.2 烙铁的握法

    1、正握法:适用于中功率烙铁或带弯头烙铁的操作。

    2、反握法:适用于大功率烙铁的操作。

    3、握笔法:适用于操作台上焊接印制板等组件。

     

    第四章  焊接工艺

    一、焊接的条件、

    1、被焊金属材料、元器件具有良好的可焊性能;

    2、被焊金属材料、元器件引线表面清洁、无氧化;

    3、焊料的成分和性能符合焊接要求,印制板焊接采用Sn63Pb37型锡丝;

    4、助焊剂使用适当,在使用松香焊锡时一般不需要添加助焊剂;

    5、选择适当功率的电烙铁,保证焊接时所需的温度;

       烙铁头头部温度一般控制在300±10℃ 。烙铁一般采用30W,对引线较粗,焊盘较大或焊盘接有面积较大印制导线时应采用50W(内热式)。                                                         6、焊接时间适当,一般2~3s(一个小焊点);                     7、操作方法正确,熟练掌握焊接技术和要求。

    二、焊接的方法

    2.1焊接的二种方法介绍

    1、三步法

    本方法适用于热容量小(散热慢)的元器件的焊接。具体方法如下表: 


     

    2、五步法

    本方法适用于热容量大(散热快)的元器件的焊接。具体方法如下表:

     


     

    2.2 焊锡丝的拿法和熔化方法

       2.2.1焊锡丝的拿法通常分连续操作和断续操作两中情况。

       2.2.2 焊锡丝的熔化方法如下图所示。


    2.3焊接操作的基本步骤

    1、准备拖焊:左手拿焊锡丝,右手握烙铁,进入备焊状态。(要求:烙铁头保持干净,无氧化物,并在表面镀有一层焊锡。)

    2、加热焊件:烙铁头靠在两焊件的连接处,加热整个焊件全体。(对于印制板上焊接元器件来说,要注意使烙铁头同时接触焊盘和元器件引线。)

    3、送入焊丝:焊件的焊接面被加热到一定的温度时,焊锡丝从烙铁对面接触焊件。(注意:不要把焊锡丝送到烙铁头上。)

    4、移开焊丝:当焊丝熔化一定量后,立即向左上45°方向移开焊丝。

    5、移开烙铁:焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后,向右上方45°方向移开烙铁,结束焊接。

    2.4焊接操作的具体方法

    在保证得到优质焊点的目标下,具体的焊接操作手法可因人而异。下述这些前人总结的方法,对初学者的指导作用是不可以忽略的。

    1、持烙铁头的清洁。在烙铁架上随时蹭去杂质,也可用湿布和湿海绵随时擦拭烙铁头。氧化、污染严重的的普通烙铁(长寿命烙铁除外),可用锉刀锉去表面氧化层和污物。

    2、靠增加接触面积来加快传热。有初学者为加快焊接,企图用烙铁头对焊接面施加压力,这是不对的。正确的方法是:要根据焊件的形状选用不同的烙铁,或者自己修整烙铁头,让烙铁头与焊件形成面的接触不是点或线的接触,这样就能大大提高工作效率。

    3、加热靠焊锡桥。在非流水作业中,焊接的焊点形状是多种多样的,不可能不断更换烙铁头,要提高加热的效率,需要有进行热量传递的焊锡桥。所谓焊锡桥,靠烙铁头上保留少量焊锡,作为加热时烙铁头与焊件之间传递的桥梁。由于金属溶液的导热效率远远高于空气,使焊件很快被加热到焊接温度。应该注意,作为焊锡桥的锡量不可保留太多,以免造成焊点误连。

    4、烙铁撤离有讲究。烙铁的撤离要及时,而且撤离时的角度和方向与焊点的形成有关。

    5、在焊锡凝固之前不能动。不要使焊件移动或受到振动,特别是用镊子夹住时,一定要等焊锡凝固后再移走镊子,否则极易造成虚焊。

    6、焊锡用量要适中。选用焊锡的直径要略小于焊盘直径。焊接时焊锡不能过多,也不能过少,过多不但会浪费较贵的焊锡,而且还会增加焊接时间,特别容易造成短路;过少则不能形成牢固的结合,同样是不利的。特别是焊接印制板引出导线时,焊锡不足,极易造成导线脱落。

    7、焊剂用量要适中。适量的助焊剂对焊接非常有利。过多的松香助焊剂,焊接后势必需要擦除多余的焊剂,且延长了焊接时间,降低了工作效率。当加热时间不足时,又容易形成“夹渣”的缺陷。焊接开关、接插件时,过量的焊剂容易流到接触点处,会造成接触不良。适当的焊剂量,应该是松香水仅能浸湿将要形成的焊点,不会透过印制板流到元件面或插孔里。对使用松香芯焊锡丝的焊接来说,基本上不需要再涂松香水。

    8、不要使用烙铁头作为运载焊料的工具。有人习惯用烙铁头沾上焊锡再去焊接,结果造成焊料的氧化。因为烙铁头的温度一般都在300℃左右,焊锡丝中的焊剂在高温中容易分解失效。

    2.5焊接中注意事项

    1、烙铁和人体应有接地线,工作台要有防静电措施。

    2、烙铁头的温度和焊接时间要适当,如在规定的时间内未焊好,应等焊点温度冷却后再复焊,若再焊不好应停止焊接,检查原因,多次焊接的焊点应加新焊锡。

    3、注意烙铁头的形状,烙铁头与被焊件接触角度、接触面积、接触压力、撤回烙铁的方法。烙铁头头部应随时保持有锡在上面,并经常保持清洁。

    4、对引线较多的元器件应按对角线的方法焊接,先预焊对角线焊脚,固定其位置,然后依次焊接其余焊脚。

    5、手工焊接的元器件应按规定顺序插装,插装一部分,焊接一部分,插装后应先预焊固定位置后,进行正式焊接。

    6、焊接过程中,在焊料尚未凝固时,不应触动焊接点,焊接过程中不应对周围的元器件、导线、印制线路板产生热损伤。

    7、注意安全,不焊接时应关掉烙铁电源,烙铁放置位置正确,防止烧伤人和产品,远离易燃物品。

    8、焊接过程中,不应乱甩烙铁头的焊锡,焊接完毕及时清除导线头、锡渣等多余物。手工剪脚时应避开其它产品,将印制板侧立剪脚,防止落入产品内造成隐患,对焊点周围的脏污应用清洗剂局部擦洗。

    9、对热敏元件或遇热易损元器件、导线的绝缘层,特别是粗导线的绝缘层,焊接时应采取散热措施。导线端头,大面积焊盘焊接前应预先上焊锡后进行正式焊接。焊接、检焊过程中严防金手指部位弄上焊锡和其他污物,严防金手指损伤。

    10、对引线氧化表面沾污的元件,必须在焊接前去除氧化层和污物,去除方法用小刀轻轻刮去氧化层和污物。

    11、正确使用、维护、保养好焊接工具。

    第五章   检焊

    一、影响焊接质量的因素

        影响焊接质量的因素是多方面的,各个因素之间的关系又是错综复杂,相互制约的,具体影响焊接质量的因素如下:







      工具与设备 

      工艺与材料 

     



                                  

      机械性 

      搪锡设备→      引线成形     印制板要求


                电烙铁 元件处理→     手工焊接要求

      焊接质量 

          夹具→          清洁处理     自动焊接要求


                 装工具             焊料、焊剂












      润湿性 



     



      文明生产→                 ←设计文件

              温度、湿度       温度

    生产安排→    技术培训 →   ←工艺文件      工艺程序

             光线            时间


      操作 

      管理 

      环境 

             质量教育→   ←生产组织




     

     

     

    二、典型焊点的外观要求

    1、形状为近似圆锥而表面微凹,呈漫坡状(以焊接导线为中心,对称成裙形拉杆)。虚焊点表面往往呈凸形,可以鉴别出来。

    2、焊料的连接面呈半弓形凹面,焊料与焊件交界处平滑,接触角尽可能小。

    3、表面有光泽且平滑。

    4、无裂纹、针孔、夹渣、漏焊、错焊、虚焊、拉尖、桥连的焊点。

    5、焊料润湿均匀,润湿角θ为20°~30°。

    6、焊盘部位无热损伤,焊盘无剥离、翘起。

    三、焊接质量检查及不合格焊点的判断

    3.1焊接质量检查

      焊点的外观检查,除用目测以外,还可采用仪器(如放大镜、显微镜)。检查时,可采用触、镊子拨动、拉线等办法检查有无导线断线,焊盘剥离等缺陷。

       当外观检查结束连线无误后,才可通电检查,这是检查电路性能的关键。

    3.2不合格焊点的判断(如下列图)


     


     


     


     


     

     


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