電子元件手工焊接基礎(chǔ)及過程概述

摘要：

本文主要介紹了手工焊接基礎(chǔ)知識以及在焊接過程中需要注意的各項問題，旨在幫助操作手工焊接的技術(shù)人員有效掌握并理解手工焊接的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：

貼裝元件、手工焊接

概述    
隨著電子元器件的封裝更新?lián)Q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(jīng)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(shù)，這無一例外的說明了電子發(fā)展已朝向小型化、微型化發(fā)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(zhì)量的評定，及電子基礎(chǔ)有一定的了解。

一、焊接原理：
錫焊是一門科學(xué)，他的原理是通過加熱的烙鐵將固態(tài)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(chǎn)生潤濕，伴隨著潤濕現(xiàn)象的發(fā)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(jié)合起來。所以焊錫是通過潤濕、擴散和冶金結(jié)合這三個物理,化學(xué)過程來完成的。
1．潤濕：潤濕過程是指已經(jīng)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(jié)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(huán)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(xiàn)象開始發(fā)生。通常原子在晶格點陣中處于熱振動狀態(tài)，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(shù)量決定于加熱的溫度與時間。(圖二所示)。
3. 冶金結(jié)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(jié)合狀態(tài)。(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(xué)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(tǒng)溶劑清洗，此時必須依賴助焊劑與氧化層起化學(xué)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(jié)合。
助焊劑與氧化物的化學(xué)放映有幾種：
1、相互化學(xué)作用形成第三種物質(zhì)；
2、氧化物直接被助焊劑剝離；
3、上述兩種反應(yīng)并存。
松香助焊劑去除氧化層，即是第一種反應(yīng)，松香主要成份為松香酸（Abietic Acid）和異構(gòu)雙萜酸(Isomeric diterpene acids)，當助焊劑加熱后與氧化銅反應(yīng)，形成銅松香（Copper abiet），是呈綠色透明狀物質(zhì)，易溶入未反應(yīng)的松香內(nèi)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(yīng)，即是典型的第二種反應(yīng)，在高溫下氫與氧發(fā)生反應(yīng)成水，減少氧化物，這種方式常用在半導(dǎo)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(yè)時，必不可免考慮的。
2．熱穩(wěn)定性（Thermal Stability）
當助焊劑在去除氧化物反應(yīng)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(yè)的溫度下不會分解或蒸發(fā)，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(yīng)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(wěn)定性，在不同溫度下的活性亦應(yīng)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(yè)的溫度范圍內(nèi)。
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(yīng)，也可以利用此一特性，將助焊劑活性純化以防止腐蝕現(xiàn)象，但在應(yīng)用上要特別注意受熱時間與溫度，以確?；钚约兓?。

三、焊錫絲的組成與結(jié)構(gòu)
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(shè)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(jù)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(dǎo)電要求和元件在PCB板上的固定要求。

四、電烙鐵的基本結(jié)構(gòu)
烙鐵：(1)手柄、(2)發(fā)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(guī)定的插座上，檢查烙鐵是否發(fā)熱，如發(fā)覺不熱，先檢查插座是否插好，如插好，若還不發(fā)熱，應(yīng)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(jīng)氧化凹凸不平的或帶鉤的烙鐵頭應(yīng)更新的：1、可以保證良好的熱傳導(dǎo)效果；2、保證被焊接物的品質(zhì)。如果換上新的烙鐵嘴，受熱后應(yīng)將保養(yǎng)漆擦掉，立即加上錫保養(yǎng)。烙鐵的清洗要在焊錫作業(yè)前實施，如果5分鐘以上不使用烙鐵，需關(guān)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(tài)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(huán)。
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(zhì)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(guān)鍵之一。在實際生產(chǎn)中，最容易出現(xiàn)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(yù)熱的被焊部位，這樣很容易產(chǎn)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(yù)熱是防止產(chǎn)生虛焊的重要手段。
3、焊接要領(lǐng)
（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(yīng)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(yīng)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(yīng)適當調(diào)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(dǎo)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(tài)。
接觸壓力：烙鐵頭與被焊件接觸時應(yīng)略施壓力，熱傳導(dǎo)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(yīng)掌握3個要領(lǐng)，既供給時間，位置和數(shù)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(yīng)是在烙鐵與被焊件之間并盡量靠近焊盤。
供給數(shù)量：應(yīng)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(shè)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(fā)紫時候，溫度設(shè)置過高。
B、一般直插電子料，將烙鐵頭的實際溫度設(shè)置為（350~370度）；表面貼裝物料（SMC）物料，將烙鐵頭的實際溫度設(shè)置為（330~350度）
C、特殊物料，需要特別設(shè)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(yīng)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(yīng)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(zhì)量的評定：
1、標準的錫點:
（1）錫點成內(nèi)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(xiàn)象則因檢驗人員使用鑷子、竹簽等操作不當而導(dǎo)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(dǎo)致引腳不在規(guī)定的焊盤區(qū)域內(nèi)
（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(guī)格或種類與作業(yè)規(guī)定或BOM、ECN不符者，即為錯件。
（7）缺件：應(yīng)放置零件的位置，因不正常的原因而產(chǎn)生空缺。
（8）錫球、錫渣：PCB板表面附著多余的焊錫球、錫渣，會導(dǎo)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(chǎn)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(fā)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(jié)
    此文是我司手工焊接手冊的摘錄，內(nèi)容和形式相對簡單，主要是為同行業(yè)交流手工焊接方法和技巧，后續(xù)我會整理更多、更完整的手工焊接技巧。