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1、第2章 焊 接 技 术,2.1 焊接的基础知识 2.2 焊接工具与材料 2.3 手工焊接工艺 2.4 浸焊与波峰焊 2.5 表面安装技术 2.6 无锡焊接技术,2.1 焊接的基础知识,1. 概述 在电子产品整机装配过程中，焊接是连接各电子元器件及导线的主要手段。利用加热或加压，或两者并用来加速工件金属原子间的扩散，依靠原子间的内聚力，在工件金属连接处形成牢固的合金层，从而将工件金属永久地结合在一起。焊接通常分为熔焊、钎焊及接触焊三大类，在电子装配中主要使用的是钎焊。钎焊可以这样定义：在已加热的工件金属之间，熔入低于工件金属熔点的焊料，借助焊剂的作用，依靠毛细现象，使焊料浸润工件金属表面，并发生
2、化学变化，生成合金层，从而使工件金属与焊料结合为一体。钎焊按照使用焊料熔点的不同分为硬焊(焊料熔点高于450)和软焊(焊料熔点低于450)。,采用锡铅焊料进行焊接称为锡铅焊，简称锡焊，它是软焊的一种。除了含有大量铬和铝等合金的金属不易焊接外，其他金属一般都可以采用锡焊焊接。锡焊方法简便，整修焊点、拆换元器件、重新焊接都较容易，所用工具简单(电烙铁)。此外，还具有成本低，易实现自动化等优点。在电子装配中，它是使用最早，适用范围最广和当前仍占较大比重的一种焊接方法。,2. 锡焊的机理 (1) 浸润。加热后呈熔融状态的焊料(锡铅合金)，沿着工件金属的凹凸表面，靠毛细管的作用扩展。如果焊料和工件金属表
3、面足够清洁，焊料原子与工件金属原子就可以接近到能够相互结合的距离，即接近到原子引力互相起作用的距离，上述过程为焊料的浸润。 (2) 扩散。由于金属原子在晶格点阵中呈热振动状态，因此在温度升高时，它会从一个晶格点阵自动地转移到其他晶格点阵，这个现象称为扩散。锡焊时，焊料和工件金属表面的温度较高，焊料与工件金属表面的原子相互扩散，在两者界面形成新的合金。,(3) 界面层的结晶与凝固。焊接后焊点降温到室温，在焊接处形成由焊料层、合金层和工件金属表层组成的结合结构。在焊料和工件金属界面上形成合金层，称“界面层”。冷却时，界面层首先以适当的合金状态开始凝固，形成金属结晶，而后结晶向未凝固的焊料生长。,3
4、锡焊的工艺要素 (1) 工件金属材料应具有良好的可焊性。可焊性即可浸润性，是指在适当的温度下，工件金属表面与焊料在助焊剂的作用下能形成良好的结合，生成合金层的性能。铜是导电性能良好且易于焊接的金属材料，常用元器件的引线、导线及接点等都采用铜材料制成。其他金属如金、银的可焊性好，但价格较贵，而铁、镍的可焊性较差。为提高可焊性，通常在铁、镍合金的表面先镀上一层锡、铜、金或银等金属，以提高其可焊性。,(2) 工件金属表面应洁净。工件金属表面如果存在氧化物或污垢，会严重影响与焊料在界面上形成合金层，造成虚、假焊。轻度的氧化物或污垢可通过助焊剂来清除，较严重的要通过化学或机械的方式来清除。 (3) 正确
5、选用助焊剂。助焊剂是一种略带酸性的易熔物质，在焊接过程中可以溶解工件金属表面的氧化物和污垢，并提高焊料的流动性，有利于焊料浸润和扩散的进行，在工件金属与焊料的界面上形成牢固的合金层，保证了焊点的质量。助焊剂种类很多，效果也不一样，使用时必须根据工件金属材料、焊点表面状况和焊接方式来选用。,(4) 正确选用焊料。焊料的成分及性能与工件金属材料的可焊性、焊接的温度及时间、焊点的机械强度等相适应，锡焊工艺中使用的焊料是锡铅合金，根据锡铅的比例及含有其他少量金属成分的不同，其焊接特性也有所不同，应根据不同的要求正确选用焊料。,(5) 控制焊接温度和时间。热能是进行焊接必不可少的条件。热能的作用是熔化焊
6、料，提高工件金属的温度，加速原子运动，使焊料浸润工件金属界面，并扩散到工件金属界面的晶格中去，形成合金层。温度过低，会造成虚焊。温度过高，会损坏元器件和印制电路板。合适的温度是保证焊点质量的重要因素。在手工焊接时，控制温度的关键是选用具有适当功率的电烙铁和掌握焊接时间。电烙铁功率较大时应适当缩短焊接时间，电烙铁功率较小时可适当延长焊接时间。根据焊接面积的大小，经过反复多次实践才能把握好焊接工艺的这两个要素。焊接时间过短，会使温度太低，焊接时间过长，会使温度太高。一般情况下，焊接时间应不超过3 s。,4焊点的质量要求 (1) 电气性能良好。高质量的焊点应是焊料与工件金属界面形成牢固的合金层，才能
7、保证良好的导电性能。不能简单地将焊料堆附在工件金属表面而形成虚焊，这是焊接工艺中的大忌。 (2) 具有一定的机械强度。焊点的作用是连接两个或两个以上的元器件，并使电气接触良好。电子设备有时要工作在振动的环境中，为使焊件不松动或脱落，焊点必须具有一定的机械强度。锡铅焊料中的锡和铅的强度都比较低，有时在焊接较大和较重的元器件时，为了增加强度，可根据需要增加焊接面积，或将元器件引线、导线先行网绕、绞合、钩接在接点上再行焊接。所以采用锡焊的焊点一般都是一个被锡铅焊料包围的接点。,(3) 焊点上的焊料要适量。焊点上的焊料过少，不仅降低机械强度，而且由于表面氧化层逐渐加深，会导致焊点早期失效。焊点上的焊料
8、过多，既增加成本，又容易造成焊点桥连(短路)，也会掩盖焊接缺陷，所以焊点上的焊料要适量。印制电路板焊接时，焊料布满焊盘呈裙状展开时最为适宜。 (4) 焊点表面应光亮且均匀。良好的焊点表面应光亮且色泽均匀。这主要是由助焊剂中未完全挥发的树脂成分形成的薄膜覆盖在焊点表面，能防止焊点表面的氧化。如果使用了消光剂，则对焊接点的光泽不作要求。,(5) 焊点不应有毛刺、空隙。焊点表面存在毛剌、空隙不仅不美观，还会给电子产品带来危害，尤其在高压电路部分，将会产生尖端放电而损坏电子设备。 (6) 焊点表面必须清洁。焊点表面的污垢，尤其是焊剂的有害残留物质，如果不及时清除，酸性物质会腐蚀元器件引线、接点及印制电
9、路，吸潮会造成漏电甚至短路燃烧等，从而带来严重隐患。,2.2 焊接工具与材料,2.2.1 电烙铁 1外热式电烙铁 外热式电烙铁的外形如图2.1所示，由烙铁头、烙铁芯、外壳、手柄、电源线和插头等各部分组成。电阻丝绕在薄云母片绝缘的圆筒上，组成烙铁芯。烙铁头装在烙铁芯里面，电阻丝通电后产生的热量传送到烙铁头上，使烙铁头温度升高，故称为外热式电烙铁。 外热式电烙铁结构简单，价格较低，使用寿命长，但其体积较大，升温较慢，热效率低。,图2.1 外热式电烙铁,2内热式电烙铁 内热式电烙铁的外形如图2.2所示。由于烙铁芯装在烙铁头里面，故称为内热式电烙铁。内热式电烙铁的烙铁芯是采用极细的镍铬电阻丝绕在瓷管上
10、制成的，外面再套上耐热绝缘瓷管。烙铁头的一端是空心的，它套在芯子外面，用弹簧夹紧固。由于烙铁芯装在烙铁头内部，热量完全传到烙铁头上，升温快，因此热效率高达85%90%，烙铁头部温度可达350左右。20 W内热式电烙铁的实用功率相当于2540 W的外热式电烙铁。内热式电烙铁具有体积小、重量轻、升温快和热效率高等优点，因而在电子装配工艺中得到了广泛的应用。,图2.2 内热式电烙铁,3恒温电烙铁 目前使用的外热式和内热式电烙铁的温度一般都超过300，这对焊接晶体管、集成电路等是不利的。在质量要求较高的场合，通常需要恒温电烙铁。 恒温电烙铁有电控和磁控两种。电控是用热电偶作为传感元件来检测和控制烙铁头
11、的温度。当烙铁头温度低于规定值时，温控装置内的电子电路控制半导体开关元件或继电器接通电源，给电烙铁供电，使电烙铁温度上升。温度一旦达到预定值，温控装置自动切断电源。如此反复动作，使烙铁头基本保持恒温。由于恒温电烙铁的价格较贵，因此目前较普遍使用的是磁控恒温电烙铁。,图2.3 磁控恒温电烙铁结构示意图,图2.4 磁控恒温电烙铁外形图,在烙铁头1的右端镶有一块软磁金属2，烙铁头放在加热器3的中间，非磁性金属圆管 5底部装有一块永久磁铁4，再用小轴7与接触簧片9连起来而构成磁性开关，电源未接通时，永久磁铁4被软磁金属吸引，小轴7带动接触簧片9与接点8闭合。 当电烙铁接通电源后，加热器使烙铁头升温，在
12、达到预定温度时(达到软磁金属的居里点)，软磁金属失去磁性，永久磁铁4在支架6的吸引下离开软磁金属，通过小轴7使接点8与接触簧片9分开，加热器断开，于是烙铁头温度下降，当降到低于居里点时，软磁金属又恢复磁性，永久磁铁又被吸引回来，加热器又恢复加热，如此反复动作，使烙铁头的温度保持在一定范围内。,4感应式烙铁 感应式烙铁也叫速热烙铁，俗称焊枪。它里面实际是一个变压器，这个变压器的次级实际只有13匝，当初级通电时，次级感应出大电流通过加热体，使同它相连的烙铁头迅速达到焊接所需温度。其结构如图2.5所示。,图2.5 感应式烙铁结构示意图,5其他电烙铁 除上述几种烙铁外，新近研制成的一种储能式烙铁，是适
13、应集成电路，特别是对电荷敏感的MOS电路的焊接工具。烙铁本身不接电源，当把烙铁插到配套的供电器上时，烙铁处于储能状态，焊接时拿下烙铁，靠储存在烙铁中的能量完成焊接，一次可焊若干焊点。 还有用蓄电池供电的碳弧烙铁；可同时除去焊件氧化膜的超声波烙铁；具有自动送进焊锡装置的自动烙铁等。,6电烙铁的使用与保养 (1) 电烙铁的电源线最好选用纤维编织花线或橡皮软线，这两种线不易被烫坏。 (2) 使用前，先用万用表测量一下电烙铁插头两端是否短路或开路，正常时20 W内热式电烙铁阻值约为2.4 k左右(烙铁芯的电阻值)。再测量插头与外壳是否漏电或短路，正常时阻值应为无穷大。 (3) 新烙铁刃口表面镀有一层铬
14、，不易沾锡。使用前先用铿刀或砂纸将镀铬层去掉，通电加热后涂上少许焊剂，待烙铁头上的焊剂冒烟时，即上焊锡，使烙铁头的刃口镀上一层锡，这时电烙铁就可以使用了。,(4) 在使用间歇中，电烙铁应搁在金属的烙铁架上，这样既保证安全，又可适当散热，避免烙铁头“烧死”。对已“烧死”的烙铁头，应按新烙铁的要求重新上锡。 (5) 烙铁头使用较长时间后会出现凹槽或豁口，应及时用锉刀修整，否则会影响焊点质量。对经多次修整已较短的烙铁头，应及时调换，否则会使烙铁头温度过高。 (6) 在使用过程中，电烙铁应避免敲打碰跌，因为在高温时的振动，最易使烙铁芯损坏。,2.2.2 焊料 凡是用来焊接两种或两种以上的金属面，使之成
15、为一个整体的金属或合金都叫焊料。焊料的种类很多，按其组成成分，焊料有锡铅焊料、银焊料和铜焊料等。按其熔点可分为软焊料(熔点在450以下)和硬焊料(熔点在450以上)。电子产品装配中，一般都选用锡铅焊料，它是一种软焊料。锡可以与其他金属组成二元合金、三元合金或四元合金。,1. 锡铅共晶合金 锡铅合金的特性随锡铅成分配比的不同而异。图2.6是不同配比的锡铅合金在不同温度时的状态图。,图2.6 锡铅合金状态图,如图2.6中B点所示，含锡量为63%，含铅量为37%时，锡铅合金的熔点为183。此时合金可由固态直接变为液态，或由液态直接变为固态，这时的合金称为共晶合金，按共晶合金配制成的锡铅焊料称为共晶焊
16、锡。采用共晶焊锡进行焊接有以下优点： (1) 熔点最低。降低了焊接温度，减少了元器件受热损坏的机会。尤其是对温度敏感的元器件影响较小。 (2) 熔流点一致。共晶焊锡只有一个熔流点，由液体直接变成固体，结晶迅速，这样可以减少元器件的虚焊现象。,(3) 流动性好，表面张力小。焊料能很好地填满焊缝，并对工件有较好的浸润作用，使焊点结合紧密光亮。 (4) 抗拉强度和剪切强度高，导电性能好，电阻率低。 (5) 抗腐蚀性能好。锡和铅的化学稳定性比其他金属好，抗大气腐蚀能力强，而共晶焊锡的抗腐蚀能力更好。,2杂质对焊接的影响 锡铅焊料中往往会含有少量杂质，有些是出于某种需要而人为掺入的，有些则是在运输、储存和使用过程中无意混入的，这些杂质对焊料的性能有较大的影响。表2-1列出了各种杂质对焊料性能的影响情况。,表2-1 杂质对焊料性能的影响,3常用锡铅焊料 (1) 管状焊锡丝。在手工焊接时，为了方便，常将焊锡制成管状，中空部分注入由特级松香和少量活化剂组成的助焊剂，这种焊锡称为焊锡丝。有时在焊锡丝中还添加1%2%的锑，可适当增加焊料的机械强度。 焊锡丝的直
