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1、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
2、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 V 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
3、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（图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。090 时 COS 0 0,湿润
4、 0 90 时 COS 0 0，不湿润0时COS 01,完全湿润180。时COS 0-1，完全不湿润般来说，0=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， 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
5、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Cu5Sn 6、Cu3Sn ）。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
6、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Cu、Au 、Ag 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 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。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 C的称为
7、硬焊料，小于450C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a181a +a +Lc共晶点232327豪液相线 L（单相区）録线泊9%固相线Sn97%PLSn合金状态图从Sn-Pb合金的相图可以看出，Sn-Pb合金由a （Sn）相和p （Pb）相两 种固溶体和a +p 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183C。1.2.2 Sn-Pb焊料（共晶焊料）的特点1、共
8、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。123 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，是提咼焊接质量的措施之一一0国标（GB31
9、31规定的杂质含量如下:焊料牌号成分（杂质含量（锡锑铅铜铋砷铁硫锌铝其它SnPb59-61人丄 J D0.8余 量0.080.10.050.020.020.002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刎下时，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薄膜，使 （Zn0 焊接性能劣化，流动性下降，焊点失去光泽，表面粗糙。通
10、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,中的锡 会从黄铜中溶解锌。焊料铝（Al）: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
11、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、NH4C、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“P0酸一一盐酸（HCI）无机系列氟酸（HF）| 盐-氧化物 ZnCl2
12、、NHCI、SnCI2助焊剂 有机系列树脂型有机酸（硬脂酸、乳酸、油酸、氨基酸等）有机 卤素（盐酸笨胺等）尿素、乙二胺等松香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。为了去除氧化 层和防止而妨碍原子间相互接近的是金属表面的氧化层和杂质。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:221焊剂的化学作用焊料金属活性金属热分介利用焊剂的活性，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
13、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170C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+2Ci9H9COOHCu(C9H29OCO+HO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（C 19H9OCOH Ol+COOH+Cu生成的活性铜可以与熔融焊料反应
14、生成铜锡合金。Cu+Sn-Pb 7Cu-Sn-Pb2.2.2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33lPa。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。23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
15、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、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
