焊接技术概述.docx

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焊接技术概述

第一章焊接技术概述

第1节焊接技术简述

焊接技术的讲解.

现今的电子产品特别是电脑主机板等高精度的主机板基本上都实现了机器（如:

SMT部门贴片的焊接.大锡炉.拆焊机等）焊接,它的焊接成本低,可靠性程度高,但不可避免的在维修.调试当中要用到手工焊接.今天我们就给大家介绍一下手工焊接技术吧!

手工焊接是一种比较传统的焊接方法.手工焊接的质量直接影响到维修效果,而且它是一项实践性很强的技能,初学手工焊接人员一定要多练.多实践,才能达到较好的焊接效果,即有好的焊接质量.

第2节焊接材料

一、相关手工焊接材料的分类

电子产品的焊接材料主要包括焊锡及辅助焊接材料如助焊剂.清洁剂等.

焊接作为三种级别的连接:

裸片（Die）.包装（package）和电路板装配（BoardAssembly）的连接材料是一种通用焊接材料.现今市场上存在两种不同规格的焊锡,即有铅焊锡和无铅焊锡.作为有铅焊锡的主要成份之一,具有成本低.可靠性高,其应用于电子工业有超过错50年的历史,然而它又是具有毒性的重金属,相对来说危害人娄身体健康,也会造成环境的长期污染,世纪各国也在制定相应的法律法规去管制有铅焊锡的应用,因此无铅焊锡成为一项重要的环保清洁生产技术.无铅焊锡会作为一种环保焊接材料成为以后焊接材料的主流.那么我们来看一下有铅焊锡和无铅焊锡各自的特点吧!

有铅焊锡的主要成份是锡和铅,它们的比例一般为63:

37,另外1%为其它物质.主要应用于组件脚和PCB表面涂层的连接,也是目前手焊的主要材料.

二、焊接材料的物理特性

1溶解温度:

有铅焊锡的溶解温度一般在183℃左右.

2导电性:

焊锡连接的导电性描述了它们电气信号的传输性能,主要是电子流产生的.我们知道电阻与导电性能成反比,所以焊锡的导电性随着温度的上升,电子的移动性减弱,导电性变差.

3导热性:

焊锡的导热性通常同导电性直接相关,因为电子的导电就导热.因此焊锡的导热性能也随着温度的上升而减弱.

4温度膨胀系数:

它发生在SMT连接材料特性的温度膨胀系数通常较大的时候,温度膨胀系数的差别增加了焊锡连接点内的应力和应变,缩短了使用寿命,可导致早期失效.

5溶解焊锡的表面张力:

它也是一个比较关键的参数,与其可溶性和可焊接性有关.

第二章焊接技术

第1节焊接技术的分类

现在由于欧盟.美国.日本等发达国家大力推行无铅环保焊接技术,无铅焊锡作为一种新型的焊接材料被迅速发展起来,鸥盟与此无2006年6月30日后,停止进口和售卖有铅电子产品.

在有铅焊锡中,铅的比例是37%,那么无铅焊锡用什么比例更好呢?

现在常见的无铅焊锡的合金是锡和银,锡和铜或锡.银.铜等.由于合金成份的改变,造成可能很多不同于锡铅焊锡的特点:

①上锡能力差:

由于无铅焊锡的扩散性很差,其扩散面积一般1/3左右,造成可靠性变差.

②溶点升高:

它的溶点一般为217℃左右,较锡铅焊锡上升了约40℃左右的温度,带来的是恒温烙铁的温度设定也相应较高.

③恒温烙铁温度设定升高,长期使用影响恒温烙铁寿命.

④加快了恒温烙铁头的氧化速度.

⑤焊接温度升高对PCB及被焊接组件有影响.

⑥成本高,增加了制造费用,等等!

我们先看看现在无铅焊锡主要有那些组合吧!

和有铅焊锡相较温度、机械、蠕变、疲劳特性一样，熔化温度点是最重要的焊锡特性之一。

表四提供了现时能买到的无铅焊锡一览表。

表四、无铅焊锡及其特性

无铅焊锡化学成份

熔点范围

说明

48Sn/52In

118°C共熔

低熔点、昂贵、强度低

42Sn/58Bi

138°C共熔

已制定、Bi的可利用关注

91Sn/9Zn

199°C共熔

渣多、潜在腐蚀性

93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu

218°C共熔

高强度、很好的温度疲劳特性

95.5Sn/3.5Ag/1Zn

218~221°C

高强度、好的温度疲劳特性

99.3Sn/0.7Cu

227°C

高强度、高熔点

95Sn/5Sb

232~240°C

好的剪切强度和温度疲劳特性

65Sn/25Ag/10Sb

233°C

摩托罗拉专利、高强度

97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag

226~228°C

高熔点

96.5Sn/3.5Ag

221°C共熔

高强度、高熔点

应该注意到，无铅焊锡的化学成份还正在优化，以达到所希望的特性。

表四中的焊锡化学成份可能在商业上购买的焊锡中有稍微的不同。

例如，表五显示了一些从不同的供货商购买的焊锡品牌。

表五、不同供货商的无铅焊锡

焊锡名称

化学成份

熔点

说明

Indalloy227

77.2Sn/20In/2.8Ag

187°C

潜在的In/Pb不兼容性，要求对PCB焊盘和组件引脚无铅电镀

AlloyH

84.5Sn/7.5Bi/5Cu/2Ag

212°C

液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度

Tin/Zinc/Indium

81Sn/9Zn/10In

178°C

潜在的In/Pb不兼容性，要求对PCB焊盘和组件引脚无铅电镀

Castin

96.2Sn/2.5Ag/0.8Cu/0.55Sb

215°C

液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度

Tin/Silver/Copper

93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu

217°C

液态温度太高，要求260°C以上的波峰焊温度

含有高量铟（In）的无铅焊锡（如表五中第一种合金）有潜在的铟和铅的不兼容性，如果板面和组件引脚上有铅的话。

为了得到真正的无铅工艺，如果使用含铟合金，则可能有必要在PCB上使用无铅表面处理。

工业上正注重开发可替代的电镀层。

例如AlphaMetal的AlphaLevel闪燃银电镀，和Motorola的对板层和组件引脚的锡/铋电镀。

从表四我们可以看到，无铅焊锡要不比锡/铅共晶合金的熔点低很多，要不高很多。

表五所示大都是较高温度的无铅焊锡。

当使用低温焊锡时，需要特殊的助焊剂，因为标准的助焊剂可能在低温下无活性。

和低温焊锡有关的另一个温题是由于次共熔温度下，较低的流动性引起的润湿特性的减少。

对低温应用，含铟焊锡正得到接受。

一些公司正使用一种52In/48Sn的含铟焊锡，因为其较好的返工/返修特性。

因为该合金的熔点在118°C（244°F），返工是在低温下进行，一般不会引起温度损坏。

如果印刷电路板是镀金作防氧化用，那么，含铟焊锡可用来防止金流失。

另一种低熔点无铅焊锡是58Bi/42Sn。

如果我们看看Sn/Bi合金的金相图，会发现其熔点在138°C。

铋用于焊接合金中以达到低的焊接温度，但该合金一般显示出差的液化特性。

表四中列出的许多其它合金，比锡/铅共晶的熔点183°C要高很多。

如，锌/锡高温无铅焊锡的熔点为198°C。

高熔点焊锡将和现在广泛使用的基板材料，如FR-4，不相融合。

另外，返工不得不采用高温，将大大增加对板损坏的可能性。

现时还没有混入式的无铅焊锡替代产品，虽然有些供货商把他们的焊锡描述成“几乎混入式的”。

甚至这些要求返工的焊接烙铁的温度高达400°C（750°F），这在某些方面的应用是一个太高的温度，可能引起潜在的温度损坏。

还有，在波峰焊接中使用高熔点焊锡的关键问题之一是，增加电容断裂的可能性。

波峰焊接温度需要保持在大约230~245°C，高过锡/铅焊锡熔点大约45~65°C。

一种熔点为220°C的无铅焊锡，要求265~280°C的波峰焊接温度，这增加了预热和波峰之间的温度差，增加了电容断裂的可能性。

一般来说，几乎所有的无铅焊锡都比锡/铅共晶的润湿性能（扩散性）差，引起不良的焊脚。

为了改善润湿性能，要求特别的助焊剂配方。

无铅焊锡的疲劳特性也不太好，虽能在一份研究中，用高温95.6Sn/3.5Ag（表四中最后一种合金）进行温度循环后，没有观察到焊接点完整性的退化。

理想的焊锡熔点应在大约180°C，这样回流温度为210~230°C，波峰炉温为235~245°C，手工焊接温度为345~400°C（650~700°F）。

只有很熟练的操作员才可以操作更高的手工焊接温度，而避免温度损坏。

我们现在已知无铅焊接较难手工焊接更难,那么用什么材料好呢?

SMT装配工和50%的波峰装配工都选择了锡银铜（SAC）焊料。

在波峰焊接中，由于无铅锡棒的昂贵费用，他们中的20%选择了锡铜（SnCu）合金。

因而这两种合金可提供手工装配中使用的焊线。

SAC和SnCu焊料间主要的不同点在于其熔点；其熔化温度分别为约217摄氏度和227摄氏度。

从焊接性能上看，SAC较SnCu焊料更容易润湿，从而也更容易流动，而其它的所有特性基本相同。

SAC和SnCu焊料都可提供免清洗、水洗和松香焊剂配方。

免洗配方占总焊线使用的85%以上，而水洗配方小于15%，松香焊剂配方则少于5%。

这些数字适用于北美地区。

在全球其它地区，免洗配方最为普遍。

到目前为止，焊线的焊剂含量将是决定润湿效果的关键因素。

在润湿平衡（WettingBalance）法测试中，利用类似条件进行对比时，诸如SAC、SnCu的无铅焊料和更高温度选项的锡锑SnSb较63/37润湿稍慢。

按重量计算，无铅焊线应至少含有2%的焊剂。

含铅焊料具备较低的焊剂百分比，低至1%（wt/wt）；这一低焊剂量不适用于无铅。

 焊线内典型的通量分布中，焊剂密度接近于1g/cc；因而这一量在横截面中更为明显。

有时会用到多重中心，但无铅焊接时使用的比例通常是2%或3%。

较少的焊剂会导致焊接过程中出现更多难题。

若润湿仍过于迟缓，可在焊线内试用3%的焊剂，但这将导致产生更多的残渣，免洗设备中便不一定能保持美观了。

由于可能出现施用过量的问题，使用塑料挤瓶添加焊剂的做法通常不可取。

这种做法不可用于免洗应用。

另一个重点是确保焊剂是专为无铅应用设计，从而其应能经受更高的焊接头温度而不至于焦化、飞溅和分裂。

在使用更高的焊接头温度时，一些焊剂比较容易冒烟。

在选择一种焊线时，确保观察其焊剂的IPC分类。

许多符合ROL0分类的免清洗焊剂表示其基于松香、活性低且无卤素。

这些是IPC规范中最为可靠的焊剂，其通过了SIR和腐蚀性测试。

在使用无铅焊剂时有一个倾向是利用更高的活性来补足减少的润湿；这种方法有时并不可取。

水洗型焊剂通常被归为ORH1类，它将更为有效并更完美地用于无铅焊接。

但是建议须确保残渣仍能以热水完全去除；并进行离子污染测试。

若水洗后仍有离子污染物残留，应确保改变清洗处理，诸如延长周期时间、增加水温或更换清洗剂等。

SAC和SnCu润湿平衡测试所做的对比性研究显示，在使用同一焊剂类型的情况下，在要求时间内实现最大程度润湿的性能方面，SAC胜过SnCu焊料。

在SnCu焊料掺杂镍、钴或其它添加剂时结果亦如此。

在选择一种合金时，确定将装配部件的总体可焊性是很重要的。

若部件的老化、氧化程度较高、手工处理的SAC焊料也许是更好的选择。

无铅手工装配焊料相关的主要变化有哪些？

在使用同一焊剂活化标准时，无铅焊料的流动性较63/37稍为缓慢。

接触角稍大，因而较少主张逐渐减少焊料量。

此焊点较之63/37焊料趋向于具备较小的反射性。

在完成向无铅的完全过渡前须进行一些再培训。

在一些情形下会出现如IPC-STD-610D第5部分中所述的某些收缩作用。

IPC-610将这些情形定为焊接异常，而不一定是缺陷。

如上述文件中所述，若可见破裂底部、收缩孔不与铅、焊盘或焊壁相接触，1、2、3类都非缺陷。

以下照片是取自Kester实验室的范例。

无铅SAC和SnCu的最佳焊接头温度是多少？

焊接头温度或接触温度对于减轻无铅手工焊接的操作难度十分重要。

当使用63/37焊料时，使用低温650华氏度，但使用无铅焊料时，最佳温度为700至800华氏度。

较高的温度的