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焊锡工程技术指导书
第一章焊锡原理
第一节焊接技术概要
利用加热与其它方法借助助焊剂的作用使两和金属相互扩散牢固结合在一起的方法称为焊接。
电子行业所用的焊接均为钎焊(焊料的熔点小于450°C)。
钎焊中起连接作用的金属材料称为焊料。
常用的焊料为锡铅合金。
由于钎焊方法简便,整修焊点、拆换元器件、重新焊接都不困难,使用简单的工具(电烙铁)即可完成,且成本低,易实现自动化等特点,因此,它是使用最早,适用范围最广和当前仍占比例最大的一种焊接方法。
随着电子行业的发展,焊接技术也有了不少的更新和发展,例如:
波峰焊、回流焊等。
电子产品上焊接点的数量有几十个至上百万个,这样多的焊接点,不但装配过程中工程量大,而且每一个焊点质量都关系着整个产
品的使用可靠性,因此每个焊点都应且有一定的机械强度和良好的电气性能。
焊接技术不仅关系着整机装配的劳动生产率的高低和生产成本的大小,而且也是电子产品质量的关健。
第二节焊料
在焊接过程中起连接作用的金属材料,称为焊料。
电子行业中所用的焊料通常为锡铅合金,其配比为:
Sn63%,Pb37%,该合金称为锡铅共晶合金。
A(327°C)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
400
350
300
250
200
150
100
50
0
一、锡、铅合金相变图
最适合焊锡的温度C(232°C)
半液体
半液体
D
共同点B(183°C)
锡63%铅37%
(固体)
E
液相线
Sn(%)0102030405060708090100
Pb(%)10090807060504030201010
从图中可以看出,只有纯铅(A点),纯锡(C点),易熔合金(共晶点B点)是在单一温度下熔化的。
其他配比构成的合金则是在一个温度区域内熔化的,其上限(A-B-C线)液相线,下限(A-D-B-E-C线)称做固相线。
在两个温度线之间为半液体区,焊料呈稠糊状。
在B点合金不呈半液体状态,可有固体直接变成液体,这个B点称为共晶点。
按共晶点的配比配制的合金称为共晶合金。
二、共晶焊锡的特点
电子工业希望在最低温度下完成焊锡工作,那就得利用熔点最低之锡铅合金。
即共晶合金,其配比为Sn:
Pb=63:
37,共晶焊锡具有如下特点:
1.不经过半熔融状态而迅速固化或液化,可以最快速度完成焊接。
2.能在较低温度下开始焊接作业,是锡铅合金中焊接性能最佳的一种。
3.焊接后焊点的机械强度、导电性能好。
三、焊料中杂质对焊料性能的影响
焊料中除锡、铅外往往含有少量其他元素,如铜、锑、铋等。
另外,在焊接作业中,PCB和元件脚上的杂质也会带入锡炉内。
这些元素对焊焊锡的性能会有影响,下表列出的为中国电子行业标准SJ/T10134-94中杂质允范围及对焊点性能的影响。
杂质
最高容限
杂质超标时对焊点性能的影响
铜
0.300
焊料硬而脆,流动性差
金
0.200
焊料呈颗粒状
镉
0.005
焊料疏松易碎
锌
0.005
焊料粗糙、颗粒状,起霜和多孔的树枝结构
铝
0.006
焊料粘滞,起霜多孔
锑
0.500
焊料硬脆
铁
0.020
焊料熔点升高,流动性差
砷
0.030
小气孔,脆性增加
铋
0.250
熔点降低,变脆
银
0.100
失去自然光泽,出现白色颗粒状物
镍
0.010
起泡,形成硬的不溶解化合物
四、常用焊锡种类及用途
合金比例
Percentage
作业温度
Soldering
Temperature°C
比重
Gravity
主要用途
Uses
Sn%
Pb%
70
30
250~275
8.32
特殊用途(再度焊接、电气及食品类)
63
60
37
40
230~260
230~270
8.4
8.65
低温度焊锡适合于单、双波峰焊等特别对温度要求较严格者。
50
50
260~300
8.85
电缆、电器一般焊接。
45
55
260~300
8.97
汽车散热器及白铁皮焊接用。
40
60
290~320
9.3
铅管、电缆及汽车散热器用
35
65
300~340
9.5
一般用于灯泡及电视高热部分的焊接。
30
20
70
80
300~340
320~360
9.7
10.20
机器、灯泡、TV高热部分焊接
第四节无铅焊锡
锡铅共晶焊料是一种传统的钎料,在几十年的使用中积累的丰富经验;它又是一种价格低廉、性能优良的钎料。
90年代前,各发达国家没有出台限制铅制品使用的法规,所以无铅钎料的应用还不是迫在眉睫的事情。
随着人类对环保意识的大大增强,90年代后期各发达国家相继出台了一系列法规。
例如:
欧洲国家根据«欧洲电器废弃物指令»(EC-DirectionsonWEEE),从2004年全面禁止使用含铅制品;美国NEMI(NationalElectronicsandManufacturingInitiative)无铅软钎计划中规定到2004年完全禁止使用锡铅软钎料。
日本1998年6月起实施的«废弃物处理法»强化了含铅钎料印刷电路扳电子束管的填埋标准。
由此看出,发达国家越来越强化、有关铅污染的立法。
无铅钎料到目前为止尚没有国际通用意义,可借鉴的标准:
管道焊接用钎料及钎剂中铅含量应低于0.2wt%(美国),0.1wt%(欧洲);在国际标准组织(ISO)提案:
电子装联用钎料合金中铅含量应低于0.1wt%.
几种常见的无铅钎料:
合金成份
Alloycomposition
熔点(°C)
Meltingpoint
抗拉强度(P/Mpa)Tensilestrength
延伸率(%)Elongation
润湿时间(SEC)
Wettingtime
Sn-3.5Ag
221
43
45
1.90
Sn-3.5Ag-0.7Cu
217~220
39
31
1.57
Sn-3.1Ag-1.3Cu
217
50
32
1.53
Sn-3.0Ag-0.5Cu
217~219
37
33
1.58
Sn-0.3Ag-0.7Cu
216~227
25
40
2.02
Sn-2.8Ag-1.0Bi-0.5Cu
214~215
42
35
1.33
Sn-2.5Ag-1.0Bi-0.5Cu
214~217
40
27
1.35
Sn-8.0Zn-3.0Bi
187~196
83
24
--
Sn-0.7Cu
227
28
34
2.30
目前,无铅工艺的生产条件、工艺设备等还没有一个统一的标准,锡铅焊料的代用问题,除了无铅钎料外,还存在与助焊剂、钎焊工艺、检验、钎焊标准等多方面的配合问题。
国内,短期内不会出台禁止锡钎料使用的法规。
但我国不少机电产品和家用电器等到产品是出口的,在这些产品中无处不见铅制品的存在。
一旦国外一些发达国家禁止使用锡铅钎料的法规生效,这些产品的出口将受到很大的影响。
无铅工艺将会越来越受到重视。
第五节助焊剂
助焊剂是在焊接过程中起助焊作用的液体,其作用如下:
一、助焊剂的作用
1.清除焊接金属表面的氧化膜;
2.在焊接物表面形成液态的保护膜,隔绝高温时四周的空气,防止金属表面再氧化;
3.降低焊锡的表面张力,增加其扩散能力;
4.焊接的瞬间,可以让熔融状的焊锡与被焊金属表面形成合金,顺利完成焊接。
二、助焊剂的分类
助焊剂通常是依它们的成份而分类,也有依它们的活性强弱而分类的。
按成份通常分为无机系列和有机系列。
有机系列又可分为松香型和非松香型。
1.无机系列:
主要由无机酸和无机盐组成,有很强的活性,腐蚀性大,挥发气体对元件有破坏作用,焊后必须清洗,电子行业一般禁止使用。
2.有机系列:
主要由松香、松香回活性剂、松香系列合成树脂回活性剂、消光剂等组成。
松香在室温中高绝缘的特性及中性的残留,是助焊剂的最理想物质,但是活性差,为提高其活性,往往回入少量有机酸、有机胺类等活性物质。
实际上,随着电子行业对焊接质量的要求提高,化工行业己将有机系列与树脂系列综合起来调配,以满足不同的焊接要求。
三、助焊剂的选择
随着电子行业的发展,助焊剂的种类也随之增多,选择合适的助焊剂对于保证生产和产品质量非常重要。
选择时主要考虑下列因素:
1.被焊金属材料及清洁程度;
2.焊后清洗或免清洗(水洗或有机溶剂清洗);
3.助焊剂本身的稳定性;
4.绝缘阴抗及腐蚀程度;
5.消光型或光亮型;
6.比重使用范围;
7.对环境卫生的影响等。
第六节焊点
将被金属通过焊接连接在一起形成的点叫焊点。
一、焊点的形成过程式及必要条件:
1.焊点的形成熔化焊锡借助助焊剂的作用,与被焊接的金属材料相互接触时,如果在结合界面上不存在其其他任何杂质,那么焊锡中的锡和铅的任何一种原子会进入被焊接的金属材料的晶格而生成合金,这样就形成牢固可靠的焊点。
2.焊点形成的条件:
1)被焊接金属材料应且有良好的可靠性;
2)被焊接金属材料应具有良好的可焊性;
3)助焊剂选择要适当;
4)焊料的成份与性能要适应焊接要求;
5)焊接要具有一定的温度,在焊接时,热能的作用是使焊锡向被焊金属材料扩散并使被焊金属材料上升到焊接温度,以便与焊锡生成金属合金。
6)焊接时间:
焊接的时间是指在焊接全过程中,进行物理和化学变化所需要的时间。
它包括被焊接金属材料达到焊接温度时间,焊锡的熔化时间,助焊剂发挥作用及生成金属合金的时间几个部分。
二、对焊点的基本要求
1.具有良好的导电性:
即焊料与被焊金属表面相互扩散形成合金。
2.具有一定的强度:
即焊点必须有一定的抗拉强度和抗冲击韧性。
3.焊料量要适当:
过少机械强度低,易造成虚焊,过多会浪费焊料,并造成焊点相碰和掩盖焊接缺陷。
15°<€<30°
4.焊点表面应有良好的光泽。
5.焊点不应有毛刺、空隙、气泡。
6.焊点表面要清洁,有残留物或污垢,会给焊点带来隐患。
三、不良焊点
生产中由于PCB线路设计,生产中工艺控制以及助焊剂的选择等因素影响,均会出现不良焊点,所出现的不良焊点主要有以下几种:
1.焊点短路(连焊):
即不同线路上的焊点连在一起;
2.偏锡或虚焊:
即焊点偏孔或元件脚松动;
3.晶粒粗化或拉尖:
即麻点状或毛刺焊点:
4.包焊:
即纺锤型、球型焊点;
5.翘铜皮:
即焊点也板面脱离。
第二章焊锡工艺
焊接工艺依据作业方式的不同而分为:
手工焊、浸焊、波峰焊、回流焊等。
第一节手工焊
靠手工作业的方式,用电烙铁和焊锡线所完成的焊接叫手工焊。
一、手工焊的用途手工焊主要应用于以下同方面:
1)小批量生产的小型化产品,具有特殊要求的高可靠产品;
2)不便使用机器焊接、复杂多变的线路结构;
3)对温度敏感的元器件及维修中需要更换的元器件;
4)对机器焊接出现的不良焊点进行补焊。
5)在SMT工艺后,对IC上的良焊点进行手工拖IC。
二、焊接前的准备
为了得到良好的焊接点,PCB的焊盘与元器件的引线一定要保持清洁,PCB保存时间不宜过长,以防焊盘氧化,影响焊接质,切勿用油手、汗手及其他油脂物弄脏PCB板焊盘,对于有脏污的PCB板,要用无水洒清擦干净。
三、焊接步骤
1.对准焊接点:
将电烙铁与焊锡同时对准焊接点,并在烙铁头上先熔化少量的焊锡丝或松香。
2.接触焊接接点:
在烙铁头的焊剂尚未挥发完时,将烙铁头与焊锡丝同时就可充分熔化焊锡。
3.移开焊锡丝和拿开烙铁头:
在焊锡熔化够量和焊接点吃锡充分的情况下,要迅速移开焊锡丝和拿开烙铁头。
这几乎是同时完成的,但要注意移开焊锡丝的时间决不要迟于离开烙铁头的时间。
连续焊接时,因每焊完一个焊点时烙铁头上尚余下少量焊锡和焊剂,所以可以直接一个一个地用烙铁头和焊锡丝接触焊接点完成焊接。
四、注意事项
手工焊接的主要特点是操作要准而快,要特别注意以下几点:
1.温度要适当,加温时间要短。
由于PCB焊盘很小,铜箔簿,每间个焊点能承受的热量很少,只要烙铁头稍一接触,焊接点即可达到焊接温度,烙铁头的温度下降也不多,接触时间一长,焊盘就容易损坏,所以焊接时间一定要短,一般以2~3秒为宜。
2.焊料与焊剂要适量PCB板的焊盘有助焊剂,连同焊锡丝的焊剂己够焊接使用,如果再多用助焊剂,则会造成焊剂在焊接过程中不能充分挥发而影响焊接质量,增加清洗焊剂残余物的工作量。
第二节浸焊
浸焊是将插装好元器件的PCB板在熔化的锡炉内浸锡,一次完成众多焊点焊接的方法。
一、手工浸焊
手工浸焊是由人手持夹具夹住插装好的PCB,人工完成浸锡的方法,其操作过程如下:
1.加热使锡炉中的锡温控制在250°C左右;
2.在PCB板上涂一层(或浸一层)助焊剂;
3.用夹具夹住PCB浸入锡炉中,使焊盘表面与PCB板接触,浸锡温度以PCB厚度的1/2~2/3为宜,浸锡的时间约3~5秒;
4.以PCB板与锡面成5~10°C角度使PCB离开锡面,略微冷却后检查焊接质量。
如有较多的焊点未焊好,要重复浸锡一次,对只有个别不良焊点的板,可用工补焊。
注意经常刮去锡炉表面的锡渣,保持良好的焊接状态,以免因锡渣的产生而影响PCB的干净度及清洗问题。
手工浸焊的特点为:
设备简单、投入少,但效率低,焊接质量与操作人员熟练程度有关,易出现漏焊,焊接有贴片的PCB板较难取得良好的效果。
二、机器浸焊
机器浸焊是用机器代替手工夹具夹住插装好的PCB进行浸焊的方法。
当所焊接的电路板面积大,元件多,无法靠手工夹具夹住浸焊时,可采用机器浸焊。
机器浸焊的过程为:
线路板在浸焊机内运行至锡炉上方时,锡炉作上下运动或PCB作上下运动,使PCB浸入锡炉焊料内,浸入深度为PCB厚度的1/2~2/3为宜,浸锡的时间约3~5秒;然后PCB离开浸锡位出浸锡机,完成焊接。
该方法主要用于电视机主板等面积较大的电路板焊接,以此代替高波峰机,减少锡渣量,并且板面受热均匀,变形相对较小。
第三节波峰焊
波峰焊是近年来发展较快的一种焊接方法,其原理是让插装或贴装好元器件的电路板与熔化焊料的波峰接触,实现连续自动焊接。
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