焊接工藝的質(zhì)量分析和質(zhì)量控制＊

(武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074)

1 引言

焊接是電子產(chǎn)品組裝過程中的重要工藝。焊接質(zhì)量的好壞,直接影響電子電路及電子裝置的工作性能。優(yōu)良的焊接質(zhì)量,可為電路提供良好的穩(wěn)定性、可靠性,不良的焊接方法會(huì)導(dǎo)致元器件損壞,給測(cè)試帶來很大困難,有時(shí)還會(huì)留下隱患,影響電子設(shè)備的可靠性。隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高,使用的元器件越來越多,有些電子產(chǎn)品(尤其是有些大型電子計(jì)算機(jī)設(shè)備)要使用幾百上千個(gè)元器件,焊點(diǎn)數(shù)量則成千上萬。而一個(gè)不良焊點(diǎn)都會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。焊接質(zhì)量是電子產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。因此,對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行分析和實(shí)施控制是十分重要的。

本文主要是對(duì)錫鉛焊接工藝、焊料和焊劑的選用、手工焊接技術(shù)和自動(dòng)焊接技術(shù)等進(jìn)行分析探討,以確保焊接質(zhì)量,提高計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的可靠性。

2 焊接工藝的基本環(huán)節(jié)

2.1 錫焊分類及特點(diǎn)

焊接一般分三大類：熔焊、接觸焊和釬焊。

1)熔焊

熔焊是指在焊接過程中,將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài),在不外加壓力的情況下完成焊接的方法。如電弧焊、氣焊等。

2)接觸焊

在焊接過程中,必須對(duì)焊件施加壓力(加熱或不加熱)完成焊接的方法。如超聲波焊、脈沖焊、摩擦焊等。

3)釬焊

釬焊采用比被焊件熔點(diǎn)低的金屬材料作焊料,將焊件和焊料加熱到高于焊料的熔點(diǎn)而低于被焊物的熔點(diǎn)的溫度,利用液態(tài)焊料潤(rùn)濕被焊物,并與被焊物相互擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)連接。

電子產(chǎn)品安裝工藝中所謂的“焊接”就是軟釬焊的一種,主要使用錫、鉛等低熔點(diǎn)合金材料作焊料,因此俗稱“錫焊”。

2.2 焊接的機(jī)理

所謂焊接是將焊料、被焊金屬同時(shí)加熱到最佳溫度,依靠熔融焊料填滿被焊金屬間隙并與之形成金屬合金結(jié)合的一種過程。從微觀的角度分析,焊接包括兩個(gè)過程：一個(gè)是潤(rùn)濕過程,另一個(gè)是擴(kuò)散過程。

1)潤(rùn)濕(橫向流動(dòng))

又稱浸潤(rùn),是指熔融焊料在金屬表面形成均勻、平滑、連續(xù)并附著牢固的焊料層。浸潤(rùn)程度主要決定于焊件表面的清潔程度及焊料的表面張力。金屬表面看起來是比較光滑的,但在顯微鏡下面看,有無數(shù)的凸凹不平、晶界和傷痕,熔化的焊料就是沿著這些表面上的凸凹和傷痕靠毛細(xì)作用潤(rùn)濕擴(kuò)散開去的,因此焊接時(shí)應(yīng)使焊錫流淌。流淌的過程一般是松香在前面清除氧化膜,焊錫緊跟其后,所以說潤(rùn)濕基本上是熔化的焊料沿著物體表面橫向流動(dòng)。潤(rùn)濕的好壞用潤(rùn)濕角表示。

2)擴(kuò)散(縱向流動(dòng))

伴隨著熔融焊料在被焊面上擴(kuò)散的潤(rùn)濕現(xiàn)象還出現(xiàn)焊料向固體金屬內(nèi)部擴(kuò)散的現(xiàn)象。例如,用錫鉛焊料焊接銅件,焊接過程中既有表面擴(kuò)散,又有晶界擴(kuò)散和晶內(nèi)擴(kuò)散。錫鉛焊料中的鉛只參與表面擴(kuò)散,而錫和銅原子相互擴(kuò)散,這是不同金屬性質(zhì)決定的選擇擴(kuò)散。

3)合金層(界面層)

擴(kuò)散的結(jié)果使錫原子和被焊金屬銅的交接處形成合金層,從而形成牢固的焊接點(diǎn)。

只有在焊錫和元件的交接面形成的合金層,才能使焊錫與元件牢固連接;只有焊錫與焊盤金屬的表面有合金層形成,焊錫才能牢固的附著在電路板板上;只有這兩個(gè)合金層都很好,才能使元件牢固的固定在電路板的焊盤上。

2.3 焊接要素

焊接是綜合的、系統(tǒng)的過程,焊接的質(zhì)量取決于下列要素：

1)焊接母材的可焊性

所謂可焊性,是指液態(tài)焊料與母材之間應(yīng)能互相溶解,即兩種原子之間要有良好的親和力。兩種不同金屬互熔的程度,取決于原子半徑及它們?cè)谠刂芷诒碇械奈恢煤途w類型。錫鉛焊料,除了含有大量鉻和鋁的合金的金屬材料不易互溶外,與其他金屬材料大都可以互溶。為了提高可焊性,一般采用表面鍍錫、鍍銀等措施。

2)焊接部位清潔程度

焊料和母材表面必須“清潔”,這里的“清潔”是指焊料與母材兩者之間沒有氧化層,更沒有污染。當(dāng)焊料與被焊接金屬之間存在氧化物或污垢時(shí),就會(huì)阻礙熔化的金屬原子的自由擴(kuò)散,就不會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)濕作用。

3)助焊劑

助焊劑可破壞氧化膜、凈化焊接面,使焊點(diǎn)光滑,明亮。電子裝配中的助焊劑是松香。

4)焊接溫度和時(shí)間

焊錫的最佳溫度為250±5℃,最低焊接溫度為240℃。溫度太低易形成冷焊點(diǎn)。高于260℃易使焊點(diǎn)質(zhì)量變差。焊接時(shí)間：完成潤(rùn)濕和擴(kuò)散兩個(gè)過程需2～3s,1s僅完成潤(rùn)濕和擴(kuò)散兩個(gè)過程的35%。一般集成塊、三極管焊接時(shí)間小于3s,其他元件焊接時(shí)間為4～5s。

5)焊接方法

焊接方法和步驟非常關(guān)鍵,在第四節(jié)再詳細(xì)討論。

2.4 優(yōu)良焊點(diǎn)的特征

一個(gè)優(yōu)良的焊點(diǎn)必須具備以下的特征：

1)良好的導(dǎo)電性能：良好的導(dǎo)電性能才能保證電路的互聯(lián),一個(gè)好的焊點(diǎn),一般要求焊點(diǎn)的電阻在1～10mΩ之間。

2)良好的機(jī)械性能：要求焊點(diǎn)有一定的機(jī)械強(qiáng)度,使元器件牢牢固定在印刷電路板上。

3)有良好的外觀：保證焊點(diǎn)良好的電氣性能和機(jī)械性能的條件是焊錫與元件引腳、PCB焊盤形成良好的浸潤(rùn)。

4)焊錫量適當(dāng)。

焊點(diǎn)上焊錫過少,機(jī)械強(qiáng)度低。焊錫過多,會(huì)容易造成絕緣距離減小或焊點(diǎn)相碰。

5)不應(yīng)有毛刺和空隙。

這對(duì)高頻、高壓電子設(shè)備極為重要。高頻電子設(shè)備中高壓電路的焊接點(diǎn),如果有毛刺,則易造成尖端放電。

6)焊點(diǎn)表面要清潔。

焊點(diǎn)表面的污垢一般是焊劑的殘留物質(zhì),如不及時(shí)清除,會(huì)造成日后焊點(diǎn)腐蝕。

3 焊料、助焊劑、阻焊劑

焊料和焊劑的性質(zhì)和成分、作用原理及選用知識(shí)是電子組裝工藝技術(shù)中的重要內(nèi)容之一,對(duì)保證焊接質(zhì)量具有決定性的影響。

3.1 焊料

凡是用來熔合兩種或兩種以上的金屬面,使之形成一個(gè)整體的金屬的合金都叫焊料。根據(jù)其組成成分,焊料可以分為錫鉛焊料、銀焊料、及銅焊料。

1)焊錫合金的特性

?導(dǎo)電性能

相對(duì)于銅的導(dǎo)電率,錫鉛合金的導(dǎo)電率僅是銅的1/10,即它的導(dǎo)電能力比較差。焊點(diǎn)的電阻與電阻率、焊點(diǎn)的形狀、面積等多種因素有關(guān)。

?力學(xué)性能

在實(shí)際焊接中,即使不考慮焊接過程中所產(chǎn)生的缺陷如空洞和氣泡等對(duì)強(qiáng)度的影響,焊點(diǎn)強(qiáng)度也經(jīng)常出現(xiàn)問題。

2)常用焊錫

(1)焊錫絲是手工焊接用的焊料。焊錫絲是管狀的,由焊劑與焊錫制做在一起,在焊錫管中夾帶固體焊劑。焊劑一般選用特級(jí)松香為基質(zhì)材料,并添加一定的活化劑,如鹽酸二乙胺等。

(2)抗氧化焊錫在錫鉛合金中加入少量的活性金屬,能使氧化錫,氧化鉛還原,并漂浮在焊錫表面形成致密復(fù)蓋層,從而保護(hù)焊錫不被繼續(xù)氧化。

(3)焊膏是表面安裝技術(shù)中的一種重要貼裝材料,由焊粉,有機(jī)物和溶劑組成,制成糊狀物,能方便地用絲網(wǎng)、模板或點(diǎn)膏機(jī)印涂在印制電路板上。

3.2 助焊劑

助焊劑的作用是清除金屬表面氧化物,硫化物、油和其它污染物,并防止在加熱過程中焊料繼續(xù)氧化。同時(shí),它還具有增強(qiáng)焊料與金屬表面的活性、增加浸潤(rùn)的作用。

1)對(duì)助焊劑的要求

(1)有清洗被焊金屬和焊料表面的作用;

(2)熔點(diǎn)要低于所有焊料的熔點(diǎn);

(3)在焊接溫度下能形成液狀,具有保護(hù)金屬表面的作用;

(4)熔化時(shí)不產(chǎn)生飛濺或飛沫;

(5)不產(chǎn)生有害氣體和有強(qiáng)烈刺激性的氣味;

(6)不導(dǎo)電,無腐蝕性,殘留物無副作用。

2)助焊劑的種類

助焊劑一般可分為無機(jī),有機(jī)和樹脂三大類。

(1)無機(jī)助焊劑：此類具有強(qiáng)烈的腐蝕作用,不能在電子產(chǎn)品裝配中使用,只能在特定場(chǎng)合使用,并且焊后一定要清除殘?jiān)?/p>

(2)有機(jī)助焊劑：這類助焊劑由有機(jī)酸、有機(jī)類鹵化物以及各種胺鹽樹脂類等合成。這類助焊劑由于含有酸值較高的成分,因而具有較好的助焊性能,可焊性好。由于此類助焊劑具有一定程度的腐蝕性,殘?jiān)灰浊逑?焊接時(shí)有廢氣污染,因而限制了它在電子產(chǎn)品裝配中的使用。

(3)樹脂類助焊劑：這類助焊劑在電子產(chǎn)品裝配中應(yīng)用較廣,其主要成分是松香。在加熱情況下,松香具有去除焊件表面氧化物的能力,同時(shí)焊接后形成的膜層具有覆蓋和保護(hù)焊點(diǎn)不被氧化腐蝕的作用。由于松脂殘?jiān)鼮榉歉g性、非導(dǎo)電性,非吸濕性,焊接時(shí)沒有什么污染,且焊后容易清洗,成本又低,所以這類助焊劑至今還被廣泛使用。

3)助焊劑主要性能

無機(jī)系列：一般無機(jī)助焊劑化學(xué)作用強(qiáng),腐蝕作用大。錫焊性好。但對(duì)電路元件有破壞作用,焊后必須清洗干凈。

樹脂系列：松香系列助焊劑在PCB焊接較常用。在應(yīng)用時(shí),分為前涂覆和后涂覆。在焊接前涂覆在PCB板上,既可以防止銅箔表面的再氧化,又便于PCB的的保存。

3.3 阻焊劑

阻焊劑是一種耐高溫的涂料。在焊接時(shí)可將不需要焊接的部位涂上阻焊劑保護(hù)起來,使焊接僅在需要焊接的焊接點(diǎn)上進(jìn)行。阻焊劑廣泛用于浸焊和波峰焊。

1)對(duì)阻焊劑的要求

阻焊劑是通過絲網(wǎng)漏印方法印制在印制板上的,因此要求它粘度適宜,不封網(wǎng),不潤(rùn)圖像,以滿足漏印工藝的要求。

2)阻焊劑的種類

按成膜方法,阻焊劑可分為熱固化型、紫外線光固化型及電子束漫射固化型等幾種。

(1)熱固化型阻焊劑：熱固化型阻焊劑的成膜材料有酚醛樹脂,環(huán)氧樹脂、氨基樹脂、醇酸樹脂等。它們可以單獨(dú)或混合使用,也可以改性使用。通常把它們制成液體,通過絲網(wǎng)漏印在板上,然后加溫固化形成一層阻焊膜。

(2)紫外線光固化阻焊劑：紫外線光固化阻焊劑主要使用的成膜材料是含有不飽和雙鍵的乙烯樹脂。分干膜型和液體印料型。干膜型需經(jīng)過層壓貼膜、紫外線曝光,顯影,然后形成一層阻焊膜。液體印料型是通過絲網(wǎng)模板漏印在印制板上,然后在一定能量紫外光源照射下固化,形成一層阻焊膜。

(3)電子束漫射固化型阻焊劑：電子束漫射固化型阻焊劑與光固化阻焊劑的基本原理相同,但其固化時(shí)無需光引發(fā)劑,只要在一定能量的電子束漫射激發(fā)下,便可形成固化阻焊膜。

4 手工焊接設(shè)備

電烙鐵是電子組裝時(shí)最常用的工具之一,用于焊接、維修、及更換元器件等用途。電烙鐵有普通電烙鐵、調(diào)溫式電烙鐵、恒溫電烙鐵等幾種。

4.1 普通電烙鐵

普通烙鐵就是電熱絲式電烙鐵,這種電烙鐵是靠電流通過電熱絲發(fā)熱而加熱烙鐵頭。普通的電熱絲式電烙鐵又分為內(nèi)熱式和外熱兩種。

內(nèi)熱式：電熱絲置于烙鐵頭內(nèi)部。

外熱式：電熱絲包在烙鐵頭外部。

4.2 調(diào)溫電烙鐵：

用手工焊接SMD器件,或返修SMD器件,要求烙鐵頭的溫度穩(wěn)定,否則,不但會(huì)損傷元器件,甚至還會(huì)損傷多層印刷電路板。因此,在這種情況應(yīng)使用調(diào)溫電烙鐵。

1)手動(dòng)調(diào)溫式電烙鐵

實(shí)際是將烙鐵接到一個(gè)可調(diào)電源上,通過改變調(diào)壓器輸出的交流電壓的大小來調(diào)節(jié)烙鐵溫度。

2)自動(dòng)調(diào)溫式電烙鐵

這種烙鐵的典型產(chǎn)品如日本白光公司的HAKO928。它靠溫度傳感器監(jiān)測(cè)烙鐵頭的溫度,并通過放大器將溫度傳感器輸出信號(hào)放大,控制給烙鐵供電的電源電壓,當(dāng)烙鐵頭的溫度與設(shè)定溫度相差較大時(shí),以較大的電壓加熱,當(dāng)烙鐵頭的溫度與設(shè)定的溫度相差較小時(shí),以較小的電壓加熱。

4.3 恒溫電烙鐵

所謂恒溫電烙鐵是指溫度非常穩(wěn)定的電烙鐵。這種烙鐵的工作特點(diǎn)是：

1)升溫快,TIP能在4s內(nèi)自動(dòng)升溫到所需的溫度。

2)溫度穩(wěn)定性好,TIP頭的加熱溫度可達(dá)到的精度為±1.1℃。

3)符合ESD防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn),特別適合微型電子組件的手工焊接和返修。

5 手工焊接工藝

雖然電子產(chǎn)品廣泛采用機(jī)器(波峰焊或回流焊)焊接,但是,在企業(yè),現(xiàn)在還沒有一種焊接方法可以完全不用手工焊接的。即使在自動(dòng)化程度很高的生產(chǎn)線上,總有一些不規(guī)則元件、或不適合自動(dòng)焊接的元件需要手工焊接。再一種情況是機(jī)器焊接的合格率還做不到100%,總會(huì)有些錯(cuò)裝、漏裝的元件需要修復(fù)。因此手工焊接技術(shù)仍然是一線技術(shù)人員必備的生產(chǎn)技能。有人也許認(rèn)為手工焊接非常容易,沒有技術(shù)含量,其實(shí)不然。正確手工焊接的方法,需要深入理解上述各焊接要素和通過長(zhǎng)期的練習(xí),達(dá)到形意結(jié)合,才能保證焊接的質(zhì)量。

5.1 正確的焊接方法

焊接時(shí)利用TIP頭的對(duì)元件引線和焊盤預(yù)熱,T IP頭與焊盤的平面最好成45°夾角,等待焊金屬溫升至焊接溫度時(shí),再加焊錫絲。被焊金屬未經(jīng)預(yù)熱,而將焊錫直接加在TIP頭上,使焊錫直接滴在焊接部位,這種焊接方法常常會(huì)導(dǎo)致虛焊。

5.2 穿孔器件焊接的步驟

1)預(yù)熱：TIP與元件引腳、焊盤接觸,同時(shí)預(yù)熱焊盤與元件引腳。而不是僅僅預(yù)熱元件。

2)加焊錫：焊錫加焊盤上(而不是僅僅加在元件引腳上),待焊盤溫度上升到使焊錫絲熔化的溫度,焊錫就自動(dòng)熔化。不能將焊錫直接加在tip上使其熔化,這樣會(huì)造成冷焊。

3)加適量的焊錫,然后先拿開焊錫絲。

4)焊后加熱：拿開焊錫絲后,不要立即拿走烙鐵,繼續(xù)加熱使焊錫完成潤(rùn)濕和擴(kuò)散兩個(gè)過程,直到是焊點(diǎn)最明亮?xí)r再拿開烙鐵。

5)冷卻：在冷卻過程中不要移動(dòng)。

5.3 不正確的操作

焊錫加在元件引腳上,而不是焊盤上。焊盤預(yù)熱不好,易造成冷焊。

焊錫加在烙鐵頭上,元件引腳、焊盤沒有預(yù)熱,造成虛焊。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)焊接過程中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)、材料及工具的介紹。使我們?cè)诠ぷ髦心苷_掌握、使用,達(dá)到控制焊接質(zhì)量的目的。

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