汽車電子元器件焊接工藝中的化學知識與質(zhì)量控制

摘 要：隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接工藝在保證元器件性能和長期穩(wěn)定性方面起到了至關(guān)重要的作用。本文介紹焊接過程中所涉及的化學原理，特別是焊料的成分及其化學反應(yīng)，如錫、銀、銅等合金在高溫下的行為，以及焊接過程中可能產(chǎn)生的金屬氧化物對焊點質(zhì)量的影響。接著，分析焊接溫度、氣氛控制等工藝參數(shù)如何影響化學反應(yīng)及焊接效果，強調(diào)精確控制這些參數(shù)對提高焊接質(zhì)量的重要性。并討論化學檢測方法在質(zhì)量控制中的應(yīng)用，從而確保電子元器件的可靠性和性能。

關(guān)鍵詞：焊接工藝 化學知識 質(zhì)量控制

現(xiàn)代汽車工業(yè)中，電子元器件的廣泛應(yīng)用推動了汽車功能的智能化與高效化。然而，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子元器件的質(zhì)量要求日益提高，對焊接工藝的精度與可靠性提出了更高的挑戰(zhàn)。焊接作為連接電子元器件的核心工藝，其質(zhì)量直接關(guān)系到汽車電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和長期使用性能。焊接過程中涉及的化學反應(yīng)和物質(zhì)變化，如焊料的熔化、金屬的氧化以及焊接氣氛的控制，決定了焊點的強度、導電性以及抗腐蝕性等關(guān)鍵性能。為了確保焊接質(zhì)量和性能，精確的質(zhì)量控制至關(guān)重要，它包括對焊接材料、工藝流程和操作條件的嚴格控制，還需依賴一系列先進的檢測手段，確保焊接缺陷得到及時發(fā)現(xiàn)與修復(fù)。因此，研究汽車電子元器件焊接工藝中的化學知識與質(zhì)量控制，不但是提升焊接技術(shù)水平的必要手段，也是確保汽車電子產(chǎn)品長期可靠性與安全性的關(guān)鍵所在。

1 焊接工藝設(shè)計

1.1 防腐蝕焊接的工藝設(shè)計

由于汽車電子元器件通常暴露于高溫、高濕、振動等極端環(huán)境中，焊接點的抗腐蝕能力至關(guān)重要。為提升焊接點的防腐蝕性，選擇合適的焊料和焊接材料至關(guān)重要。例如，使用無鉛焊料或鍍錫焊料能夠有效減少焊接點的氧化和腐蝕。此外，焊接過程中還需嚴格控制焊接氣氛，如使用氮氣保護焊接或在惰性氣體氛圍下進行焊接，可以有效防止焊接過程中的氧化反應(yīng)，確保焊點表面保持清潔，避免因氧化物的形成影響焊接質(zhì)量。同時，焊接后的表面處理，如涂覆防腐涂層或進行焊接點的后處理（如去氧化物、清洗等），也能顯著提高焊接點的抗腐蝕性能，從而延長汽車電子元器件的使用壽命和穩(wěn)定性?？傊栏g焊接工藝設(shè)計需要綜合考慮材料選擇、焊接環(huán)境和后期處理，以確保焊接點在各種環(huán)境下的可靠性。

1.2 高耐久焊接的工藝設(shè)計

在汽車電子元器件的焊接工藝設(shè)計中，高耐久性焊接是保證元器件在長期使用過程中可靠性的核心。汽車電子元器件通常需在高溫、高頻、振動等惡劣環(huán)境下工作，因此焊接點的耐久性要求更高。為確保焊接點具備良好的耐熱性和抗疲勞性，必須選擇適合的耐高溫焊料和合金材料，例如耐高溫合金焊料或具有優(yōu)異抗氧化性的材料。在焊接過程中，溫度和時間的精確控制尤為重要，過高或過低的溫度可能導致焊點脆弱或熱損傷，從而影響焊接質(zhì)量。此外，針對高頻環(huán)境，還需考慮焊點的導電性和機械強度，避免因頻繁的熱循環(huán)和振動造成焊接接點的疲勞損傷。因此，高耐久焊接的工藝設(shè)計不但需要選擇合適的焊接材料和焊接技術(shù)，還需精細調(diào)控工藝參數(shù)，確保焊接點在極端工作條件下仍能保持長期穩(wěn)定的性能。

2 化學知識在焊接中的應(yīng)用

2.1 焊料的化學成分與焊接性能關(guān)系

焊料是連接金屬表面的介質(zhì)，其成分和比例直接影響焊接點的熔點、流動性、導電性、機械強度及耐腐蝕性。隨著環(huán)保要求的提升，現(xiàn)代焊接工藝逐漸轉(zhuǎn)向無鉛焊料，如錫銀銅（常見為Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5）合金。這種合金具有較高的熔點和抗疲勞性能，適用于汽車電子元器件的高可靠性需求。

焊料中的銀元素能夠提高焊接合金的強度、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，但可能增加成本，并影響高頻電氣性能。銅元素則改善焊接點的機械性能和導電性，但過高的銅含量可能引發(fā)氧化反應(yīng)，影響焊接質(zhì)量。焊料的流動性與其化學成分密切相關(guān)。較高的流動性有助于形成均勻致密的焊接點，避免缺陷如冷焊和虛焊。

2.2 焊接過程的化學反應(yīng)與金屬氧化控制

焊接過程中，金屬表面與空氣中的氧氣接觸，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物，尤其是對于鋁、銅等容易氧化的金屬，這些氧化物會影響焊接的質(zhì)量和性能，導致焊點的導電性下降，甚至導致虛焊和冷焊等缺陷。助焊劑能夠去除金屬表面的氧化物，清潔焊接表面，為焊料的流動和潤濕提供更好的條件，確保焊接質(zhì)量，以回流焊為例，回流焊中的化學反應(yīng)機理較為復(fù)雜，主要涉及焊膏中各成分的變化以及與焊接環(huán)境的相互作用。

焊膏成分及作用：（1）焊料合金粉末：這是焊膏的主要成分之一，通常由錫（Sn）、鉛（Pb）等金屬元素組成，常見的如錫鉛合金（Sn63/Pb37）、無鉛合金（如錫銀銅合金 Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5）等。在回流焊過程中，焊料合金粉末經(jīng)過加熱熔化，在冷卻后凝固形成焊點，起到連接電子元件引腳與印刷電路板（PCB）焊盤的作用。（2）助焊劑：助焊劑是焊膏中的關(guān)鍵成分，主要包含以下幾個方面的功能：（a）清除氧化物：PCB 焊盤和電子元件引腳表面在暴露于空氣中時會形成一層薄薄的氧化物，這會阻礙焊料與金屬表面的良好接觸。助焊劑中的活性劑成分能夠與氧化物發(fā)生化學反應(yīng)，將其去除，例如助焊劑中的有機酸可以與金屬氧化物反應(yīng)生成鹽和水，從而使金屬表面重新變得清潔。反應(yīng)方程式大致為：金屬氧化物 + 有機酸 → 鹽 + 水，以松香基助焊劑為例，其中的成分與金屬氧化物反應(yīng)（假設(shè)金屬為銅）松香中含有松香酸等有機酸成分，其與氧化銅反應(yīng)：2R-COOH+CuO→（R-COO）2Cu+H2O（R這里代表松香酸等有機酸的烴基部分）。（b）降低表面張力：助焊劑可以降低液態(tài)焊料的表面張力，使焊料能夠更好地在 PCB 焊盤和元件引腳之間鋪展，增加焊接的接觸面積，提高焊接的可靠性。（c）防止再氧化：在焊接過程中，助焊劑會在金屬表面形成一層保護膜，阻止氧氣與金屬再次發(fā)生氧化反應(yīng)，保持金屬表面的活性，確保焊接的順利進行。

回流焊過程中的化學反應(yīng)階段：（1）預(yù)熱階段：（a）溶劑揮發(fā)：焊膏中含有一定比例的溶劑，如醇類、醚類等有機溶劑。在預(yù)熱過程中，隨著溫度的逐漸升高，溶劑開始揮發(fā)。這是一個物理變化過程，其目的是去除焊膏中的溶劑，減少焊接過程中可能產(chǎn)生的氣泡等缺陷。如果溶劑揮發(fā)不充分，在后續(xù)的焊接過程中可能會導致焊點內(nèi)部產(chǎn)生空洞，影響焊接質(zhì)量。（b）助焊劑活化：當溫度升高到一定程度時，助焊劑中的活性劑開始被激活，與 PCB 焊盤和元件引腳表面的氧化物發(fā)生化學反應(yīng)，清除氧化物。同時，助焊劑逐漸軟化、塌落，覆蓋在焊盤和引腳表面，將它們與氧氣隔離。（2）回流階段：（a）焊料熔化：當溫度達到焊料合金的熔點時，焊料合金粉末開始熔化，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。例如錫鉛合金的熔點為 183℃左右，無鉛合金的熔點相對較高。在這個過程中，焊料的熔化是一個物理變化，但同時也伴隨著一些化學反應(yīng)。熔化的焊料在助焊劑的作用下，能夠更好地潤濕 PCB 焊盤和元件引腳表面，形成良好的焊接連接。（2）金屬間化合物形成：液態(tài)焊料與 PCB 焊盤和元件引腳表面的金屬發(fā)生相互擴散和反應(yīng)，形成金屬間化合物（IMC）。IMC 是一種金屬與金屬之間通過化學鍵結(jié)合形成的化合物，它的形成對于焊點的機械強度和電氣性能具有重要影響。例如，錫（Sn）與銅（Cu）之間會發(fā)生反應(yīng)生成銅錫金屬間化合物（Cu6Sn5、Cu3Sn等）。反應(yīng)方程式為：（其中 n、m 為反應(yīng)系數(shù)）。IMC 的厚度和質(zhì)量直接關(guān)系到焊點的可靠性，如果 IMC 層過厚或不均勻，可能會導致焊點的脆性增加，影響焊接的長期穩(wěn)定性；而如果 IMC 層過薄，則可能導致焊接強度不足。（3）冷卻階段：該階段主要反應(yīng)是焊點凝固，隨著溫度的降低，液態(tài)焊料逐漸凝固，形成固態(tài)的焊點。在冷卻過程中，焊點的結(jié)構(gòu)和性能逐漸穩(wěn)定。如果冷卻速度過快，可能會導致焊點內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響焊點的機械強度；而如果冷卻速度過慢，可能會使焊點的晶粒結(jié)構(gòu)變得粗大，影響焊點的電氣性能。

總之，回流焊中的化學反應(yīng)機理是一個復(fù)雜的過程，涉及焊膏中各成分的物理變化和化學反應(yīng)，以及與焊接環(huán)境的相互作用。

3 基于化學知識的質(zhì)量控制方法

3.1 控制焊接工藝參數(shù)

焊接溫度和時間是回流焊工藝中最為關(guān)鍵的參數(shù)之一。對于焊接溫度的優(yōu)化，可以通過更精確的溫度控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測和調(diào)整各個階段的溫度。例如，利用先進的傳感器技術(shù)，將溫度控制精度提高到±0.5℃以內(nèi)，確保焊接溫度的穩(wěn)定性。在預(yù)熱階段，可以根據(jù)不同的電子元器件特性和 PCB 板結(jié)構(gòu)，進一步細分溫度區(qū)間，實現(xiàn)更加均勻的升溫。對于熱容量較大的元器件，可以適當延長預(yù)熱時間，確保其充分預(yù)熱，減少熱沖擊。

在回流階段，根據(jù)焊料的熔點和元器件的耐熱溫度，精確調(diào)整峰值溫度?？梢酝ㄟ^實驗和數(shù)據(jù)分析，確定最佳的峰值溫度范圍，以確保焊料充分熔化，同時避免過高溫度對元器件和 PCB 板造成損傷。例如，對于一些特殊的汽車電子元器件，如高溫敏感的傳感器，可以通過降低峰值溫度和延長回流時間的方式，保證焊接質(zhì)量的同時，降低對元器件的熱損傷風險。

焊接時間的優(yōu)化也至關(guān)重要。過長的焊接時間可能導致過度焊接，產(chǎn)生過多的金屬間化合物，降低焊接點的強度；而過短的焊接時間則可能導致焊接不充分，出現(xiàn)冷焊點等問題?？梢酝ㄟ^對回流焊設(shè)備的傳送帶速度進行精確調(diào)整，控制電子元器件在回流焊爐中的停留時間。同時，結(jié)合溫度曲線的優(yōu)化，確保在合適的時間內(nèi)完成焊接過程。例如，對于一些小型的汽車電子元器件，可以適當提高傳送帶速度，縮短焊接時間，提高生產(chǎn)效率。

此外，還可以對助焊劑的使用量和活性進行優(yōu)化。根據(jù)不同的焊接工藝和電子元器件要求，選擇合適的助焊劑類型和用量。通過調(diào)整助焊劑的活性成分，提高其去除氧化物的能力，促進焊料的潤濕和擴散。同時，優(yōu)化助焊劑的揮發(fā)溫度和時間，減少助焊劑殘留對電子產(chǎn)品性能的影響。

3.2 質(zhì)量檢測與化學分析

3.2.1 化學檢測方法的應(yīng)用

在汽車電子元器件焊接質(zhì)量檢測中，化學檢測方法起著至關(guān)重要的作用。其中，原子吸收光譜法是一種常用的化學檢測手段。例如，利用火焰原子吸收光譜法可以測定焊錫中的 Cu、Fe、Ni、Ag 等金屬元素，確定樣品中被測元素的濃度。這種方法能夠滿足焊錫測定的要求，監(jiān)控焊錫的質(zhì)量，避免因微量元素含量超標而造成虛焊或焊接不牢現(xiàn)象。

此外，對于助焊劑的化學特性檢測也十分重要。在焊接過程中，助焊劑的性能直接影響焊接質(zhì)量。檢測助焊劑時要檢測助焊劑的密度、表面張力、熔點、不揮發(fā)物含量、焊后殘留物表面狀態(tài)、免清洗型助焊劑的固體含量和絕緣性能等指標。例如，助焊劑的密度在 23 度時應(yīng)為 0.80 - 0.95g/cm3，免清洗助焊劑應(yīng)在其標稱密度的（100±1.5）％范圍內(nèi)；表面張力應(yīng)比焊料小，潤濕擴展速度比熔融焊料快，擴展率＞85%；熔點比焊料低，在焊料熔化前充分發(fā)揮助焊作用；不揮發(fā)物含量應(yīng)不大于 15%，焊接時不產(chǎn)生焊珠飛濺，不產(chǎn)生毒氣和強烈的刺激性臭味等。

3.2.2 結(jié)合化學分析改進質(zhì)量控制

結(jié)合化學分析結(jié)果可以有效地改進焊接質(zhì)量控制策略。首先，通過化學檢測方法可以及時發(fā)現(xiàn)焊接材料中的化學成分是否符合要求。如果檢測到焊錫中的微量元素含量超標，或者助焊劑的性能不達標，可以及時調(diào)整焊接材料的選擇，更換合適的焊錫和助焊劑。例如，如果發(fā)現(xiàn)焊錫中某種金屬元素含量過高，可能會導致焊接不牢，此時可以選擇微量元素含量符合標準的焊錫進行焊接。

其次，化學分析結(jié)果可以為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供依據(jù)。根據(jù)化學分析結(jié)果，可以了解焊接過程中發(fā)生的化學反應(yīng)情況，從而調(diào)整焊接溫度、時間、壓力等參數(shù)，以減少化學反應(yīng)的不良影響。例如，如果檢測到焊接接頭中存在過多的金屬間化合物，可能是由于焊接溫度過高或時間過長導致的。此時，可以適當降低焊接溫度或縮短焊接時間，以減少金屬間化合物的形成，提高焊接質(zhì)量。

此外，化學分析結(jié)果還可以用于改進焊接后的處理工藝。如果檢測到焊接接頭存在氧化膜或夾雜物等問題，可以采用適當?shù)那逑捶椒ㄈコ@些不良物質(zhì)，提高焊接接頭的質(zhì)量。例如，可以使用特定的清洗劑對焊接接頭進行清洗，去除氧化膜和夾雜物，提高焊接接頭的導電性和可靠性。

總之，在汽車電子元器件焊接質(zhì)量控制中，化學分析是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。通過應(yīng)用化學檢測方法，結(jié)合化學分析結(jié)果改進質(zhì)量控制策略，可以有效地提高汽車電子元器件的焊接質(zhì)量，確保汽車電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

汽車電子元器件的焊接工藝涉及復(fù)雜的化學反應(yīng)與物質(zhì)變化，焊接質(zhì)量直接影響元器件的性能和可靠性。材料的選擇與焊接工藝設(shè)計需要充分考慮金屬的特性，如熱導性、膨脹系數(shù)及氧化性，以確保焊點的強度、導電性和耐腐蝕性。同時，焊料的化學成分，如錫、銀、銅等元素的比例，決定了焊接過程的熔點、流動性和機械強度。焊接過程中，金屬氧化與化學反應(yīng)需嚴格控制，以避免焊接缺陷。

基于化學知識，我們提出了質(zhì)量控制方法。優(yōu)化焊接材料選擇，根據(jù)被焊接金屬的化學性質(zhì)選擇合適的助焊劑和焊料，提高焊接質(zhì)量?？刂坪附庸に噮?shù)，調(diào)整焊接溫度、時間、壓力等參數(shù)，減少化學反應(yīng)的不良影響。在質(zhì)量檢測與化學分析方面，應(yīng)用原子吸收光譜法等化學檢測方法對焊錫和助焊劑進行檢測，結(jié)合化學分析結(jié)果改進質(zhì)量控制策略，及時發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整焊接材料和工藝參數(shù)，改進焊接后處理工藝。

總之，化學知識在汽車電子元器件焊接質(zhì)量控制中起著至關(guān)重要的作用。通過深入研究和應(yīng)用化學知識，可以提高汽車電子元器件的焊接質(zhì)量，確保汽車電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]王鑫，張林立，王曉秋，等.新能源汽車驅(qū)動電機定子用扁銅線焊接工藝探究及接頭性能分析[J].汽車工藝與材料，2024（08）：18-26.

[2]李英杰.基于超聲波塑料焊接工藝的汽車輕量化材料連接研究[J].汽車測試報告，2024（14）：71-73.

[3]袁俊鋒.汽車焊接質(zhì)量控制與缺陷預(yù)防策略研究[J].汽車維修技師，2024（10）：117-120.

[4]崔從俊.電子元器件車規(guī)標準與GJB體系對比分析與建議[J].中國質(zhì)量監(jiān)管，2024（04）：129-131.

[5]陳攀，黃廷福，曾丹，等.汽車鋁制散熱器扁管的典型泄漏分析[J].輕合金加工技術(shù)，2024，52（01）：53-57.