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PCBA大讲堂:焊接原理与手动焊接技巧解说

发布时间 :2018-11-29 09:37 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
亚洲城娱乐老虎机_PCBA大讲堂:焊接原理与手动焊接技巧解说
焊接作业是PCBA加工中相当重要的一个环节,虽然现今的自动焊接工艺(表面贴焊(SMT)波峰焊接(Wave Soldeirng))已经非常的普遍,但是人工手动焊接(Toucu up)仍然无法完全避免,尤其在修补(Repair)作业当中更无法以自动焊接来取代。
 
不熟练的人工焊接工艺不仅会产生品质上的焊接缺点(冷焊、空焊、假焊、架桥、短路)导致电路动作不正常,更严重的甚至有可能在焊接时损坏电子元件,或者在通电后烧毁元件。因此,如何确实的让所有从事电子制造的人员都了解到焊接的原理与观念并且实做,才能有效确保并提升电子产品的焊接品质,并降低不良成品的机率,甚至可以延长产品的寿命。
 
为什么要焊接?
焊接的主要功能在连接各个各自独立的电子元件以达到电子讯号互相交流的目的,其次是为了将电子元件固定于电路板上,否则电子元件动不动就掉落下来不就无法作用了。
 
文章最前面的图示为电路板的剖面图,在图片中我们可以看到焊锡与铜箔焊垫、零件引脚之间的关系。零件引脚靠着焊锡与PCB的铜箔焊垫连接,铜箔焊垫连结到其他的零件引脚,如此构成一个完整的电子电路。
 
什么是焊接?
简单来说,焊接(Soldering)就是在两种金属之间加入一种熔点比两种金属都要低的金属焊料,这种焊料还必须可以跟两种金属互相作用产生化学反应,最后形成介面金属共化物(IMC),使其互相结合在一起。
 
手动人工焊接的作法是利用「电烙铁(iron)」将两金属同时加热并加入焊锡将其熔化,利用熔融的焊锡渗透到电子元件引脚以及电路板上的铜箔焊垫交接的缝隙并且覆盖双方,最后将双方彼此结合固化在一起,并作为电气讯号传导的中继媒介。
 
所以对于焊料有下面三个要求:
▪ 熔点要低。温度不可太高以免找不到可以作业的材料,温度也不可以低于电子产品的操作与储存温度。
▪ 具备一定的电子传导能力。导体或半导体。
▪ 具有一定的焊接强度,并且具备一定抗冲击的能力
 
基于以上要求,现今的PCBA加工一般采用「」为基材的合金来当作焊料,所以称之为「焊锡」,而电子元件的引脚及电路板则几乎都采用「铜」材料并电镀镍、锡、银之类金属于表面最为焊接金属。
 
采用「合金」是为了可以降低焊料的熔点,还可以因应各种焊接的需求,比如添加少量「银」是为了可以得到更好的润湿、加强焊点强度、提高抗疲劳性。锡膏中加入少量的「铜」则可以改善焊点强度,少量的铜也可以降低焊料对烙铁头的熔蚀作用。
 
关于为什么原本两个熔点都很高的金属,以一定比率混在一起之后其共熔点反而会大大降低,这其实是个很有趣的题目,有兴趣的朋友可以先参考这一篇文章【锡铅的二元平衡金相图】。
 
焊接原理
焊接的原理说穿了也没有什么大学问,就是利用「温度」来融化焊锡并连接电子元件与电路板,等到温度冷却低于熔点后焊锡就会固化并连接在一起。
 
可是人工焊接无法像SMT回焊炉做全面加热,因为人无法承受那样的高温,于是就设计出了「电烙铁」单点热源来加热于待焊接物体与焊锡,这时候有效率的「热」传导就变得非常重要。
 
手动焊接利用电烙铁产生的热能来将零件引脚与铜箔焊垫迅速升温到焊锡熔点以上的温度,但又不能高到融化元件与电路板的温度,然后将焊锡丝靠在已加热的区域,原本固态的锡丝接触到超过熔点的温度后会自然转变成液态并且均匀的流布于整个焊点与引脚之间及其周围,当电烙铁移开后,缺少了热源的液态焊锡会自然冷却,当温度低于焊锡熔点后即固化完成焊接工作。
 
从以上的说明中,有几个注意事项需要特别留意:
▪ 最佳的电烙铁加热原则应该在最短的时间内,用最低的温度来完成最好的焊接品质。这是因为大部分的电子元件及电路板都无法长时间承受过高的温度,否则有可能损坏电子元件或造成铜箔焊垫剥离。再者,长时间加热焊锡也会导致锡丝中的助焊剂挥发完全并失效,反而不利焊接品质。
 
▪ 电烙铁的热容量必须足够。电烙铁的热能是利用电力转化而来,所以其热容量是由功率瓦数来决定的,瓦数越大则热容量越高,热补偿能力也就越好。当烙铁头靠在原本冷却的元件及铜箔焊垫,热量就开始往低处溢流,电烙铁必须持续且稳定地提供足够的热能才能满足加热的需求,如果瓦数太小,就会造成加热温度不稳或是温度不足,造成焊接不上的假焊及空焊等缺点。
 
有些电路板的焊垫连接在大面积铜箔上,且没有设计【热阻(thermal relief)】,它们的吸热速度更是恐怖,这时候除了选用大功率的电烙铁外,还得选用形状较大的烙铁头(tip),比如刀型烙铁头,以增加其接触面积,加强热传导的效率。
 
何谓良好的焊接效果?
▪ 良好的焊接是让焊锡可以渐渐地扩散。
▪ 焊锡与焊锡面及元件引脚应该呈现自然的弧形。
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如何正确使用电烙铁手动焊接电子元件于电路板?
▪ 使用烙铁头焊接时,建议要先用烙铁头同时加热电路板上的铜箔焊垫与电子元件的引脚约1~2秒使其升温到一定温度,可以同时先喂少量的焊锡料在烙铁头的尖端,以增加烙铁头与待焊接物的接触面积,使热能可以更有效率的传递到铜箔焊垫与电子元件引脚。
 
▪ 等到待焊接物的温度上来之后才将大量的锡丝喂给烙铁头,这样才能确保焊锡真的润湿到需要焊接的铜箔焊垫与引脚之间,甚至将它们包覆在一起。
 
▪ 切忌在铜箔焊垫与引脚温度还未上升前就一口气把所有的焊料都喂给烙铁头,这样会让过多的焊锡溢流到一些温度还未上升的地方,容易造成包焊、假焊等不良现象。
 
▪ 如果是较大的焊点,建议要适当的移动烙铁头至焊点的另一侧继续焊接作业,以加速焊锡填充区域,因为光靠焊锡的自然流动,有时候并不能有小的分布到整个焊点的缝隙与接合处。
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▪ 当烙铁头接触到电路板的焊垫及元件的引脚后一定要确保在最短时间内完成焊接,然后移除热源。无铅锡丝SAC305的熔点为217˚C,而一般烙铁的温度则会落在350~380˚C之间,高温长时间对着焊点局部加热非常容易损害电子元件及电路板,不是金属材质受不了,而是塑胶料件及黏胶受不了,还得考虑材料的热膨胀系数(CTE)问题。
 
▪ 使用电烙铁焊接完成后必须快速将烙铁头移除焊接处。如果移除太慢会形成焊锡拉尖,这是因为液态的焊锡会跟着高温的烙铁头移动,当烙铁头离开焊点一段距离后焊锡会被拉断而形成拉丝尖头,快速移除烙铁头在焊锡拉断时可以促使拉尖的焊锡回弹回至焊点,焊点的余温可以吸收回弹的焊锡形成漂亮的弧形。


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