焊接工艺的质量分析和质量控制＊

2011-01-15

舰船电子工程 2011年6期

(武汉数字工程研究所武汉 430074)

1 引言

焊接是电子产品组装过程中的重要工艺。焊接质量的好坏,直接影响电子电路及电子装置的工作性能。优良的焊接质量,可为电路提供良好的稳定性、可靠性,不良的焊接方法会导致元器件损坏,给测试带来很大困难,有时还会留下隐患,影响电子设备的可靠性。随着电子产品复杂程度的提高,使用的元器件越来越多,有些电子产品(尤其是有些大型电子计算机设备)要使用几百上千个元器件,焊点数量则成千上万。而一个不良焊点都会影响整个产品的可靠性。焊接质量是电子产品质量的关键。因此,对焊接质量进行分析和实施控制是十分重要的。

本文主要是对锡铅焊接工艺、焊料和焊剂的选用、手工焊接技术和自动焊接技术等进行分析探讨,以确保焊接质量,提高计算机产品的可靠性。

2 焊接工艺的基本环节

2.1 锡焊分类及特点

焊接一般分三大类：熔焊、接触焊和钎焊。

1)熔焊

熔焊是指在焊接过程中,将焊件接头加热至熔化状态,在不外加压力的情况下完成焊接的方法。如电弧焊、气焊等。

2)接触焊

在焊接过程中,必须对焊件施加压力(加热或不加热)完成焊接的方法。如超声波焊、脉冲焊、摩擦焊等。

3)钎焊

钎焊采用比被焊件熔点低的金属材料作焊料,将焊件和焊料加热到高于焊料的熔点而低于被焊物的熔点的温度,利用液态焊料润湿被焊物,并与被焊物相互扩散,实现连接。

电子产品安装工艺中所谓的“焊接”就是软钎焊的一种,主要使用锡、铅等低熔点合金材料作焊料,因此俗称“锡焊”。

2.2 焊接的机理

所谓焊接是将焊料、被焊金属同时加热到最佳温度,依靠熔融焊料填满被焊金属间隙并与之形成金属合金结合的一种过程。从微观的角度分析,焊接包括两个过程：一个是润湿过程,另一个是扩散过程。

1)润湿(横向流动)

又称浸润,是指熔融焊料在金属表面形成均匀、平滑、连续并附着牢固的焊料层。浸润程度主要决定于焊件表面的清洁程度及焊料的表面张力。金属表面看起来是比较光滑的,但在显微镜下面看,有无数的凸凹不平、晶界和伤痕,熔化的焊料就是沿着这些表面上的凸凹和伤痕靠毛细作用润湿扩散开去的,因此焊接时应使焊锡流淌。流淌的过程一般是松香在前面清除氧化膜,焊锡紧跟其后,所以说润湿基本上是熔化的焊料沿着物体表面横向流动。润湿的好坏用润湿角表示。

2)扩散(纵向流动)

伴随着熔融焊料在被焊面上扩散的润湿现象还出现焊料向固体金属内部扩散的现象。例如,用锡铅焊料焊接铜件,焊接过程中既有表面扩散,又有晶界扩散和晶内扩散。锡铅焊料中的铅只参与表面扩散,而锡和铜原子相互扩散,这是不同金属性质决定的选择扩散。

3)合金层(界面层)

扩散的结果使锡原子和被焊金属铜的交接处形成合金层,从而形成牢固的焊接点。

只有在焊锡和元件的交接面形成的合金层,才能使焊锡与元件牢固连接;只有焊锡与焊盘金属的表面有合金层形成,焊锡才能牢固的附着在电路板板上;只有这两个合金层都很好,才能使元件牢固的固定在电路板的焊盘上。

2.3 焊接要素

焊接是综合的、系统的过程,焊接的质量取决于下列要素：

1)焊接母材的可焊性

所谓可焊性,是指液态焊料与母材之间应能互相溶解,即两种原子之间要有良好的亲和力。两种不同金属互熔的程度,取决于原子半径及它们在元素周期表中的位置和晶体类型。锡铅焊料,除了含有大量铬和铝的合金的金属材料不易互溶外,与其他金属材料大都可以互溶。为了提高可焊性,一般采用表面镀锡、镀银等措施。

2)焊接部位清洁程度

焊料和母材表面必须“清洁”,这里的“清洁”是指焊料与母材两者之间没有氧化层,更没有污染。当焊料与被焊接金属之间存在氧化物或污垢时,就会阻碍熔化的金属原子的自由扩散,就不会产生润湿作用。

3)助焊剂

助焊剂可破坏氧化膜、净化焊接面,使焊点光滑,明亮。电子装配中的助焊剂是松香。

4)焊接温度和时间

焊锡的最佳温度为250±5℃,最低焊接温度为240℃。温度太低易形成冷焊点。高于260℃易使焊点质量变差。焊接时间：完成润湿和扩散两个过程需2～3s,1s仅完成润湿和扩散两个过程的35%。一般集成块、三极管焊接时间小于3s,其他元件焊接时间为4～5s。

5)焊接方法

焊接方法和步骤非常关键,在第四节再详细讨论。

2.4 优良焊点的特征

一个优良的焊点必须具备以下的特征：

1)良好的导电性能：良好的导电性能才能保证电路的互联,一个好的焊点,一般要求焊点的电阻在1～10mΩ之间。

2)良好的机械性能：要求焊点有一定的机械强度,使元器件牢牢固定在印刷电路板上。

3)有良好的外观：保证焊点良好的电气性能和机械性能的条件是焊锡与元件引脚、PCB焊盘形成良好的浸润。

4)焊锡量适当。

焊点上焊锡过少,机械强度低。焊锡过多,会容易造成绝缘距离减小或焊点相碰。

5)不应有毛刺和空隙。

这对高频、高压电子设备极为重要。高频电子设备中高压电路的焊接点,如果有毛刺,则易造成尖端放电。

6)焊点表面要清洁。

焊点表面的污垢一般是焊剂的残留物质,如不及时清除,会造成日后焊点腐蚀。

3 焊料、助焊剂、阻焊剂

焊料和焊剂的性质和成分、作用原理及选用知识是电子组装工艺技术中的重要内容之一,对保证焊接质量具有决定性的影响。

3.1 焊料

凡是用来熔合两种或两种以上的金属面,使之形成一个整体的金属的合金都叫焊料。根据其组成成分,焊料可以分为锡铅焊料、银焊料、及铜焊料。

1)焊锡合金的特性

◦导电性能

相对于铜的导电率,锡铅合金的导电率仅是铜的1/10,即它的导电能力比较差。焊点的电阻与电阻率、焊点的形状、面积等多种因素有关。

◦力学性能

在实际焊接中,即使不考虑焊接过程中所产生的缺陷如空洞和气泡等对强度的影响,焊点强度也经常出现问题。

2)常用焊锡

(1)焊锡丝是手工焊接用的焊料。焊锡丝是管状的,由焊剂与焊锡制做在一起,在焊锡管中夹带固体焊剂。焊剂一般选用特级松香为基质材料,并添加一定的活化剂,如盐酸二乙胺等。

(2)抗氧化焊锡在锡铅合金中加入少量的活性金属,能使氧化锡,氧化铅还原,并漂浮在焊锡表面形成致密复盖层,从而保护焊锡不被继续氧化。

(3)焊膏是表面安装技术中的一种重要贴装材料,由焊粉,有机物和溶剂组成,制成糊状物,能方便地用丝网、模板或点膏机印涂在印制电路板上。

3.2 助焊剂

助焊剂的作用是清除金属表面氧化物,硫化物、油和其它污染物,并防止在加热过程中焊料继续氧化。同时,它还具有增强焊料与金属表面的活性、增加浸润的作用。

1)对助焊剂的要求

(1)有清洗被焊金属和焊料表面的作用;

(2)熔点要低于所有焊料的熔点;

(3)在焊接温度下能形成液状,具有保护金属表面的作用;

(4)熔化时不产生飞溅或飞沫;

(5)不产生有害气体和有强烈刺激性的气味;

(6)不导电,无腐蚀性,残留物无副作用。

2)助焊剂的种类

助焊剂一般可分为无机,有机和树脂三大类。

(1)无机助焊剂：此类具有强烈的腐蚀作用,不能在电子产品装配中使用,只能在特定场合使用,并且焊后一定要清除残渣。

(2)有机助焊剂：这类助焊剂由有机酸、有机类卤化物以及各种胺盐树脂类等合成。这类助焊剂由于含有酸值较高的成分,因而具有较好的助焊性能,可焊性好。由于此类助焊剂具有一定程度的腐蚀性,残渣不易清洗,焊接时有废气污染,因而限制了它在电子产品装配中的使用。

(3)树脂类助焊剂：这类助焊剂在电子产品装配中应用较广,其主要成分是松香。在加热情况下,松香具有去除焊件表面氧化物的能力,同时焊接后形成的膜层具有覆盖和保护焊点不被氧化腐蚀的作用。由于松脂残渣为非腐蚀性、非导电性,非吸湿性,焊接时没有什么污染,且焊后容易清洗,成本又低,所以这类助焊剂至今还被广泛使用。

3)助焊剂主要性能

无机系列：一般无机助焊剂化学作用强,腐蚀作用大。锡焊性好。但对电路元件有破坏作用,焊后必须清洗干净。

树脂系列：松香系列助焊剂在PCB焊接较常用。在应用时,分为前涂覆和后涂覆。在焊接前涂覆在PCB板上,既可以防止铜箔表面的再氧化,又便于PCB的的保存。

3.3 阻焊剂

阻焊剂是一种耐高温的涂料。在焊接时可将不需要焊接的部位涂上阻焊剂保护起来,使焊接仅在需要焊接的焊接点上进行。阻焊剂广泛用于浸焊和波峰焊。

1)对阻焊剂的要求

阻焊剂是通过丝网漏印方法印制在印制板上的,因此要求它粘度适宜,不封网,不润图像,以满足漏印工艺的要求。

2)阻焊剂的种类

按成膜方法,阻焊剂可分为热固化型、紫外线光固化型及电子束漫射固化型等几种。

(1)热固化型阻焊剂：热固化型阻焊剂的成膜材料有酚醛树脂,环氧树脂、氨基树脂、醇酸树脂等。它们可以单独或混合使用,也可以改性使用。通常把它们制成液体,通过丝网漏印在板上,然后加温固化形成一层阻焊膜。

(2)紫外线光固化阻焊剂：紫外线光固化阻焊剂主要使用的成膜材料是含有不饱和双键的乙烯树脂。分干膜型和液体印料型。干膜型需经过层压贴膜、紫外线曝光,显影,然后形成一层阻焊膜。液体印料型是通过丝网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,形成一层阻焊膜。

(3)电子束漫射固化型阻焊剂：电子束漫射固化型阻焊剂与光固化阻焊剂的基本原理相同,但其固化时无需光引发剂,只要在一定能量的电子束漫射激发下,便可形成固化阻焊膜。

4 手工焊接设备

电烙铁是电子组装时最常用的工具之一,用于焊接、维修、及更换元器件等用途。电烙铁有普通电烙铁、调温式电烙铁、恒温电烙铁等几种。

4.1 普通电烙铁

普通烙铁就是电热丝式电烙铁,这种电烙铁是靠电流通过电热丝发热而加热烙铁头。普通的电热丝式电烙铁又分为内热式和外热两种。

内热式：电热丝置于烙铁头内部。

外热式：电热丝包在烙铁头外部。

4.2 调温电烙铁：

用手工焊接SMD器件,或返修SMD器件,要求烙铁头的温度稳定,否则,不但会损伤元器件,甚至还会损伤多层印刷电路板。因此,在这种情况应使用调温电烙铁。

1)手动调温式电烙铁

实际是将烙铁接到一个可调电源上,通过改变调压器输出的交流电压的大小来调节烙铁温度。

2)自动调温式电烙铁

这种烙铁的典型产品如日本白光公司的HAKO928。它靠温度传感器监测烙铁头的温度,并通过放大器将温度传感器输出信号放大,控制给烙铁供电的电源电压,当烙铁头的温度与设定温度相差较大时,以较大的电压加热,当烙铁头的温度与设定的温度相差较小时,以较小的电压加热。

4.3 恒温电烙铁

所谓恒温电烙铁是指温度非常稳定的电烙铁。这种烙铁的工作特点是：

1)升温快,TIP能在4s内自动升温到所需的温度。

2)温度稳定性好,TIP头的加热温度可达到的精度为±1.1℃。

3)符合ESD防护的标准,特别适合微型电子组件的手工焊接和返修。

5 手工焊接工艺

虽然电子产品广泛采用机器(波峰焊或回流焊)焊接,但是,在企业,现在还没有一种焊接方法可以完全不用手工焊接的。即使在自动化程度很高的生产线上,总有一些不规则元件、或不适合自动焊接的元件需要手工焊接。再一种情况是机器焊接的合格率还做不到100%,总会有些错装、漏装的元件需要修复。因此手工焊接技术仍然是一线技术人员必备的生产技能。有人也许认为手工焊接非常容易,没有技术含量,其实不然。正确手工焊接的方法,需要深入理解上述各焊接要素和通过长期的练习,达到形意结合,才能保证焊接的质量。