電路板焊接方法

電路板焊接方法

5.2.1 焊接分類與錫焊的條件

5.2.1.1 焊接的分類

焊接技術在電子工業中的應用非常廣泛，在電子產品製造過程中，幾乎各種焊接方法都要用到，但使用最普遍、最有代表性的是錫焊方法。錫焊是焊接的一種，它是將焊件和熔點比焊件低的焊料共同加熱到錫焊溫度，在焊件不熔化的情況下，焊料熔化並浸潤焊接面，依靠二者原子的擴散形成焊件的連接。其主要特徵有以下三點：

⑴ 焊料熔點低於焊件；

⑵ 焊接時將焊料與焊件共同加熱到錫焊溫度，焊料熔化而焊件不熔化；

⑶ 焊接的形成依靠熔化狀態的焊料浸潤焊接面，由毛細作用使焊料進入焊件的間隙，形成一個合金層，從而實現焊件的結合。

除了含有大量鉻、鋁等元素的一些合金材料不宜採用錫焊焊接外，其它金屬材料大都可以採用錫焊焊接。錫焊方法簡便，只需要使用簡單的工具（如電烙鐵）即可完成焊接、焊點整修、元器件拆換、重新焊接等工藝過程。此外，錫焊還具有成本低、易實現自動化等優點，在電子工程技術里，它是使用最早、最廣、佔比重最大的焊接方法。

5.2.1.2 錫焊必須具備的條件

焊接的物理基礎是「浸潤」，浸潤也叫「潤濕」。要解釋浸潤，先從荷葉上的水珠說起：荷葉表面有一層不透水的臘質物質，水的表面張力使它保持珠狀，在荷葉上滾動而不能攤開，這種狀態叫做不能浸潤；反之，假如液體在與固體的接觸面上攤開，充分鋪展接觸，就叫做浸潤。錫焊的過程，就是通過加熱，讓鉛錫焊料在焊接面上熔化、流動、浸潤，使鉛錫原子滲透到銅母材（導線、焊盤）的表面內，並在兩者的接觸面上形成Cu6-Sn5的脆性合金層。

在焊接過程中，焊料和母材接觸所形成的夾角叫做浸潤角，如圖5.13中的。(a)圖中，當 時，焊料與母材沒有浸潤，不能形成良好的焊點；(b)圖中，當時，焊料與母材浸潤，能夠形成良好的焊點。仔細觀察焊點的浸潤角，就能判斷焊點的質量。

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圖5.9 浸潤與浸潤角

顯然，如果焊接面上有阻隔浸潤的污垢或氧化層，不能生成兩種金屬材料的合金層，或者溫度不夠高使焊料沒有充分熔化，都不能使焊料浸潤。進行錫焊，必須具備的條件有以下幾點：

⑴ 焊件必須具有良好的可焊性

所謂可焊性是指在適當溫度下，被焊金屬材料與焊錫能形成良好結合的合金的性能。不是所有的金屬都具有好的可焊性，有些金屬如鉻、鉬、鎢等的可焊性就非常差；有些金屬的可焊性又比較好，如紫銅、黃銅等。在焊接時，由於高溫使金屬表面產生氧化膜，影響材料的可焊性。為了提高可焊性，可以採用表面鍍錫、鍍銀等措施來防止材料表面的氧化。

⑵ 焊件表面必須保持清潔

為了使焊錫和焊件達到良好的結合，焊接表面一定要保持清潔。即使是可焊性良好的焊件，由於儲存或被污染，都可能在焊件表面產生對浸潤有害的氧化膜和油污。在焊接前務必把污膜清除乾淨，否則無法保證焊接質量。金屬表面輕度的氧化層可以通過焊劑作用來清除，氧化程度嚴重的金屬表面，則應採用機械或化學方法清除，例如進行刮除或酸洗等。

⑶ 要使用合適的助焊劑

助焊劑的作用是清除焊件表面的氧化膜。不同的焊接工藝，應該選擇不同的助焊劑，如鎳鉻合金、不鏽鋼、鋁等材料，沒有專用的特殊焊劑是很難實施錫焊的。在焊接印製電路板等精密電子產品時，為使焊接可靠穩定，通常採用以松香為主的助焊劑。一般是用酒精將松香溶解成松香水使用。

⑷ 焊件要加熱到適當的溫度

焊接時，熱能的作用是熔化焊錫和加熱焊接對象，使錫、鉛原子獲得足夠的能量滲透到被焊金屬表面的晶格中而形成合金。焊接溫度過低，對焊料原子滲透不利，無法形成合金，極易形成虛焊；焊接溫度過高，會使焊料處於非共晶狀態，加速焊劑分解和揮發速度，使焊料品質下降，嚴重時還會導致印製電路板上的焊盤脫落。

需要強調的是，不但焊錫要加熱到熔化，而且應該同時將焊件加熱到能夠熔化焊錫的溫度。

⑸ 合適的焊接時間

焊接時間是指在焊接全過程中，進行物理和化學變化所需要的時間。它包括被焊金屬達到焊接溫度的時間、焊錫的熔化時間、助焊劑發揮作用及生成金屬合金的時間幾個部分。當焊接溫度確定後，就應根據被焊件的形狀、性質、特點等來確定合適的焊接時間。焊接時間過長，易損壞元器件或焊接部位；過短，則達不到焊接要求。一般，每個焊點焊接一次的時間最長不超過5s。

5.2.2 焊接前的準備——鍍錫

為了提高焊接的質量和速度，避免虛焊等缺陷，應該在裝配以前對焊接表面進行可焊性處理——鍍錫。沒有經過清洗並塗覆助焊劑的印製電路板，要按照第5章里介紹過的方法進行處理。在電子元器件的待焊面（引線或其它需要焊接的地方）鍍上焊錫，是焊接之前一道十分重要的工序，尤其是對於一些可焊性差的元器件，鍍錫更是至關緊要的。專業電子生產廠家都備有專門的設備進行可焊性處理。

鍍錫也叫「搪錫」，實際就是液態焊錫對被焊金屬表面浸潤，形成一層既不同於被焊金屬又不同於焊錫的結合層。由這個結合層將焊錫與待焊金屬這兩種性能、成分都不相同的材料牢固連接起來。

5.2.3 手工烙鐵焊接的基本技能

使用電烙鐵進行手工焊接，掌握起來並不困難，但是又有一定的技術要領。長期從事電子產品生產的人們是從四個方面提高焊接的質量：材料、工具、方法、操作者。

其中最主要的當然還是人的技能。沒有經過相當時間的焊接實踐和用心體驗、領會，就不能掌握焊接的技術要領；即使是從事焊接工作較長時間的技術工人，也不能保證每個焊點的質量完全一致。只有充分了解焊接原理再加上用心實踐，才有可能在較短的時間內學會焊接的基本技能。下面介紹的一些具體方法和注意要點，都是實踐經驗的總結，是初學者迅速掌握焊接技能的捷徑。

初學者應該勤於練習，不斷提高操作技藝，不能把焊接質量問題留到整機電路調試的時候再去解決。

5.2.3.1 焊接操作的正確姿勢

掌握正確的操作姿勢，可以保證操作者的身心健康，減輕勞動傷害。為減少焊劑加熱時揮發出的化學物質對人的危害，減少有害氣體的吸入量，一般情況下，烙鐵到鼻子的距離應該不少於20cm，通常以30cm為宜。

電烙鐵有三種握法，如圖5.15所示。

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圖5.10 握電烙鐵的手法示意　　　　

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圖5.11 焊錫絲的拿法

反握法的動作穩定，長時間操作不易疲勞，適於大功率烙鐵的操作；正握法適於中功率烙鐵或帶彎頭電烙鐵的操作；一般在操作台上焊接印製板等焊件時，多採用握筆法。

焊錫絲一般有兩種拿法，如圖5.16所示。由於焊錫絲中含有一定比例的鉛，而鉛是對人體有害的一種重金屬，因此操作時應該戴手套或在操作後洗手，避免食入鉛塵。

電烙鐵使用以後，一定要穩妥地插放在烙鐵架上，並注意導線等其他雜物不要碰到烙鐵頭，以免燙傷導線，造成漏電等事故。

5.2.3.2 手工焊接操作的基本步驟

掌握好電烙鐵的溫度和焊接時間，選擇恰當的烙鐵頭和焊點的接觸位置，才可能得到良好的焊點。正確的手工焊接操作過程可以分成五個步驟，如圖5.17所示。

⑴ 步驟一：準備施焊（圖(a)）

左手拿焊絲，右手握烙鐵，進入備焊狀態。要求烙鐵頭保持乾淨，無焊渣等氧化物，並在表面鍍有一層焊錫。

⑵ 步驟二：加熱焊件（圖(b)）

烙鐵頭靠在兩焊件的連接處，加熱整個焊件全體，時間大約為1～2秒鐘。對於在印製板上焊接元器件來說，要注意使烙鐵頭同時接觸兩個被焊接物。例如，圖(b)中的導線與接線柱、元器件引線與焊盤要同時均勻受熱。

⑶ 步驟三：送入焊絲（圖(c)）

焊件的焊接面被加熱到一定溫度時，焊錫絲從烙鐵對面接觸焊件。注意：不要把焊錫絲送到烙鐵頭上！

⑷ 步驟四：移開焊絲（圖(d)）

當焊絲熔化一定量後，立即向左上45°方向移開焊絲。

⑸ 步驟五：移開烙鐵（圖(e)）

焊錫浸潤焊盤和焊件的施焊部位以後，向右上45°方向移開烙鐵，結束焊接。從第三步開始到第五步結束，時間大約也是1~2s。

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圖5.12 錫焊五步操作法

對於熱容量小的焊件，例如印製板上較細導線的連接，可以簡化為三步操作。

① 準備：同以上步驟一；

② 加熱與送絲：烙鐵頭放在焊件上後即放入焊絲。

③ 去絲移烙鐵：焊錫在焊接面上浸潤擴散達到預期範圍後，立即拿開焊絲並移開烙鐵，並注意移去焊絲的時間不得滯後於移開烙鐵的時間。

對於吸收低熱量的焊件而言，上述整個過程的時間不過2~4s，各步驟的節奏控制，順序的準確掌握，動作的熟練協調，都是要通過大量實踐並用心體會才能解決的問題。有人總結出了在五步驟操作法中用數秒的辦法控制時間：烙鐵接觸焊點後數一、二（約2s），送入焊絲後數三、四，移開烙鐵，焊絲熔化量要靠觀察決定。此辦法可以參考，但由於烙鐵功率、焊點熱容量的差別等因素，實際掌握焊接火候並無定章可循，必須具體條件具體對待。試想，對於一個熱容量較大的焊點，若使用功率較小的烙鐵焊接時，在上述時間內，可能加熱溫度還不能使焊錫熔化，焊接就無從談起。

5.2.3.3 焊接溫度與加熱時間

在介紹錫焊的機理和條件時，已經不止一次講到，適當的溫度對形成良好的焊點是必不可少的。這個溫度究竟如何掌握呢？當然，根據有關數據，可以很清楚地查出不同的焊件材料所需要的最佳溫度，得到有關曲線。但是，在一般的焊接過程中，不可能使用溫度計之類的儀錶來隨時檢測，而是希望用更直觀明確的方法來了解焊件溫度。

經過試驗得出，烙鐵頭在焊件上停留的時間與焊件溫度的升高是正比關係。同樣的烙鐵，加熱不同熱容量的焊件時，想達到同樣的焊接溫度，可以通過控制加熱時間來實現。但在實踐中又不能僅僅依此關係決定加熱時間。例如，用小功率烙鐵加熱較大的焊件時，無論烙鐵停留的時間多長，焊件的溫度也升不上去，原因是烙鐵的供熱容量小於焊件和烙鐵在空氣中散失的熱量。此外，為防止內部過熱損壞，有些元器件也不允許長期加熱。

加熱時間對焊件和焊點的影響及其外部特徵是什麼呢？如果加熱時間不足，會使焊料不能充分浸潤焊件，形成松香夾渣而虛焊。反之，過量的加熱，除有可能造成元器件損壞以外，還有如下危害和外部特徵：

⑴ 焊點的外觀變差。如果焊錫已經浸潤焊件以後還繼續進行過量的加熱，將使助焊劑全部揮發，造成熔態焊錫過熱，降低浸潤性能；當烙鐵離開時容易拉出錫尖，同時焊點表面發白，出現粗糙顆粒，失去光澤。

⑵ 高溫造成所加松香助焊劑的分解炭化。松香一般在210℃開始分解，不僅失去助焊劑的作用，而且在焊點內形成炭渣而成為夾渣缺陷。如果在焊接過程中發現松香發黑，肯定是加熱時間過長所致。

⑶ 過量的受熱會破壞印製板上銅箔的粘合層，導致銅箔焊盤的剝落。因此，在適當的加熱時間裡，準確掌握加熱火候是優質焊接的關鍵。

5.2.3.4 手工焊接操作的具體手法

在保證得到優質焊點的目標下，具體的焊接操作手法可以有所不同，但下面這些前人總結的方法，對初學者的指導作用是不可忽略的。

⑴ 保持烙鐵頭的清潔

焊接時，烙鐵頭長期處於高溫狀態，又接觸助焊劑等弱酸性物質，其表面很容易氧化腐蝕並沾上一層黑色雜質。這些雜質形成隔熱層，妨礙了烙鐵頭與焊件之間的熱傳導。因此，要注意用一塊濕布或濕的木質纖維海綿隨時擦拭烙鐵頭。對於普通烙鐵頭，在腐蝕污染嚴重時可以使用銼刀修去表面氧化層。對於長壽命烙鐵頭，就絕對不能使用這種方法了。

⑵ 靠增加接觸面積來加快傳熱

加熱時，應該讓焊件上需要焊錫浸潤的各部分均勻受熱，而不是僅僅加熱焊件的一部分，更不要採用烙鐵對焊件增加壓力的辦法，以免造成損壞或不易覺察的隱患。有些初學者用烙鐵頭對焊接面施加壓力，企圖加快焊接，這是不對的。正確的方法是，要根據焊件的形狀選用不同的烙鐵頭，或者自己修整烙鐵頭，讓烙鐵頭與焊件形成面的接觸而不是點或線的接觸。這樣，就能大大提高傳熱效率。

⑶ 加熱要靠焊錫橋

在非流水線作業中，焊接的焊點形狀是多種多樣的，不大可能不斷更換烙鐵頭。要提高加熱的效率，需要有進行熱量傳遞的焊錫橋。所謂焊錫橋，就是靠烙鐵頭上保留少量焊錫，作為加熱時烙鐵頭與焊件之間傳熱的橋樑。由於金屬熔液的導熱效率遠遠高於空氣，使焊件很快就被加熱到焊接溫度。應該注意，作為焊錫橋的錫量不可保留過多，不僅因為長時間存留在烙鐵頭上的焊料處於過熱狀態，實際已經降低了質量，還可能造成焊點之間誤連短路。

⑷ 烙鐵撤離有講究

烙鐵的撤離要及時，而且撤離時的角度和方向與焊點的形成有關。圖5.18所示為烙鐵不同的撤離方向對焊點錫量的影響。

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圖5.13 烙鐵撤離方向和焊點錫量的關係

⑸ 在焊錫凝固之前不能動

切勿使焊件移動或受到振動，特別是用鑷子夾住焊件時，一定要等焊錫凝固後再移走鑷子，否則極易造成焊點結構疏鬆或虛焊。

⑹ 焊錫用量要適中

手工焊接常使用的管狀焊錫絲，內部已經裝有由松香和活化劑製成的助焊劑。焊錫絲的直徑有0.5、0.8、1.0、…、5.0mm等多種規格，要根據焊點的大小選用。一般，應使焊錫絲的直徑略小於焊盤的直徑。

見圖5.19，過量的焊錫不但無必要地消耗了焊錫，而且還增加焊接時間，降低工作速度。更為嚴重的是，過量的焊錫很容易造成不易覺察的短路故障。焊錫過少也不能形成牢固的結合，同樣是不利的。特別是焊接印製板引出導線時，焊錫用量不足，極容易造成導線脫落。

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圖5.14 焊點錫量的掌握

⑺ 焊劑用量要適中

適量的助焊劑對焊接非常有利。過量使用松香焊劑，焊接以後勢必需要擦除多餘的焊劑，並且延長了加熱時間，降低了工作效率。當加熱時間不足時，又容易形成「夾渣」的缺陷。焊接開關、接插件的時候，過量的焊劑容易流到觸點上，會造成接觸不良。合適的焊劑量，應該是松香水僅能浸濕將要形成焊點的部位，不會透過印製板上的通孔流走。對使用松香芯焊絲的焊接來說，基本上不需要再塗助焊劑。目前，印製板生產廠在電路板出廠前大多進行過松香水噴塗處理，無需再加助焊劑。

⑻ 不要使用烙鐵頭作為運送焊錫的工具

有人習慣到焊接面上進行焊接，結果造成焊料的氧化。因為烙鐵尖的溫度一般都在300℃以上，焊錫絲中的助焊劑在高溫時容易分解失效，焊錫也處於過熱的低質量狀態。特別應該指出的是，在一些陳舊的書刊中還介紹過用烙鐵頭運送焊錫的方法，請讀者注意鑒別。

5.2.4 焊點質量及檢查

對焊點的質量要求，應該包括電氣接觸良好、機械結合牢固和美觀三個方面。保證焊點質量最重要的一點，就是必須避免虛焊。

5.2.4.1 虛焊產生的原因及其危害

虛焊主要是由待焊金屬表面的氧化物和污垢造成的，它使焊點成為有接觸電阻的連接狀態，導致電路工作不正常，出現連接時好時壞的不穩定現象，雜訊增加而沒有規律性，給電路的調試、使用和維護帶來重大隱患。此外，也有一部分虛焊點在電路開始工作的一段較長時間內，保持接觸尚好，因此不容易發現。但在溫度、濕度和振動等環境條件的作用下，接觸表面逐步被氧化，接觸慢慢地變得不完全起來。虛焊點的接觸電阻會引起局部發熱，局部溫度升高又促使不完全接觸的焊點情況進一步惡化，最終甚至使焊點脫落，電路完全不能正常工作。這一過程有時可長達一、二年，其原理可以用「原電池」的概念來解釋：當焊點受潮使水汽滲入間隙後，水分子溶解金屬氧化物和污垢形成電解液，虛焊點兩側的銅和鉛錫焊料相當於原電池的兩個電極，鉛錫焊料失去電子被氧化，銅材獲得電子被還原。在這樣的原電池結構中，虛焊點內發生金屬損耗性腐蝕，局部溫度升高加劇了化學反應，機械振動讓其中的間隙不斷擴大，直到惡性循環使虛焊點最終形成斷路。

據統計數字表明，在電子整機產品的故障中，有將近一半是由於焊接不良引起的。然而，要從一台有成千上萬個焊點的電子設備里，找出引起故障的虛焊點來，實在不是容易的事。所以，虛焊是電路可靠性的重大隱患，必須嚴格避免。進行手工焊接操作的時候，尤其要加以注意。

一般來說，造成虛焊的主要原因是：焊錫質量差；助焊劑的還原性不良或用量不夠；被焊接處表面未預先清潔好，鍍錫不牢；烙鐵頭的溫度過高或過低，表面有氧化層；焊接時間掌握不好，太長或太短；焊接中焊錫尚未凝固時，焊接元件鬆動。

5.2.4.2 對焊點的要求

⑴ 可靠的電氣連接

焊接是電子線路從物理上實現電氣連接的主要手段。錫焊連接不是靠壓力，而是靠焊接過程形成的牢固連接的合金層達到電氣連接的目的。如果焊錫僅僅是堆在焊件的表面或只有少部分形成合金層，也許在最初的測試和工作中不會發現焊點存在問題，但隨著條件的改變和時間的推移，接觸層氧化，脫離出現了，電路產生時通時斷或者乾脆不工作，而這時觀察焊點外表，依然連接如初。這是電子產品工作中最頭疼的問題，也是產品製造中必須十分重視的問題。

⑵ 足夠的機械強度

焊接不僅起到電氣連接的作用，同時也是固定元器件，保證機械連接的手段。這就有個機械強度的問題。作為錫焊材料的鉛錫合金，本身強度是比較低的，常用鉛錫焊料抗拉強度約為3~4.7kgf/cm，只有普通鋼材的10%。要想增加強度，就要有足夠的連接面積。如果是虛焊點，焊料僅僅堆在焊盤上，自然就談不到強度了。另外，在元器件插裝後把引線彎折，實行鉤接、絞合、網繞後再焊，也是增加機械強度的有效措施。

造成強度較低的常見缺陷是因為焊錫未流滿焊點或焊錫量過少，還可能因為焊接時焊料尚未凝固就發生件振動而引起的焊點結晶粗大（像豆腐渣狀）或有裂紋。

⑶ 光潔整齊的外觀

良好的焊點要求焊料用量恰到好處，表面圓潤，有金屬光澤。外表是焊接質量的反映，注意：焊點表面有金屬光澤是焊接溫度合適、生成合金層的標誌，這不僅僅是美觀的要求。

焊點的外觀檢查，除用目測（或藉助放大鏡，顯微鏡觀測）焊點是否合乎上述標準以外，還包括從以下幾個方面對整塊印製電路板進行焊接質量的檢查：

沒有漏焊；

沒有焊料拉尖；

沒有焊料引起導線間短路（即所謂「橋接」）；

不損傷導線及元器件的絕緣層；

沒有焊料飛濺。

檢查時，除目測外還要用指觸、鑷子撥動、拉線等辦法檢查有無導線斷線、焊盤剝離等缺陷。

5.2.4.3 典型焊點的形成及其外觀

在單面和雙面（多層）印製電路板上，焊點的形成是有區別的：見圖5.20(a)，在單面板上，焊點僅形成在焊接面的焊盤上方；但在雙面板或多層板上，熔融的焊料不僅浸潤焊盤上方，還由於毛細作用，滲透到金屬化孔內，焊點形成的區域包括焊接面的焊盤上方、金屬化孔內和元件面上的部分焊盤，如圖5.20(b)所示。

無論採用設備焊接還是手工焊接雙面印製電路板，焊料都可能通過金屬化孔流向元件面：在手工焊接的時候，雙面板的焊接面朝上，熔融的焊料浸潤焊盤後，焊料會由於重力的作用沿著金屬化孔流向元件面；採用波峰焊的時候，雙面板的焊接面朝下，噴涌的波峰壓力和插線孔的毛細作用也會使焊料流向元件面。焊料凝固後，孔內和元件面焊盤上的焊料有助於提高電氣連接性能和機械強度。所以，設計雙面印製板的焊盤，直徑可以小一些，從而提高了雙面板的布線密度和裝配密度。不過，流到元件面的焊錫不能太多，以免在元件面上造成短路。

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圖5.15 焊點的形成

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圖5.16 典型焊點的外觀

參見圖5.21，從外表直觀看典型焊點，對它的要求是：

① 形狀為近似圓錐而表面稍微凹陷，呈漫坡狀，以焊接導線為中心，對稱成裙形展開。虛焊點的表面往往向外凸出，可以鑒別出來。

② 焊點上，焊料的連接面呈凹形自然過渡，焊錫和焊件的交界處平滑，接觸角儘可能小。

③ 表面平滑，有金屬光澤。

④ 無裂紋、針孔、夾渣。

5.2.4.4 通電檢查

在外觀檢查結束以後認為連線無誤，才可進行通電檢查，這是檢驗電路性能的關鍵。如果不經過嚴格的外觀檢查，通電檢查不僅困難較多，而且可能損壞設備儀器，造成安全事故。例如電源連接線虛焊，那麼通電時就會發現設備加不上電，當然無法檢查。

通電檢查可以發現許多微小的缺陷，例如用目測觀察不到的電路橋接，但對於內部虛焊的隱患就不容易覺察。所以根本的問題還是要提高焊接操作的技藝水平，不能把焊接問題留給檢驗工序去完成。

通電檢查焊接質量的結果及原因分析如表5.2所示。

表5.2 通電檢查焊接質量的結果及原因分析