手工焊培训ppt

1、手工焊接培训手工焊接培训IPC电子电子工艺标准工艺标准 A-610: Sec. 12.2.5.6; J-STD-001: Sec. 9.2.6.8/Table 9-8 国际焊接标准是为了保证长期的焊接可靠性国际焊接标准是为了保证长期的焊接可靠性焊接焊接工艺工艺 焊点焊点的内部构造的内部构造来源来源: R.J. Kleinwassink, 电装电装行业中的焊接行业中的焊接焊点焊点在连接两种材料时有两个关键目的在连接两种材料时有两个关键目的: 1. 2. 持久的机械连接强度持久的机械连接强度这是这是在电子显微镜下所见到新的化学介质层在电子显微镜下所见到新的化学介质层 I M C （金属间化合金属间

2、化合物）它由物）它由 Cu3Sn (e-相相) 和和 Cu6Sn5 (-相相) 两两种物质组成种物质组成要达到要达到持久牢固的机械连接，必须将焊点的温度上升到焊锡熔点以上约持久牢固的机械连接，必须将焊点的温度上升到焊锡熔点以上约30左右左右，及及23秒秒.这时的无这时的无铅焊锡（铅焊锡（SnAgCu）才有可能在焊盘与器件引脚之间形成一种新的化学物质持久地将两者牢固连接）才有可能在焊盘与器件引脚之间形成一种新的化学物质持久地将两者牢固连接.焊接科学和温度控制的重要性焊接科学和温度控制的重要性室内温度室内温度25 30 C(所有材料都是固态的)引脚，焊锡和焊盘之间没有引脚，焊锡和焊盘之间没有连接连

3、接引脚，焊锡和焊盘之间由表面引脚，焊锡和焊盘之间由表面张力粘结在一起张力粘结在一起焊锡熔点温度焊锡熔点温度 217 220 C(液态焊锡流)化合物太多会使机械强度会下降化合物太多会使机械强度会下降高于可接受的温度高于可接受的温度 380 420 C 或更高或更高(化学反应剧烈金属间化合物生长太多)焊接科学和温度控制的重要性焊接科学和温度控制的重要性化学反应使引脚，焊锡和焊盘之间持久化学反应使引脚，焊锡和焊盘之间持久连接连接化学扩散反应的温度化学扩散反应的温度 (在23秒钟时生成的金属间化合物大约为 0.5 m.)Cu3Sn / Cu6Sn5工艺控制工艺控制: 是是 否否1.波峰焊设备温度波峰焊

4、设备温度 255 265C2.回流焊炉温度回流焊炉温度 235 250C3.手工烙铁焊接温度手工烙铁焊接温度 380 450CXXX错误的手工焊接不可能导致良好的错误的手工焊接不可能导致良好的工艺控制，使生产线前功尽弃。工艺控制，使生产线前功尽弃。在一块组装板上只要有一个焊点因在一块组装板上只要有一个焊点因为为过冷过冷或或过热过热焊接，就将导致整块焊接，就将导致整块组装板不能达到它的设计使用寿命组装板不能达到它的设计使用寿命! 290250217时间时间C工艺控制区域工艺控制区域过冷过冷过热过热烙铁头温度烙铁头温度焊点温度焊点温度焊接是一门科学，在所有的焊接工作中都要求工艺控制焊接是一门科学，

5、在所有的焊接工作中都要求工艺控制! 450抗拉强度（抗拉强度（ N/mm2）金属间化合物金属间化合物( m)脆弱的焊点脆弱的焊点没有长期的没有长期的可靠性可靠性!没有连接!工艺控制区工艺控制区温度对于焊点可靠性的影响温度对于焊点可靠性的影响工艺控制区工艺控制区如果焊点如果焊点 太热太热, 产生的金属键化合物太厚，产生的金属键化合物太厚， 焊点的机械强度会降低焊点的机械强度会降低!机械强度机械强度 金属键化合物厚度金属键化合物厚度 温度温度 +时间时间冷焊冷焊!如果焊点如果焊点过冷过冷, 产生金属间化合物太薄，产生金属间化合物太薄，焊点机械强度不够，形成冷焊焊点机械强度不够，形成冷焊!Bad T

6、in-Lead grain structure:Overheat processGood Tin-Lead grain structure:Process controlled过热过热!良好良好!良好的铅锡结晶结构：可控的工艺较差的铅锡结晶结构：过热的工艺典型的无铅合金及应用范围典型的无铅合金及应用范围 合合 金金: 熔熔 点点: 应应 用用:Sn99Cu 230C 锡槽锡槽(低成本低成本但是但是必须使用抗氧化剂或氮气必须使用抗氧化剂或氮气） 要求高的工艺温度要求高的工艺温度 对电路板元件和设备都有伤害。对电路板元件和设备都有伤害。 Sn96Ag4 221C 军用电子、空间电子、军用电子、空间

7、电子、 CCGA元件元件，由于熔点高浸润特由于熔点高浸润特 性象锡铅一样良好。性象锡铅一样良好。但是但是成本高并可能产生银的迁移。成本高并可能产生银的迁移。 SnAgCu 217C 在移动和通信工业中在移动和通信工业中, 由于较高的熔点，比锡铅合金有由于较高的熔点，比锡铅合金有 更高的抗震阻抗。更高的抗震阻抗。但是但是浸润性较差浸润性较差。 无铅焊点的特性无铅焊点的特性:浸润不佳浸润不佳孔洞增加孔洞增加形成须锡形成须锡焊点不光滑焊点不光滑由于无铅焊料最初树枝状的结晶，焊点由于无铅焊料最初树枝状的结晶，焊点表面有更多的颗粒状。表面有更多的颗粒状。“凝固线条凝固线条”或或 “桔皮形状桔皮形状” 影

8、响外观，影响外观，但并不表明是不良的焊点但并不表明是不良的焊点!无铅焊点的特性无铅焊点的特性:l 热量传输速度是关键，热量传输速度越快，助焊剂越能更好的清除氧化物热量传输速度是关键，热量传输速度越快，助焊剂越能更好的清除氧化物并清洁部件。并清洁部件。l 对于可焊性，热量恢复是最重要的。由于工艺温度较高，热量补充不足会对于可焊性，热量恢复是最重要的。由于工艺温度较高，热量补充不足会产生不良影响。产生不良影响。l 低残留物的手工焊接，需要稳定的烙铁头温度，不仅确保清除氧化物，更低残留物的手工焊接，需要稳定的烙铁头温度，不仅确保清除氧化物，更可保证焊剂残留物的全部挥发。可保证焊剂残留物的全部挥发。l

9、 烙铁头的几何形状对于优良的热量传输是很关键的，烙铁头的多种选择性烙铁头的几何形状对于优良的热量传输是很关键的，烙铁头的多种选择性和易更换性对于使用也很重要。和易更换性对于使用也很重要。l 综上所述选用回温速度快、控温能力强，能够在短时间补充温度和热量的综上所述选用回温速度快、控温能力强，能够在短时间补充温度和热量的高品质焊台尤其重要。高品质焊台尤其重要。无铅手工焊接要点无铅手工焊接要点l序言l由于很多公司开始面对无铅焊接的工艺挑战，手工焊接以及相关技术已经被认为是制造中的关键因素，需要更过的研究与发展。l手工焊接一般发生在生产线的末端，这时的PCB板已经具有很高的内在价值，所以手工焊接的过程

10、控制是否正确对生产率与成本的高低有重要的影响。l本文讨论涉及手工焊接的过程控制的几个重要因素并讨论如何适应满足完成无铅焊接的需要。l过程控制l现在许多生产商对衡量手工焊接质量的标准主要靠检查烙铁头的温度。随着无铅焊接温度比传统焊接温度的提高，焊接熔点的提高，需要一种更为全面的衡量标准参数。l IPC 要求在一个固定时间段，手工焊接根据经验要达到最佳的焊点连接温度。它不是强调绝对的焊接温度，而是强调焊点的热交换效率。l诸如烙铁头的形状尺寸，焊接时的功率输出与焊接的时间长短都对焊点的热交换效率有影响， 所以这些因素在检测，控制与分析无铅焊接过程时都应该考虑进去。l所以，手工焊接过程可以分为以下几步

11、：A 烙铁头应该清理干净，上锡，选择合适的形状以保持和焊点/焊盘最大的接触面积B 烙铁头与焊点的接触点的温度应该在焊锡丝熔点以上30c 保持2-3秒，在此期间助焊剂产生作用并挥发，焊锡丝熔化。C 焊锡丝熔化以后，开始覆盖焊点焊盘与通孔。D 烙铁头离开焊点，熔化的焊锡凝固。l 焊接处的温度l 对任何手工焊接过程，焊接点形成的正确温度对于形成优质的焊点都是至关重要的，通过检查焊接点金属层的厚度与内部金属结构可以清楚地分析出焊接中传递给焊点的热量是否正确。l 焊接表面可以反映出焊点焊盘在电路板上形成是否良好。l 控制焊点处金属层厚度对于形成可靠的连接是很重要的。焊点内部金属形成速率与焊接温度与焊接时

12、间有关。如果烙铁提供的温度过高，会增大焊点金属层的体积，从而导致焊点产生易脆的缺陷。提供的温度过低，会使焊点熔化不足。焊点金属层厚度会反映出焊点的质量焊点金属层厚度会反映出焊点的质量 （左侧：温度过低，中间：温度合适，右侧：温度过高）（左侧：温度过低，中间：温度合适，右侧：温度过高）l 如下图，焊脚处的焊点形状与外观可以反映出焊点的质量，不幸的是无铅焊接焊脚与有铅焊接的焊脚外观很不一样无铅焊接的焊脚外观颜色暗（左侧），且有比较大的湿润角度 l 助焊剂的考虑l 烙铁传输的热量正确与否也影响到助焊剂的运用。 l 普通的助焊剂由以下成分组成，它们的沸点如下：l 酸(Adipic, Glutaric)

13、200C-260C l 酒精 (Ethanol, Propanol)78C-180C l 水100C l 酒精与部分酸的沸点低于普通的手工焊接温度。所以为了避免防止助焊剂在过早地挥发，使助焊剂有充分的时间起作用，保证焊接烙铁不要提供焊点过多的热量和过高的温度是很重要的。l 助焊剂的选择对于形成良好的焊点也是重要的。随着焊接温度的提高，氧化的速度也提高，由于无铅焊接具有较弱的亲和力，需要助焊剂有较“强”的作用，所以焊锡丝中的助焊剂含量应该从普通的1%提高到2%（体积百分比）。 l 较强的助焊剂的使用，需要更多的对PCB板的残余焊接物的清洗，因为很多企业已经采用非清洗焊锡膏，增加对残余焊接物的清洗

14、势必增加相应的环境问题。助焊剂越强，助焊剂的残余物越多。l 加热曲线l 为了形成良好的焊接，保证在熔点温度以上40c 的时间在2-5 秒， 我们需要烙铁提供相当的热量。大部分企业采用无铅焊接时，选择的焊锡丝是采用SAC和金（Tin/3.8 Silver/0.7 Copper eutectic ）。它的熔点为217C, 焊接温度则应为247C, 选择SAC合金则为260C.l 按照以上说述，可以得到以下的理论曲线：理论曲线l 当烙铁头和焊锡丝与焊点接触时，我们从上图可以看到温度迅速上升，在这段时间助焊剂挥发并起作用。当温度升到熔点以上时，焊点开始熔化。然后维持大约3秒，烙铁移开，焊点凝固。l 注

15、意上面的曲线，在从液相变为固相时，曲线有一个凹段。l 但是在实际操作上，l 操作者很少能够将烙铁停留到焊点2秒以上，所以实际的曲线是下面的，在短时间内，加热有一个峰区，很多的热量在此传递给焊点。实际的加热曲线l 比较上面2个曲线，可以看到焊点实际达到的温度比推荐的熔点以上40C要高，但时间要短。然而，如果考虑到烙铁传递的热量为温度与时间的函数，2者的热量应该做到差不多才对。l 从下图可以看到2个曲线在熔点217c 以上的面积是相等的。 2条曲线的比较l 为了更说明问题，我们做这样一系列的曲线在4层PCB板通孔上试验获得，一个K型热电偶穿过通孔，通孔的选择是考虑到最少有的手工焊接情况，以适应无铅

16、焊接的普遍情况。这时候，将焊接管脚插入4个同样的孔进行手工焊接。l 我们进行以下比较试验：l 第一组试验是采用常用的凿型烙铁头，烙铁头温度为395C, 采用60/40 Sn/Pb有铅合金焊锡和Sn/Ag/Cu无铅合金焊锡重复试验。l 第2组试验采用无铅焊锡Sn/Ag/Cu在2个不同的烙铁头温度395C and 335C下进行比较试验。l 从第一组的实验结果看出，曲线的峰值温度和在助焊剂作用区温度升高的斜率都是非常相似的。不过你可以看到采用无铅焊接比有铅焊接在时间上有0.2-0.5l 秒的滞后，这很可能是由于无铅焊接Sn/Ag/Cu 合金比有铅焊接Sn/Pb合金有较弱的焊锡亲和力。第二组试验比较

17、2个不同的焊接温度下的情况。可以看到，较低的烙铁头温度有比较长的焊接形成时间，到达最高温度也比较低尽管温度差并不大。令人感兴趣的是，在助焊剂作用区温度升高的速度对于较低温度的烙铁头反而比较快，虽然整个的焊接时间是相似的。 l 由此我们可以得出以下几个结论：l l 由于无铅焊接的Sn/Ag/Cu 合金焊锡的焊接亲和力较弱，焊接的时间有一点延长。l 助焊剂的活化作用与焊点的最高温度受合金成分的影响很小。 l 焊点的最高温度受烙铁头温度的影响比较大，如果你选择了合适的烙铁头尺寸，并且在焊点处有良好的热传导，这一影响在焊接的开始时间会有所减小。 l 客户必须在焊接时间，消耗成本，正确的焊接数量之间选择

18、最佳的平衡点。l 提高焊接温度可以改善无铅焊接的合金焊锡亲和力比较弱的缺点，并且试焊接的时间缩短，但是这样做的危险性是有可能损坏PCB板和芯片，同时会影响助焊剂的作用效果。l 另一个选择是设法 增加和维持较高的热传导效率，这样既可以减少损坏PCB板和芯片的危险，又可以使焊接成本保持尽可能低的水平。l 最佳的热传导。l 标准的烙铁头是由以下成分构成：l 采用铜的原因是它有良好的热传导特性，铁的作用是可以防止铜的耗散并保护铜的外形，最外侧的涂层（必须是无铅焊材料）使烙铁的焊接具有好的沾锡特性-形成好的热传导特性。对这涂层的保护对于形成最佳的热传导极为关键。l (铬与镍的作用是防止在焊接中焊锡渗入烙

19、铁头内部)l 另外一个重要的选择是挑选正确的烙铁头几何形状，它的大小应当与被焊接的元件相当，平的烙铁头比圆的烙铁头有更大的接触面积，从而有更好的热传导特性。烙铁头的形状应当与被焊接物体有类似的形状与尺寸。（左：形状合适，中：型状太小, 右：形状太大）l 烙铁头寿命l 一般来说，所有的烙铁头当采用无铅焊合金涂敷表面以后，寿命都要有所下降，因为：l 锡的含量增大，而锡会腐蚀烙铁头中铁的的涂层。l 无铅合金的熔点较高。烙铁头被腐蚀的速度与温度成比例。.l 铁的涂层有较高的氧化率。l 助焊剂有更强的腐蚀性。l 由于材料本身的特性，烙铁头的被腐蚀是无法避免的。.l 所有的涂层表面都有缺陷存在，如下图的裂缝所示。焊锡熔化以后势必沿这些裂缝往里面渗透。这种损坏被称为初始的损伤，大部分使用时间（约90%）导致烙铁头的这种损伤 大部分使用时间（约90%）导致烙铁头的这种损伤 一旦熔化的焊锡穿透铁的镀层进入到铜的内部，铜材料就会迅速被破坏，烙铁头的寿命就终止。10%的使用时间导致烙铁头这种损坏裂缝的扩散破坏l 增加贴得镀层厚度虽然可以增加烙铁头的使用寿命，但是将导致烙铁