一般焊接原理與實用性
一般焊接原理與實用性 1.前言 電子工業(yè)必須用到的焊錫焊接（Soldering）可簡稱為“焊接”，其操作溫度不超過400℃ （焊點強度也稍嫌不足）者，中國國家標(biāo)準(zhǔn)（CNS）稱為之“軟焊”，以有別于溫度較高的 “硬焊”（Brazing，如含銀銅的焊料）。至于溫度更高(800℃以上)機械用途之Welding， 則稱為熔接。由于部份零件與電路板之有機底材不耐高溫，故多年來電子組裝工業(yè)一向 選擇此種焊錫焊接為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序。由于焊接制程所呈現(xiàn)的焊錫性（Solderability）與 焊點強度（Joint Strength）均將影響到整體組裝品的品質(zhì)與可靠度，是業(yè)者們在焊接方面所長期追求與 面對的最重要事項。 2.焊接之一般原則 本文將介紹波焊（Wave Soldering）、熔焊（Reflow Soldering）及手焊 (Hand Soldering）三種制程及應(yīng)注意之重點，其等共同適用之原則可先行歸納如下： 2.1空板烘烤除濕(Baking) 為了避免電路板吸水而造成高溫焊接時的爆板、濺錫、吹孔、焊點空洞等困擾起見，已 長期儲存的板子（最好為20℃，RH30%）應(yīng)先行烘烤，以除去可能吸入的水份。其作業(yè)溫 度與時間之匹配如下：（若劣化程度較輕者，其時間尚可減半）。 溫度（℃）時間（hrs.） 120℃ 3.5~7小時 100℃ 8~16小時 80℃ 18~48小時 烘后冷卻的板子要盡快在2~3天內(nèi)焊完，以避免再度吸水續(xù)增困擾。 2.2預(yù)熱（Preheating） 當(dāng)電路板及待焊之諸多零件，在進入高溫區(qū)（220℃以上）與熔融焊錫遭遇之前，整體組 裝板必須先行預(yù)熱，其功用如下： (1)可趕走助焊劑中的揮發(fā)性的成份，減少后續(xù)輸送式快速量產(chǎn)焊接中的濺錫，或PTH孔 中填錫的空洞，或錫膏填充點中的氣洞等。 > (2)提升板體與零件的溫度，減少瞬間進入高溫所造成熱應(yīng)力（Thermal Stress）的各種危害，并可改善液態(tài)融錫進孔的能力。 > > (3)增加助焊劑的活性與能力，使更易于清除待焊表面的氧化物與污物，增加其焊錫性 ，此點對于“背風(fēng)區(qū)”等死角處尤其重要?！?> > 2.3助焊劑（Flux） > > 清潔的金屬表面其所具有的自由能（Free Energy），必定大于氧化與臟污的表面。自由能較大的待焊表面其焊錫性也自然會好。 助焊劑的主要功能即在對金屬表面進行清潔，是一種化學(xué)反應(yīng)?，F(xiàn)將其重點整理如下： > > (1)化學(xué)性：可將待焊金屬表面進行化學(xué)清潔，并再以其強烈的還原性保護(即覆蓋）已 完成清潔的表面，使在高溫空氣環(huán)境的短時間內(nèi)不再生銹，此種能耐稱之為助焊劑活性 （Flux Activity）。 > > (2)傳熱性：助焊劑還可協(xié)助熱量的傳遞與分布，使不同區(qū)域的熱量能更均勻的分布。 > > (3)物理性：可將氧化物或其它反應(yīng)后無用的殘渣，排開到待焊區(qū)以外的空間去，以增 強其待焊區(qū)之焊錫性。 > > (4)腐蝕性：能夠清除氧化物的化學(xué)活性，當(dāng)然也會對金屬產(chǎn)生腐蝕的效果， 就焊后產(chǎn)品的長期可靠度而言，不免會造成某種程度上的危害。故一般配方都刻意使其 在高溫中才展現(xiàn)活性，而處于一般常溫環(huán)境中則盡量維持其安定的隋性。不過當(dāng)濕度增 加時，則還是難保不出問題。故電子工業(yè)一向都采用較溫和活性之Flux為主旨，尤其在 放棄溶劑清潔制程后（水洗反而更會造成死角處的腐蝕），業(yè)界早己傾向No Clean既簡化制程又節(jié)省成本之“免洗”制程了。此時與組裝板永遠共處之助焊劑，當(dāng)然在 活性上還要更進一步減弱才不致帶來后患。 > > 3.手焊(Head Soldering) > > 當(dāng)大批量自動機焊后，發(fā)現(xiàn)局部少數(shù)不良焊點時，或?qū)Ω邷孛舾械慕M件等，仍將動用到 老式的手焊工藝加以補救。廣義的手焊除了錫焊外，尚另有銀焊與熔接等。 > 早期美國海軍對此種手工作業(yè)非常講究，曾訂有許多標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序（SOP）以及考試、認 證、發(fā)照等嚴(yán)謹(jǐn)制度。其對實做手藝的尊重，絲毫不亞于對理論學(xué)術(shù)的崇尚。 > > 3.1焊槍（Soldering Gun）手焊 > > 此為最基本的焊接方式，其首要工具之焊槍亦俗稱為烙鐵。其中的發(fā)熱體與烙鐵頭（t ip）可針對焊錫絲（Soldering Wire）與待加工件（Workpiece）提供足夠的熱量，使其得以進行高溫的焊接動作。由于 加熱過程中焊槍之變壓器也會附帶產(chǎn)生節(jié)外生枝的電磁波，故焊槍還須具備良好的隔絕 （Isolation）功能，以避免對PCB板面敏感的IC組件造成“電性壓力”（Electric Overstress; EOS）或“靜電釋放”Electrostatic Discharge; ESD）等傷害。 > > 焊槍選擇應(yīng)注意的項目頗多，如烙鐵頭形狀須適合加工的類型，溫度控制（±> 5℃）的靈敏度、熱量傳導(dǎo)的快速性、待工溫度（Idle Temp.）中作業(yè)前回復(fù)溫度(Recovery Temp.）之夠快夠高夠穩(wěn)，操作的方便性、維修的容易度等均為參考事項。 > > 3.2焊錫絲（Solder Wire） > > 系將各種錫鉛重量比率所組成的合金，再另外加入夾心在內(nèi)的固體助焊劑焊芯，而抽拉 制成的金屬條絲狀焊料，可用以焊連與填充而成為具有機械強度的焊點Solder Joint）者稱之。其中的助焊劑要注意是否具有腐蝕性，焊后殘渣的絕緣電阻（Insulat ion Resistance，一般人隨口而出的“絕緣阻抗”是不正確的說法）是否夠高，以免造成后續(xù) 組裝板電性絕緣不良的問題。甚至將來還會要求“免洗”（No Clean）之助焊劑，其評估方法可采IPC-TM- 650中2.6.3節(jié)的“濕氣與絕緣電阻”進行取舍。有時發(fā)現(xiàn)焊絲中助焊劑的效力不足時，也 可另行外加液態(tài)助焊劑以助其作用，但要小心注意此等液態(tài)助焊劑的后續(xù)離子污染性。 > > 3.3焊槍手焊過程及要點 > > (1)以清潔無銹的鉻鐵頭與焊絲，同時接觸到待焊位置，使熔錫能迅速出現(xiàn)附著與填充 作用，之后需將烙鐵頭多余的錫珠錫碎等，采用水濕的海棉予以清除。 > > (2)熔入適量的錫絲焊料并使均勻分散，且不宜太多。其中之助焊劑可供提清潔與傳熱 的雙重作用。 > > (3)烙鐵頭須連續(xù)接觸焊位，以提供足夠的熱量，直到焊錫已均勻散布為止。 > > (4)完工后，移走焊槍時要小心，避免不當(dāng)動作造成固化前焊點的擾動，進而對焊點之 強度產(chǎn)生損傷。 > > (5)當(dāng)待加工的PCB為單面零件組裝，而其待焊點面積既大且多者，可先將其無零件之另 一面板貼在某種熱盤上進行預(yù)熱；如此將可加快作業(yè)速與減少局部板面的過熱傷害，此 種預(yù)熱也可采用特殊的小型熱風(fēng)機進行。 > > (6)烙鐵頭（tip）為傳熱及運補錫料的工具，對于待加工區(qū)域應(yīng)具備最大的接觸面積， 以減少傳熱的時間耗損。又為強化輸送焊錫原料的效率，與表面必須維持良好的焊錫性 ，以及不可造成各種殘渣的堆積起見，一旦烙鐵頭出現(xiàn)氧化或過度污染時則須加以更換 。 > > (7)小零件或細腿處的手焊作業(yè)，為了避免過熱的傷害起見，可另外加設(shè)臨時性散熱配 件，如金屬之鱷魚夾等。 > > 4.浸焊(Immersion Soldering) > > 此為最早出現(xiàn)的簡單做法，系針對焊點較簡單的大批量焊接法（Mass Soldering），目前一些小工廠或?qū)嶒炞龇ㄈ栽谑褂?。系將安插完畢的板子，水平裝在框 架中直接接觸熔融錫面，而達到全面同時焊妥的做法。其助焊劑涂布、預(yù)熱、浸焊與清 潔等連續(xù)流程，可采手動或自動輸送化，則端視情況而定，但多半是針對PTH插孔焊接而 實施浸焊。SMD之貼裝零件則應(yīng)先行點膠固定才可實施，錫膏定位者則有脫落的麻煩。 > > 5.波焊(Wave Soldering) > > 系利用已熔融之液錫在馬達幫浦驅(qū)動之下，向上揚起的單波或雙波，對斜向上升輸送而 來的板子，從下向上壓迫使液錫進孔，或?qū)c膠定位SMD組件的空腳處，進行填錫形成焊 點，稱為波焊，大陸術(shù)語稱為“波峰焊”。此種“量焊”做法已行之有年，即使目前之插裝 與貼裝混合的板子仍然可用。現(xiàn)將其重點整理如下： > > 5.1助焊劑 > > 波焊聯(lián)機中其液態(tài)助焊劑在板面涂布之施工，約有泡>i型、波浸型與噴灑型等三種方式 ，即： > > 5.1.1泡>i型Flux： > > 系將“低壓空氣壓縮機”所吹出的空氣，經(jīng)過一種多孔性的天然石塊或塑料制品與特殊濾 心等（孔徑約50~60骻），使形成眾多細碎的氣泡，再吹入助焊劑儲池中，即可向上揚涌 出許多助焊劑泡>i。當(dāng)組裝板通過上方裂口時，于是板子底面即能得到均勻的薄層涂布 。并在其離開前還須將多余的液滴，再以冷空氣約50~60℃之斜向予以強力吹掉，以防對 后續(xù)的預(yù)熱與焊接帶來煩惱。并可迫使助焊劑向上涌出各PTH的孔頂與孔環(huán)，完成清潔動 作。至于助焊劑本身則應(yīng)經(jīng)常檢測其比重，并以自動添加方式補充溶劑中揮發(fā)成份的變 化。 > > 5.1.2噴灑型Spray Fluxing： > > 常用于免洗低固形物（Low Solid；固含量約1~3%）之助焊劑，對早先松香 (Rosin)型固形物較高的助焊劑則并不適宜。由于較常出現(xiàn)堵塞情形，其協(xié)助噴出之氣體 宜采氮氣，既可防火又能減低助焊劑遭到氧化的煩惱。其噴射的原理也有數(shù)種不同的做 法，如采不銹鋼之網(wǎng)狀滾筒（Rotating Drum）自液中帶起液膜，再自筒內(nèi)向上吹出氮氣而成霧狀，續(xù)以氮氣向上吹出等方式進 行涂布。 > > 5.1.3波峰型Wave Flux： > > 直接用幫浦及噴口向上揚起液體，于狹縫控制下，可得到一種長條形的波峰，當(dāng)組裝板 底部通過時即可進行涂布。此法可能呈現(xiàn)液量過多的情形，其后續(xù)氣刀Air Knife）的吹刮動作則應(yīng)更為徹底才行。此種機型之價格較泡>i型稍貴，但卻比噴灑型便 宜，其中溶劑的揮發(fā)量也低于泡>i型。 > > 5.2預(yù)熱 > > 一般波焊前的預(yù)熱若令朝上板面升溫到65～121℃之間即可，其升溫速率約2℃／S～40℃／ S之間。預(yù)熱不足時助焊劑之活性發(fā)揮可能未達極致，則焊錫性很難達到最佳地步。且在 揮發(fā)份尚未趕光之下，其待焊表面的助焊劑粘度仍低時，將導(dǎo)致焊點的縮錫（Dewettin g）與錫尖（Solder Icicles）等缺失。但預(yù)熱溫度太高時，則又可能會對固形物太低的免洗助焊劑不利，此 點須與助焊劑供貨商深入了解。 > > 5.3波焊 > > 5.3.1錫溫管理： > > 目前錫池中焊料的合金成份仍以Sn 63/Pb37與Sn 60/Pb40者居多，故其作業(yè)溫度控制以260o5℃為宜。但仍須考量到待焊板與零件之總體重 量如何。大型者尚可升溫到280℃，小型板或?qū)崃刻舾械漠a(chǎn)品，則可稍降到230℃，均 為權(quán)宜的做法。且還須與輸送速度及預(yù)熱進行搭配，較理想的做法是針對輸送速度加以 變換，而對錫溫則以不變?yōu)橐?，因錫溫會影響到融錫的流動性（Fluidity），進而會沖 擊到焊點的品質(zhì)。且焊溫升高時，銅的溶入速率也會跟著增快，非常不利于整體焊接的 品質(zhì)管理。 > > 5.3.2波面接觸： > > 自組裝板之底面行進接觸到上涌的錫波起，到完全通過脫離融錫涌出面的接觸為止，其 相互密貼的時程須控制在3- 6秒之間。此種接焊時間的長短，取決于輸送速度（Conveyor Speed）及波形與浸深等三者所組成的“接觸長度”；時程太短焊錫性將未完全發(fā)揮，時程 太長則會對板材或敏感零件造成傷害...
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