工艺技术_焊接的基础知识培训讲义

人人 工工 焊焊 接接 編輯編輯:紀錫遂紀錫遂 編輯日期編輯日期:2001/12/14 目目 錄錄 1焊接焊接的的基礎知識基礎知識3 1.1焊接的目的.3 1.2焊接的原理.3 1.3良好的焊接形狀3 1.4良好的焊接作品條件4 1.5焊接沾染及沾染性.5 1.6熱的傳導方法5 2焊接材料的基礎知識焊接材料的基礎知識6 2.1錫料.6 2.2松香.7 2.3錫料及松香之混合.8 3人工焊接人工焊接9 3.1一般知識9 3.2實際的人工焊接技術11 3.3插入零件與表面實裝零件之焊接.13 1 焊接的基礎知識焊接的基礎知識 1.1 焊接的目的焊接的目的 焊接是運用於接合兩種金屬,使之得以導通電流;或者是需要於低溫狀態下接合兩 種金屬時;或者是適用於更換品質不良的零組件時所用的技法 焊接的目的焊接的目的: 1.連接電流:接合兩種金屬,使之得以導通電流. 2.物理上的接合:接合兩種金屬,使兩者的相關位置得以固定. 1.2 焊接的原理焊接的原理 所謂焊接就是運用低熔點介質,以及利用金屬間會有毛細管現象,使熔錫得以沾上 兩種金屬之表面的接合作用. 金屬表面乍看來似乎是平滑的,但是如在顯微鏡下看的話,其中會存在有無數的凹 凸不平,或是結晶表面,刮傷等,熔融的銲錫會因毛細孔現象的作用而沿這樣的金屬表面 流入這些縫隙中,而使兩種金屬之界產生結合金屬的作用,再一般的焊接中,會形成合金 層,這個合金層也關係到金屬之間的接合品質,這就是焊接的原理. 毛細管現象:將一根細管子插入液體中時,管中的液體會比外面的液面要高的現象, 為毛細管現象,熔融的銲錫會滲入兩種金屬間的微細縫隙之中的現象也是一種毛細管現 象. 1.3 良好的焊接形狀良好的焊接形狀 從外觀上看來,良好的焊接指的是如下所示之條件: 1.銲錫要流得漂亮銲錫要流得漂亮,尾巴要拉得長尾巴要拉得長. 由此來看,就會顯示熔錫的沾染性及錫量是否適當. 2.焊接結合錫的斜面上必須要有光澤焊接結合錫的斜面上必須要有光澤,明亮而平滑明亮而平滑. 這就表示錫的擴散及生成的合金層是否是當之意 3.熔錫的厚度要薄熔錫的厚度要薄,可以想像到似乎刊得出導線的樣子可以想像到似乎刊得出導線的樣子. 這就是表示供錫量及其沾染性是否適度之意. 4.接合形狀在外觀上不得有異常情形出現接合形狀在外觀上不得有異常情形出現. 意思就是說銲錫的外觀上不得有破損,或是供錫量不足或過多,或是有針孔等缺陷. 必須要超過導線的直徑 之 50%以上 1.4 良好的焊接作品條件良好的焊接作品條件 良好的作業環境必須要有以下的三個條件,如沒有達承認合一項都不能算是良好的 作業條件. 1.要接合的金屬表面是否有差拭乾淨要接合的金屬表面是否有差拭乾淨? 如欲接合的金屬表面有氧化膜,或是各種污物,則會成為焊接時的障礙物,熔 錫不可能會沾染得好.所以必須要將這些污物除去,氧化膜可以利用松香溶劑除去,而 油脂之類的東西則需要利用洗劑(溶劑)去除之. 2.錫料的加熱條件是否再是當的問度範圍之內錫料的加熱條件是否再是當的問度範圍之內?. 如加熱的溫度比錫的熔點低的話,則錫不會熔融再金屬表面而形成漂亮的沾 染性,加熱溫度如過低,擇期沾染及擴散性都會較差,而反之加熱溫度過高的話,則 會產生過多的合金層,無法得到夠強的接合力量,所以必須要在適當的溫度範圍內 加熱. 3.熔錫的供給量是否合適熔錫的供給量是否合適? 應配合接合部分之大小供給適當的錫量,否則會發生接合強度不夠的問題. : 接觸角 : 銲錫表面之頂端和導線外徑頂端之接觸角 氧化皮膜,髒污清潔的表面 適當的焊接斜面 洛鐵棒錫線 基材 1) 焊接表面的清潔 2) 適當的加熱 3) 適當的加錫量 焊接的三個條件 1.5 焊接沾染及沾染性焊接沾染及沾染性 車子如果打過臘的話,下雨時雨水就會像彈起來的水珠一樣,馬上變成水珠流走.但 是沒有塗上臘的話,雨水就會像一層薄膜一樣地擴散在車體的表面之上.像這樣,液體接 觸到固體之後,散佈流出去的樣子,就叫做沾染性,所謂沾染性就是這種液體容 易在金屬表面上擴展的性質. 沾染性會依金屬的種類(比如說是否容易氧化),松香的種類(去除氧化物的能力), 還有依金屬表面的髒污 ,或是表面的粗細狀態而有所變化. 【參考參考】 接觸角: 為表示沾染的程度,我們通常是以接觸角的 值越小,其沾染性越好, 以下所示即為接觸角 的參考值. 接觸角 = 0: 理論上最理想的沾染狀態.(完成平行的沾染狀態) = 20以下 : 沾染得很好. = 60 20 : 實際的沾染範圍. = 90 60 : 不完全的沾染狀態. = 90以上 : 沒有沾染. = 180 : 完全沒有沾染(變成球形) 1.6 熱的傳導方法熱的傳導方法 焊接的對象物體也必須要被加熱到剛好可以焊接的適當溫度,這個加熱溫度不得過 高也不得低,否則就無法得到良好的焊接結果. 加熱的熱源有電阻發熱,熱風方式,紅外線方式等各種方法,利用這些熱源中傳導而 來的溫度來為錫料及將被焊接的材料加熱. 熱的傳導方法中,依材料的種類,大小,熱源及所加的熱量之不同而會有所差異.因此, 為了要達到適當的加熱溫度,必須要充分地了解熱的傳導方式. 熱度基本上會從溫度高的地方往溫度低的地方流動. 1)最理想的沾染性狀態 = 0 90 180= 180 0 90 2)沾染好的狀態及其範圍 3)沒有沾染好的狀態及範圍4)完全沒有沾染到的狀態 沾染的標準圖形 當熱量小,而熱傳導係數,熱源合焊接對象物體之溫度差距大時,則熱的傳導速度會 加快,而且可在短時間內加熱到高溫. 當使用之材料固定時,熱能的傳送會依其表面面積和焊接對象物體之體積大小之差 距而有所不同,也就是說,在焊接時,必須要充分地考慮到焊接對象的體積大小. 2 焊接材料的基礎知識焊接材料的基礎知識 2.1 錫料錫料 一般我們所使用的錫線為錫鉛合金,若將單體金屬與合金做溶點比較,合金的特性 就是溶點較低.錫的熔點為 232,鉛的熔點為 327,而錫鉛合金的熔點一定會比單體的 金屬要低.錫 63%(最大百分比)和鉛 37%(最大百分比)的合金,其熔點是 183,這也是錫 鉛系銲錫材料中最低的熔點. 錫的熔點較低(熔點:232),合銅的接合性良好,所以將之與鉛做成合金,則: 1.熔點變低,作業性能變好. 2.物理特性(強度)會變強. 3.由於表面張力變低,熔錫的流動性會增加. 4.提昇防止氧化效果. 等等,使接合性變得更好. 在錫鉛系銲錫材料中最常被使用者,為含錫 30%63%左右者.以下為這範圍內的銲 錫材料之主要性質及用途. 成份(質量%) 種類 SnPb 性 質用 途 Sn636337 熔點低,作業性佳運用於電氣,電子器材支配線自動 焊接用. Sn606040 物理性良好一般零件之機械是接合. 電子器材,配線之接合. Sn505050 焊接效果良好一般配線之接合. 需要機械強度之情況的接合. Sn404060 物理強度小 熔解溫度範圍大 電阻係數大 散熱器,製罐,配管等之焊接. Sn303070 比 Sn40 的性質更強. 不適合電子方面的接合. 2.2 松香松香 所謂的松香在拉丁語中的意思就是流動之意.在焊接的原理中所提到的熔解的 錫之沾染性,就是指熔錫在乾淨的基材上第一次接觸到時所發生的變化.當在熔錫和基材 之間如果存在有氧化膜或是油脂的話,則會明顯地妨礙到熔錫的沾染性.一般來說,在金 屬的表面都會覆蓋有一層氧化膜.而且即使我們用種種方法除去這些氧化膜,只要基材是 曝露於空氣中,就會馬上被氧化,因此,為了要讓熔錫能夠順利地沾染在基材表面,同時又 要能夠除去在基材表面上的氧化物質,也必須要又能夠防止其再度氧化,而為配合此一目 的所使用的就是松香. 松香的作用就是松香的作用就是: 1.清潔作用 : 以化學方法溶解除去氧化物或是污物. 2.防止再度氧化的作用 : 在焊接時由於加熱之故,會使氧化急速進行,所以必須 要包覆住金屬表面,使之不直接接觸到空氣,而防止其 再度氧化. 3.降低表面張力的作用 : 會使熔錫的表面張力降低,促進其沾染性. 一般來說各種松香所應具備的條件除了上述以外,其他的條件如下: 1.作業溫度應能形成液狀,而且有相當的流動性. 2.在作業溫度中不得發出有惡臭或是有害氣體. 3.在作業溫度中不得有明顯的蒸發現象. 4.對金屬及錫料不會有不良影響. 5.作業後的殘渣必須容易去除. 6.作業後腐蝕性要很低. 此外,尤其是使用於印刷電路板上的松香系統之溶劑所應具備的條件,必須要符合 以下各項: 1.接近沒有腐蝕性者. 2.具有高度絕緣性者. 3.具有長期的安定性者. 4.耐潮性佳. 5.無毒性. 松香的種類松香的種類 松香依其組成材料之不同,可分為樹脂系,有機系,無機系等幾個種類. 在電子機器中所使用之松香皆以樹脂系為主流. 松香溶劑之組成材料有主劑及活性劑為主體,在活性劑之中,則又可分為含氟氯碳 化物和不含氟氯碳化物兩種 活性劑係為含有能夠溶解及去除熔錫及基材表面之金屬氧化物的作用之成份.而 可以運用作為活性劑之材料,則有:有機酸,胺,胺基酸,胺的有機鹽酸,胺基鹵素,無機酸,無 機酸鹽等等種類. 松香分類 主 劑說 明 松 香(rosin) 變性松脂樹脂系 合成樹脂 經常被運用於印刷電路板之焊接作業上.松香是松, 杉等針葉樹的樹脂精練而成的. 因為如果是單純的松脂的話,其清潔力及作業性皆 不佳,所以業界將之改善,作成活性松香使用,因為松香的 殘渣會使皮膜產生龜裂,因此需要改善. 水機物質 有機系 溶劑基物質 對溫度的安定性較差,只要依加熱就會急速分解,所 以會形成惰性殘渣. 水溶性物質 無機系 非水溶性物質 一般是運用於板金之上,具有較強之活性及吸濕性, 會引起腐蝕,所以需要洗淨.通常不會被運用在印刷電路 板上. 【參考參考】 所謂表面張力就是,在液體的表面分子因凝聚力而被吸注液體的內部,因而 會表現出盡量地往內部收縮的形狀(形成表面面積最小的球形)之力量,因而再液 體的表面形成一個很薄的膜之現象. 2.3 錫料及松香之混合錫料及松香之混合 在塗佈松香然後在焊接時,很難正確地塗到所需的松香之量,此外也增加作業時的 工時負擔.因此在電子機器製造時作人工作業及自動化機器之銲錫,都是使用含有松脂之 錫料. 含松香之錫料再錫料的中心內會填充有一芯或是多芯之固態松香,再加熱時的低溫 會先將松香熔出,除去了金屬表面的氧化物後,熔錫就會沾染在欲接合的部分使之沾滿錫 料. 使用在含松脂之錫料內部的松香,多半是樹脂或是活性化樹脂,其含量規定為 13.5%. 【參考參考】 再利用含有松香之錫料作焊接工作時,經常會見到錫球飛濺起來的情形.其原因應 該有很多種,但是通常都是因為短時間急速地給錫線加熱,含在松香內部的水份或是氣體 因之而膨脹,松香和錫球一起飛濺起來. 3 人工焊接人工焊接 3.1 一般知識一般知識 一一. 銲錫烙鐵之結構銲錫烙鐵之結構 銲錫烙鐵有下列四種由基本零件所構成: 1.加熱部份: 是使用熱效率及絕緣性最佳之陶瓷板上面印刷上電阻,只要電流通過就 會發熱. 2.烙鐵鉗部份: 加熱機器中會發熱並且傳熱給欲焊接處的部份,係使用熱傳導效率佳 之銅金屬. 3.握柄部份:手握住的部份,是不會發熱的材質,必須要容易拿而且耐用. 4.電源線部份: 要輕而柔軟.和烙鐵本身必須要平衡. 二二. 銲錫烙鐵之必要條件銲錫烙鐵之必要條件. 運用在電子機器生產中的銲錫烙鐵工具要求的條件: 1.要實施防止靜電措施. 2.溫度控制的精密度要高. 3.重量輕,容易取用. 以上的必要條件整理列表如下: (A)作業性方面1. 烙鐵鉗溫度上升時間要快,蓄熱量要大. 2. 熱效率佳,消耗電力小. 3. 重量輕,容易取用. 4. 烙鐵鉗容易更換,結構堅固. (B)保護電子零件方面1. 能控制溫度. 2. 不會漏電. 3. 可去除靜電. 三三. 烙鐵鉗之必要條件烙鐵鉗之必要條件: 1.必須要使用容易傳熱之材質(熱傳導性佳者). 2.易熔解銲錫料之金屬. 合乎以上條件之適用金屬為銅.銅材中又可分為電氣銅,脫氧銅,無氧銅等.其中又因 各種鍊製銅本身之磨耗比率及熱傳導係數不同,而已脫氧銅,無氧銅比電氣銅的特性較 佳. 此外,如果烙鐵鉗本身是純銅的話,因為銅元素本身會向錫料擴散,所以很容易耗損, 因而使得鉗子本身會變得凹凸不平,因而防止熱的傳導,而造成焊接不良,因此為防止熱 的傳導,而造成焊接不良的現象發生,所以一般的做法都是在烙鐵鉗上再加上一層鐵質 以防止磨耗過度. 鐵本身祇會有表面擴散作用,而且比較不容易溶解,所以是比較有效的電鍍材料. 當鍍鐵的烙鐵鉗尖端耗損時,如用銼刀去磨的話,會把鍍好的鐵層給磨掉,所以當烙 鐵鉗尖端發生氧化,黑化以至於無法順利沾上熔錫時,則應以極細之氧化鋁粉(礬土)打磨 過後,做過預焊之後再來使用. 一般烙鐵鉗的形狀有下列四種: a.角錐形. b.圓錐形. c.斜切圓錐形. d.一字起子形.雖 然常被使用的烙鐵鉗有此四種,常被運用的代表形狀為(b)圓錐形.(d)一字起子形. (1).圓錐形的烙鐵鉗:由於在焊接接觸表面時只能做點狀或是線狀接觸,所以其 熱效率會減半.但是極適合微小部位的接合之用. (2).一字起子形狀著:由於可以做線狀或是面的接觸,因此其特徵就是能夠較快 地將欲接焊之表面接觸. 四四. 適當的接合溫度適當的接合溫度: 焊接時由於熔錫能沾上並且擴散於欲焊接之金屬表面.同時在其接合介面上形成 合金層,因而才得以接合在一起. 在焊接時,首先就是必須要將焊錫料溶解.但並非是只要將錫料溶解就可,為了確保 焊接結果完美無缺,並且有足夠的接合強度,所以一定會有一個適當的溫度存在. 對於使用錫 63%,鉛 37%之錫料來做焊接時之接合溫度及結合強度之間的關係,其 於 183的溫度熔解,接合溫度在 250時,其接合強度最大,這也是意味著在這溫度範圍 內能夠生成適度的合金層之意,而且接合部份的外觀上也會有較佳之光澤,當溫度增高 時,則接合部份就會失去光澤.而形成粗糙的白色顆粒狀態,並且其接合強度也會降低. 因此,錫鉛系之錫料的適當接合溫度應符合以下的範圍: 適當的接合溫度適當的接合溫度 = 錫料之熔點錫料之熔點 + ( 4060) 五五. 適當的烙鐵鉗溫度適當的烙鐵鉗溫度 純銅 鍍鐵 (使用表面) 再鍍鐵之上先包覆一層熔錫, 或是再加鍍一層銀. 20 18 16 14 12 10 8 6 250275300325350 400375 使用之錫料:錫 63%,鉛 37%(熔點 183) 接合厚度: 0.10.15mm 接合材料: 6.5mm 直徑之銅棒 接合溫度() 接合強度kg f / m 焊接時適當的接合溫度,取決於烙鐵鉗之溫度、烙鐵鉗尖端之熱容量(大小)、接合 部位之熱容量(大小) 烙鐵通電時,其電熱器部份會被加熱,然後加熱到設定好的溫度,當烙鐵鉗碰觸到接 合部位,熱度即由烙鐵鉗移轉到接合部位,當接合部位被加熱溫度上升之後,烙鐵鉗的溫 度會下降.而當烙鐵鉗的溫度一下降,其溫度控制系統就會自動加熱,使烙鐵鉗的溫度再 回復到設定好的溫度.所以接合部份溫度之上升與否,會隨著烙鐵鉗的溫度變化而定. 即使烙鐵鉗的溫度設定全部一樣的情形中,當接合部位的大小不同時,則其熱容量 也會不一樣,因此接合部位的溫度上升情況也會不一樣. 若接合部位之熱容量較小,所以在短時間可達到欲接合之溫度,因此拉開烙鐵鉗的 時間也是最難哪捏得準的,很容易造成過熱的狀態.解決此狀況的方式就是使用容量較 小的烙鐵鉗之外,也須要將烙鐵鉗的設定溫度調低.若接合部位的熱容量較大,會比較不 容易達到欲接合的最適合溫度.因此要不就採用容量比較大的烙鐵鉗,要不就是得提高 烙鐵鉗之設定溫度. 焊接對象容 量烙鐵鉗溫度(適當範圍) 印刷電路板2040280340 端子、包覆電線 3060320370 2mm 以上之粗線 60100350370 3.2 實際的人工焊接技術實際的人工焊接技術 一一. 人工焊接作業基本的必要條件人工焊接作業基本的必要條件: 條 件說 明 清潔金屬表面 如欲焊接之金屬表面有氧化膜獲各種髒污存在時,則會形成 焊接時之障礙物,熔錫不易沾上表面.因此必須要將之除去. 氧化膜可用松香除去,而像油脂之類的髒污,則要依賴溶劑 來去除. 最適溫度之下加熱當加熱過的焊接金屬的溫度比熔錫的熔點低時,則焊錫不會 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 接合部位溫 度 烙鐵鉗溫度 a b ca b c 烙鐵鉗溫度範 圍 最適焊接溫度 銲錫熔解溫度 接觸烙鐵 鉗 拿開烙鐵 鉗 時間 溫 度 熔得好,也不能順利地沾染到金屬表面,所以當加熱溫度過 低時,則沾染性及擴散性都會不佳,而無法得到良好的焊接 結果,因此絕對需要在適當的溫度範圍之內加熱. 供給適當的錫量 如無法配合焊接部位的大小供給適量的熔錫,就會產生焊接 強度不夠的問題. 二二. 銲錫烙鐵的接觸法銲錫烙鐵的接觸法: 原則上,最要緊的是必須要在最短時間內找到欲焊接的位置,同時將各個欲焊接的 位置加熱至同樣的溫度. 烙鐵鉗尖端的形狀應配合接合部位的形狀而有所不同,但一般來說,從側面接觸時 其熱傳導面積最大,所以使用一字起子形狀的烙鐵鉗時，其焊接效率會比較好,還有烙鐵 鉗的接觸壓力,角度等不同時,其傳熱的能量也會有所變化. 三三. 供錫料的方法供錫料的方法 在欲供錫的時候,首先就是要再很短時間內先知道如何判斷再何時,焊接位置在何 處,施予多少量的錫等. 在錫料的供給,要在欲焊接的數種金屬都同步到達可以熔解錫料的溫度時,快速地 將烙鐵鉗和錫線同時接觸到欲焊接的金屬之上. 供給錫料的方法如下: 1. 首先,在欲焊接的金屬和烙鐵鉗之接觸面上先施予極少量的錫,使其熱傳導性變 佳. 2. 次之,從離加熱位置最遠處適量地供給錫料. 3. 最後以整體的錫量來考量,供錫直到似乎可以看得出拉出錫線的樣子時,即馬上 抽離錫線和烙鐵鉗,並要注意到不可使焊接部位的錫線拖出尾巴來. 四四. 添加適當錫料的方法添加適當錫料的方法. 以焊點的中心點為境界,其左右之形狀應相似,同時由上往下緣呈現出一種平滑的 曲線,在曲線的邊緣及焊接的導線之連接線的下方,必須要有弓狀的凹陷量為基準. 所謂良好的焊接狀態之外觀,應該要拉出平滑的曲線,同時要有金屬性光澤及亮度, 不得有裂縫,錫量過多或是不足,針孔等缺陷. 錫量如果過多,可能會藏有某些缺陷,而且也不見得因為錫加得多,焊接強度就會變 的比較強,但是錫量不足,一定會有強度不夠的問題. 五五. 拉開烙鐵鉗的方法拉開烙鐵鉗的方法 當數種金屬都達到可熔解錫的溫度時,要快速地供給定量的錫,然後也迅速地將烙 鐵鉗拉開.如無法很快地將烙鐵鉗拉開的話,四周的空氣會將熔錫的熱吸走,而再拉開烙 鐵鉗時會拉出一條錫絲來. 加熱時間如果太長,松香會失去活力,而影響到銲錫本來的光澤和平滑感,會出現白 色粒狀的過熱現象或是 PCB 的導孔鍍金脫落(翹皮)的情況. 加熱時間如果太短,又會產生熔錫沾染不佳,流動性不足的缺陷問題,此外,在焊接部 位的熔錫凝固之前,如果移動導線的話,則會出現呈灰白色的冷焊現象. 3.3 插入零件與表面實裝零件之焊接插入零件與表面實裝零件之焊接 一一. 取用印刷電路板時的注意事項取用印刷電路板時的注意事項. 1. 銅箔表面不得附有各種髒污(如油、油脂、蠟等).(一般的松香無法去除的髒污) 2. 銅箔表面不得被其他的金屬刮傷,或是因螺絲起子或斜口鉗碰觸而刮傷. 3. 保管期間不得太長.(因為會使氧化膜加厚,同時會存有濕氣及水份) 4.不得以未戴手套的手指去觸摸.(手上會有油脂及指紋) 二二. 插入零件的方法插入零件的方法 就是在印刷電路板上的固定導孔位置(單面孔、雙面貫通孔等)上插入規定之電子 零件之導線的方法. 在插入導線時,應注意的有下列幾點: