SMT手工焊接技术

1、资料四 焊接技术教育一、定义：金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连成一体的连接方法。二、焊接的种类焊接的种类有很多，主要分为几大类：1、电弧焊：电弧焊是目前使用最广泛焊接方法，它包括有焊条电弧焊、埋弧焊、钨 极气体保护电弧焊，等离子弧焊，熔化及气体保护焊等。2、电阻焊：电阻焊是以电阻热为能源的一类焊接，方法包括以熔渣为能源的电渣焊 和以固体电阻热为能源的电阻焊。3、高能焊束：这一类焊接方法包括电子束焊和激光焊。4、钎焊：钎焊的能源可以是化学反应热，也可以是间接热能。它是利用熔点比被焊 材料的熔点低的金属钎料。经过加热使钎料熔化，靠毛细

2、管作用将钎料吸收到接头表面的 间隙内，润湿被焊金属表面，使液相和固相之间相互扩散而形成钎焊接头。因此，钎是一 种固相兼液相的焊接方法，它和熔焊方法不同，钎焊时母材不熔化，采用比母材熔化温度 低的钎料，加热温度采取低于母材固相线高于钎料液相线的一种连接方法。5、其他焊接方法：这些焊接方法属于不同程度的专门化的焊接方法，其适用范围较 窄，主要包括以电阻热为能源的电渣焊、高频焊；以化学能为焊接能源的气焊、气压焊、 爆炸焊；以机械能为焊接能源的磨擦焊、冷压焊、超声波焊、扩散焊。下面以钎焊作详细 介绍。三、钎焊原理 钎焊生产主要包括钎焊前准备、零件装配和固定、钎焊，钎焊后清理及质量检验等工 序。其中，钎

3、焊工序是形成良好的焊接头的决定性工序，形成接头的过程也就是液态钎料 填充接头间隙（简称填缝） ，并同母材发生相互作用和随后钎缝冷却结晶的过程，钎焊的 基本原理就是关于这些过程的原理。实际中，钎焊时并非任何液体金属均能填充接头间隙。也就是说，必须具备一定的条 件，此条件就是润湿作用和毛细作用。1、钎料的润湿作用：润湿是液相取代固相表面的气相过程。按其特征可分为浸渍润 湿、附着润湿和铺展润湿，各种情况下所需要的力不同。当液态处于自由状态下，为使其 本身处于稳定状态，他力图保持球形的表面。而当液体和固体相接触时，这种情况将发生 改变。其变化取决于液体内部的内聚力和液固两相间的附着力，当内聚力大于附着

4、力时， 液体就不能粘附固体表面，当附着力大于内聚力时，液体就能粘附在固体表面，即发生润 湿作用。2、毛细作用：在实际生产中，绝大部分钎焊过程是毛细钎焊过程，即液态钎料不是 单纯地沿固态母材表面铺展，而是流入并填充接头间隙。通常间隙很小，类似毛细管。钎 料就是依靠毛细作用而在间隙内流动的。因此，钎料的填缝效果还和毛细作用有关。3、影响钎料毛细填缝的因素：a、钎料和母材的成分若钎料和母材在液态和固态不均不发生物理化学作用，则他们之间的润湿作用就很差；若钎料和母材相互溶解或形成化合物，则液态钎料就很好地润湿母材。b、钎焊温度随着加热温度的升高，液态钎料和气体的界面张力减小，液态钎料和母材的 界面张力

5、也下降，这两者均有助于提高钎料的润湿能力。但是钎焊温度不能过高， 以免造成溶蚀，钎料流失和母材晶粒长大等现象。c、母材表面的氧化物在有氧化物的母材表面上，液态钎料往往凝聚成球状，不和母材发生润滑湿， 也不发生填缝。所以，必须充分清除钎料和母材表面的氧化物，以保证发生良好的 润湿作用。d、母材表面粗糙度母材表面的粗糙度，对钎料的润湿能力有不同程度的影响，对钎料和母材作用 较弱时，它在粗糙表面上的纵横交错的细槽对液态钎料起了特殊的毛细作用，促进 了钎料沿母材表面的铺展。e、钎料钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化物，改善润湿作用。f、间隙间隙是直接影响钎焊毛细填缝的重要因素。毛细填缝的长度（

6、或高度）和间隙 大小成反比，随着间隙减小，填缝长度增加；反之减小。因此毛细钎焊时一般间隙 都较小。g、钎料和母材的相互作用实际钎焊过程中，只要钎料能润湿母材，液态钎料和母材或多或少地发生相互 溶解及扩散作用，致使液态钎料的成分、密度、粘度和熔化温度区间等发生变化， 这变化都将在钎焊过程中影响液态钎料的润湿及毛细填缝作用。四、钎焊方法：通常是以所使用的热源来命名的，其主要作用是依靠热源将工件加热到必要温度。要方法有：烙铁钎焊、火焰钎焊、金属浴钎焊、感应钎焊、气相钎焊、波峰钎焊、电阻钎焊盐浴钎焊、超声波钎焊、保护气体炉中钎焊、红外钎焊等。结合本公司实际情况，以下 内容只对烙铁钎焊、波峰钎焊、红外钎

7、焊作详细介绍。五、波峰焊接中所使用的助焊剂1、助焊剂的作用：在一般情况下，基体金属和易熔的钎料合金表面均有一层妨碍形成连接界面的薄焊锡氧化膜阻挡焊锡在母材上的扩散母材锈膜，该锈膜是受环境侵蚀的结果，并随环境和基体金属的不同，而可能由氧化物、 硫化物、碳化物或其它腐蚀产物组成。这些非金属产物的作用相当于阻挡层，因此在 钎接前必须将其清除掉。助焊剂的主要作用之一就是清除掉这些锈膜，在波峰焊接过 程中，助焊剂所起作用归纳起来主要功能如下：a、获得无锈蚀的金属表面，并保持该被焊表面的洁净状态。b、助焊剂覆盖在焊点表面，隔断了焊点和空气的接触。合金层助焊剂的效果c、对表面张力的平衡施加影响，减小接触角，

8、促进钎料扩展。2、助焊剂对波峰焊接过程的影响助焊剂在波峰焊接中，除了有助于钎料流动外，还影响着波峰焊接的速成度和焊点的完好程度。3、助焊剂的主要技术特性a、表面活性（温流活性）助焊剂应能良好地润湿母材金属和钎料，以促进钎料漫流的方式影响表面能量的平衡，且易被液态钎料排开。助焊剂的润湿和漫流和接触角直接有关，在实践中，钎料和基材金属表面之间的接触角，可用于量度助焊剂的作用效果。因此漫流活性 或、可以描述为助焊剂降低钎料一一基材系统接触角的能力。b、化学活性助焊剂仅有表面活性，还不能促进钎接过程，良好的助焊剂必须有一定化学活性，化学活性是助焊剂固有特性之一，该特性使助焊剂能够除掉锈膜，使钎和基材金

9、属结合。助焊剂的化学活性和表面活性，共同影响着焊点的完美程度，二者缺一不可。c、热稳定性助焊剂必须在波峰焊接温度下为已净化的金属表面提供保护层，否则，刚刚净化出的金属表面，将会在空气中因波峰焊接高温而重新加速氧化，因此，助焊剂（注意，是指助焊剂材料而不包括溶剂）必须能够耐受波峰焊接温度而不气化和裂解， 因为助焊剂材料的裂解将产生难于被液态钎料排开和除掉的有害沉积物。d、活化温度活性松香助焊剂中是由有化学活性的成分清除锈蚀膜。助焊剂中的化学活性， 通常要在某一特性温度内才能表现出来，这种使助焊剂发生化学反应的温度称为活化温度。只有该温度下，才能充分触发助焊剂的作用机理，使其达到最佳反应状态。e、

10、去活化温度助焊剂中的活化物质， 可能因高温下发生的中间化学变化而改变其特性并变为非活性，此时的温度称为去活化温度。f 、 钝化温度 钝化温度亦称为分解温度，在分解温度下被为助焊剂中的活化物质要完全分 解，只要反应后助焊剂的残留物在化学活性方面即可认为是中性和不具有腐蚀性 （即残留物钝化） 。g、 安全性 助焊剂在使用和储存过程中应对生态学方面不造成任何危害，在工作时，产生的烟尘应无毒的，并且不产生刺激性气味，分解后的残留物和废物应是无腐性 的，且不会带来任何环境问题。综上所述，良好的工业用助焊剂应具备如下性质： 在室温下应呈低腐蚀性或无腐蚀性； 在波峰焊接过程中放出的烟尘应是低腐蚀性或无腐蚀性

11、的； 不腐蚀母材金属；残留物易于清除；经济性。4、助焊剂的分类a、有机酸：它是具有中等除锈能力的慢作用材料，对温度敏感。由于使用后仍具 有腐蚀性，故必须清除任何凝结的钎接残留物和烟尘。b、有机卤素：有机卤素其化学活性类似无机盐类，并因易于利用其卤素离子作为 助焊剂。由于有机基的影响，有机卤素对温度感，腐蚀性较强，焊后残留物和 烟尘必须仔细清除。c、胺和氨化物：因其不含卤素，故一般作为一种添加剂的形式使用于多种助焊剂 中，它含有像尿素、乙二胺、单乙醇胺和三乙醇胺等到这类材料。该类化合物 还是有腐蚀性，而且对温度非常敏感。上述三种有机助焊剂由于其腐蚀性和温度不稳定性， 故在波峰焊工艺中也是限制 合

12、用的。d、纯松香型助焊剂：纯净的松香通常是几种异构双萜酸的混合物，其中三种主要 成份是松香酸、 d- 海松酸和 L- 海松酸，松香酸占（8090）%、而海松酸占（1015）%。 纯松香在室温为固体， 在化学上呈非活性， 在电气上是绝缘的， 而且其凝结蒸汽 和和金属反应所生成的化合物也同样如此。 在现代微电子工业中仍是极为有用的一种 助焊剂。 纯净松香助焊剂的主要缺点是其和许多金属反应的固有化学活性低， 因而焊 接前必须对基材金属表面进行净化处理。e、低活性助焊剂：这类助焊剂主要受允许活性极限的限制，以便在大多数使用中不必清除助焊剂残留物。英国DTD标准规定其活化剂（氯化物）的含量限制在0.5%

13、。f、无卤素活性松香：德国工业标准（DIN）规定其活化剂仅限于有机酸和比较无害的类似材料，但 HOWARD H.MAN认为：这些材料还是颇为危险的，特别是如果 净化不当，清除松香而留下暴露的这些材料更危险，因为作为活化剂的有机酸 需要利用极性溶液清除。g、中性活性松香助焊剂：美国标准 MIL-F-14256 对这类助焊剂在焊前和焊后的电 气和化学技术要求作了具体的规定，但未涉及其化学成份。因此，制造厂商可 在中等活性范围内寻求采用任何一种最有效的活化剂材料（卤化物、有机酸、 胺、氨化物等）。但最终配制的助焊剂残留物和凝结的焊接烟尘应是无腐蚀性的， 且在电气上是绝缘的。h、活性松香助焊剂：这组助

14、焊剂已在整个工业和生产中获得了极广泛的使用。虽 然其焊后留下的残物，对许多使用场合（如收音机、电视机等）是基本安全的。 但对于高可性和长寿命设备来说，则被认为是很危险的。为了彻底清除残留物， 必须采用双极性溶剂，即首先利用无极性溶剂清除松香，然后再用像水这样的 极性溶剂清除留下的活化剂和其它可电离的残余物。也可一次性利用双极性溶 剂渗和液同时清除两种残留物。i 、 清洗型助焊剂：在电子产品生产中，最广泛使用的高固体含量助焊剂是松香型 有机类助焊剂。此类助焊剂通常由活性剂、成膜剂、添加剂和溶剂等成分组成。 传统助焊剂以松香为基体，它能够同时起到活性剂和成膜剂的作用。为了提高 助焊剂的助焊能力，必

15、须加入一定的活性物质，助焊剂中的添加剂常为酸度调 节剂、消光剂、光亮剂、缓蚀剂和助燃剂等物质中的一种或几种。j 、 免清洗型助焊剂：免清洗型助焊剂是指焊后残留物极微且无害，而无需再清洗 的助焊剂。这类助剂中固体成份通常都低于5%，亦称为低固型助剂。其应具备下列要求：固体含量应不大于 5%；不含卤素；助焊剂扩展率应不小于 80%；11波峰焊接后PCB的绝缘电阻应大于1 X 10 Q ;免清洗这种叫法只对一般的电子产品而言，对那些对可靠性有特殊要求的产品 （如航空、航天、卫星、导弹等）还需要清洗工序，否则，造成了事故损失将是无法 估量的。k、 水熔性助焊剂：水溶性助焊剂的最大特点是助焊剂在水中溶解

16、度大、活性强、 助焊性好，焊后残留物易溶于水，因此可以直接水作清洗溶剂。 上述三种助焊剂是近年来一类新型助焊剂，由于其因体含低，焊后残留物很少，因而可以大大简化甚至省去清洗工序，大幅降低ODS的消耗，对保护地球环境有非常重要的意义。六、钎焊料波峰焊接中所用钎料几乎都是锡 - 铅二元合金，电子工业组装工艺中，广泛采用锡 铅二元合金作钎料的主要原因是：熔化温度范围窄，且适用于工程使用范围需要；润湿性和机械物理性尚可；经济性好。1、锡、铅的物理化学特性a、元素锡：锡为银白色有光泽的金属，耐氧化性能好，暴露在空气中时仍保持其 光泽。延伸性好，晶粒结构比较粗糙。锡是一种质软的低溶点金属，相变点为13.2

17、 C,低于这个温度时变成粉末状的灰色锡（ a锡），灰色锡具有金刚石型晶 格金相结构。当温度高于 13.2 C时变成白色锡（B锡），呈空心立方晶格，富有 延展性。a锡的原子能够加速未转变材料中 a锡的形成过程。锡在大气中耐腐蚀性好，不失金属光泽；但不能抗氯、碘、苛性钠、苛性钾等物质的腐蚀。b、元素铅：铅是一种蓝色金属，其新暴露表面具有光亮的金属光泽。通常在空气 中该表面很快变质，呈暗灰色。该氧化膜附着力非常强，保护其层金属免受环 境的进一步侵蚀，它使铅具有耐多种化学和环境腐蚀的独特性能。铅是一种质 软金属，具有面心立方晶格，很容易加工成形。铅是一种对人体有害的有毒金 属，接触时要特别注意。2、锡

18、-铅合金熔点温度在选用钎料的许多考虑因素中，钎料融点温度是首先要考虑的。由于在等于或稍高 于熔点的温度下，钎料仍呈粘带状态，极不易流动，在一定程度限制了润湿特性。因此 较理想的的钎焊温度应大约高于钎料熔点温度（15.571 ） C之间为宜。该温度范围适用于大多数钎料合金。对锡-铅合金这种特定场合，钎料合金的熔点和钎接温度之差取40 C左右为宜。值得注意的是，推荐的波峰焊接温度并不等于钎料槽中的温度。在波峰焊接过程中，焊点实际达到的温度是介于钎料槽温度和被焊工件之间的某一温度。波峰焊接工艺中通 常都是采用成份为 Sn63/Pb37的共晶组分，该组分的熔点为183C,那么，较优的钎接温度应为223

19、C（ 183C +40C）。而对应此状态，钎料槽的温度通常应选择到250C左右才行。其目的是为了保证钎料的良好的流动性，并考虑到被润湿表面的所有热损耗，这 也是为了缩短钎接时间和增强助焊剂活性所要求的。在波峰焊接时，焊点的加热过程中，主要影响因素是被焊物的焊前温度，被焊物的热容量和热导（即被焊物和焊点的散热效 果）,助焊剂活化要求的温度，钎料槽本身的热散失。对温度的这些要求必须和钎料波峰 所能提供的热量相平衡，以确保焊点的钎接温度能稳定地维持在223 C左右。钎料中由于锡和铅的不同组份，其物理特性也是不同的，如下表所示，由于锡和铅 的密度不同，故钎料的熔化温度、密度、导电率、及机械特性等都有所

20、不同。锡-铅系钎料的物理特性合金成份（%熔点（C）密度g/cm3抗拉强度kg/mm抗剪强度kg/mm2廷伸率%布氐硬度电导%IACS电阻率Q .cm锡铅固相线液相线10002322327.291.492.025513.91063371831838.465.413.828301711.514.9970301831868.175.483.52201712.513.7960401831888.525.343.9427401611.514.9950501832148.904.363.6638981410.915.8240601832389.283.83.3739151210.117.072080183

21、27710.043.372.9522118.720.5010032732711.341.421.39393、钎料膏：钎料在未使用前通常是块状或丝条状的固体，在SMT旱接工艺中所使用的钎料却是糊状的膏状体，即钎料膏。钎料膏是由钎料合金粉末(通常采用粒度为3050卩m的球状粉末)和糊状助焊齐U混合制得的一种高粘度的膏状物，和再流焊配合使用于印刷电路板的组装。钎料膏的基本功能要求如下：a、具有一定流动性，可以通过印刷设备涂敷到印刷电路板表面；b、具有一定的粘度，在再流焊之前可以固定待焊的电子元器件；c、在再流焊过程中，可去除金属氧化物并润湿金属表面，最终形成可靠连接。钎料膏应具备的基本特性如下：a、

22、印刷性能良好，可连续印刷；b、流变性好，放置或预热时不产生崩塌或桥连现象；c、焊接性良好，不会产生钎料球飞溅而引起短路；d、 储存寿命长，长时间储存粘度无变化，在05C下在保存36个月；e、 印刷后放置时间长，一般在常温下能放置1214个小时；焊接后的残余物应具 有较高的绝缘电阻，清洗性好或免清洗；f、无毒、无嗅和无腐蚀性。七、波峰焊接设备1、波峰焊工艺的优点a、省工省料，提高生产效率，降低成本：在电子产品生产中， 使用波峰焊接工艺后,Fg-重力Fr-表面张力烙铁头引线I -LrT-I-(b)波峰焊PCB(a)手工焊可以大幅度提高生产效率(50倍以上)，节约大批人力和钎料。使得产品的生产成本能

23、大幅度地降低。b、提高焊点的质量和可靠性：使用波峰焊接工艺后的另一个最突出的优势是，消除 了人为因素对产品质量的干扰和影响。c、改善操作环境和操作者的身心健康：使用活性松香钎料丝手工焊操作时产生的 烟，其中在部分是助焊剂受热分解产生的气体或挥发物，这些烟中含有对人体有 害的成分。d、产品质量标准化：由于采用了机械化和自动化生产，就可以排除手工操作的不一 致性和人为因素的影响，确保了产品的安装质量的整齐划一和工艺的规范化、标 准化，从而达到使产品质量稳定不变。e、可以完成手工操作无法完成的工作：随着电子装备的轻、薄、短、小型化的发展 趋势，其安装密度大幅度地提高。面对精密微型化的安装结构，单靠人

24、的技能已 是法胜任。2、设备系统的基本组成：一次焊接系统的基本组成，夹送系统、夹具、助焊剂涂覆系统、预热系统、钎料波峰发生器、冷却系统、电气控制系统等是必备部分。3、 波峰焊接备的操作：参阅设备使用指示书。八、SMT波峰焊接技术SMT中的焊接工艺主要有波峰焊和再流两种，其中再流焊在实际工业生产中得到了最广泛的使用。再流焊和波峰焊的根本区别在热源和钎料。在再流焊中，预置的钎料膏在外加热量下熔化，和基材发生互相作用而实现连接。1、波峰焊：波峰焊接( Wave Soldering ):即将熔融的液态钎料借助泵的作用，在钎料液面形成一特定形状的钎料波峰，装载了元器件的 PCB以某一特定角度，并以一定的

25、浸入深度穿过钎料波峰而实现焊点的焊接称为波峰焊接。2、再流焊再流焊是适用于精密引线间距的表面贴装元件的有效方法。再流焊使用的连接材料是钎料膏，通过印刷或滴注等方法将钎料膏涂敷在印制电路板的焊盘上，再有专用设备贴片机在上面放置表面装贴元件，然后加热使钎料溶化， 即再次流动，从而实现连接，这也是再流焊名称的来由。根据热源不同，再流焊主要可分为红外再流焊、热风再流焊、气相再流焊和激光再流焊。 、红外再流焊：利用红外线辐射能加热实现表面贴装元件和印制电路板之间连接的软钎焊方法，下图是红外再流焊的基本原理示意图。已涂敷钎料膏和放置 元器件的印制电路板预热区红外辐射元软钎区红外辐射元I1 I1 I1再流焊

26、的钎焊质量主要取决于是否能实现所有焊点的均匀加热，因此钎焊温度工艺参数分为四个阶段：最大峰值温度液态时间冷却时间最小峰值温度保温时间预热时间时间/ mina. 预热升温阶段铅料膏中的溶剂在外此阶段得到挥发。如果预热阶段升温过快，将导致两个主 要问题：一是溶剂挥发过快带动铅料合金粉末飞溅到印刷电路板上，形成铅料球缺 陷；二是铅料膏粘度变化过快导致铅料膏坍塌，形成桥连缺陷，典型的预热升温速 率为12 C /S，最大不超过 4 C /S。b. 预热保温区：在此段温度缓慢上升，主要目的是激活钎料和促使印制电路板上的温度均匀分布。绝大多数软钎剂的活性温度为145C,因此这一阶段的温度般为150 C,最大

27、不超过180C。就保温时间而言，如果太短，将导致冷焊和立碑现象等缺陷，如果太长，钎料 的助焊性能在再流焊之前就浪费了。典型的预热保温时间为13min。c. 再流阶段。此阶段温度高于钎料合金熔点。钎料熔化并和待结合面金属发生溶解扩散反应，而形成焊点。就温度再流而言，为避免焊点界面处的金属间化合物层过厚，理想的铅焊温度为超过铅料合金熔点3040 C。d. 冷却阶段，焊点凝固最终实现固态连接，冷却速度对最终的焊点强度有重要影 响。从焊点的强度来讲，冷却速度越快，其金属学组织越细小，焊点强度越高， 但是冷却速度要考虑到元器件自身对温度的冲击的承受能力，一般而言，冷却 速率应控制34 C /S。 、热风

28、再流焊 热风再流焊是利用受热传导实现表面贴装元件和印制电路板之间焊接的软钎焊 方法。 其热源为加热器的辐射热， 受热空气在鼓风机等的驱动在再流焊炉中对流， 实现热量传递。 和红外再流焊相比， 热风再流焊可实现更为均匀的加热，目前，商品 化的再流焊设备实际上多采用红外和热风相结合的加热方式。 、气相再流焊（略） 、激光再流焊（略）九、手工焊接1、焊接工具：焊接所使用的主要工具是电烙铁，镊子、剪钳、吸锡器、防护眼罩、抽 风机烙铁架、清洁海绵为焊接辅助工具。2、对于焊接工具的用途和要求a、电烙铁：是用来熔化钎料，以达到焊接的主要工具，它必须满足以下要求。温度要恒定；消费电力少；体积小、重量轻便于作业； 烙铁头要易于更换，容易修理；可长时间连续使用； 绝缘阻抗高，对于半导体部品无破坏性； 具有防静电功能。b、镊子：用于夹带被焊元件，使焊接作业顺利进行。c 、 剪钳：用于去除焊接后过长的元件引脚或元件引脚焊接前的预加工。d、吸锡器：用于取下元件时使用，特别是多脚元件。e、防护眼罩：用于保护眼睛，防止助焊剂飞溅入眼，造成伤害。f 、 抽风机：用于吸走焊接时助焊剂所挥发出的烟尘等。g、烙铁架：放置烙铁用。h、清洁海绵：焊接时，由于高温，烙铁头容易产生氧化层，必须用清洁海绵清洁， 以保证焊接质量。使用时海绵必须加水。3、电烙铁的组成a、 烙铁头的材质：烙铁头是以铜作为基