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1.2 焊接与钎焊

1.2.1 焊接

电子装联技术中的“装”表示安装,主要包括结构零部件的安装(螺装、铆接和胶接)和电气元器件的安装(THT插装、SMT贴装),“联”表示互联,即将电路元器件互联成电流通路的过程。完成此过程的工艺手段以焊接和压接两种居多,由于焊接不但在宏观上建立了永久性的联系,在微观上也建立了组织之间的内在联系,所以成为电子装联材料连接的主要方法。

焊接是将两种或两种以上的(同种或异种)材料通过原子或分子之间的结合和扩散造成永久性连接的工艺过程,涵盖了熔化焊接、固相焊接和钎焊,其中熔化焊接大多用于金属结构件的连接,如图1.1所示。表1.1为三类焊接技术特征的对比。

图1.1 焊接接合部的结合形式

表1.1 三类焊接技术特征的对比

1.2.2 钎焊及其分类

钎焊是指在固体金属(母材或基体金属)与固体金属之间,溶入比固体金属熔点低的钎料(填充金属或合金),靠毛细管作用使其填充并进入金属间隙中,靠润湿和扩散作用获得连接强度的冶金连接方法,其特点是钎料熔化,而母材金属不熔化。

钎焊被区分为硬钎焊和软钎焊,美国钎焊学会将450℃作为分界线,规定钎料液相线温度高于 450℃所进行的钎焊为硬钎焊,低于 450℃的为软钎焊。ISO 标准规定,以金属钎料熔点450℃为界限来区别硬钎焊和软钎焊,其中又把熔点低于450℃的填充金属(Sn基钎料)、靠润湿作用达到连接目的的冶金连接方法称为软钎焊(俗称锡焊)。

在电子行业中,绝大多数的钎焊工作是在300℃以下完成的。在电子装联过程中,当使用Sn基钎料焊接Cu和Cu合金时,钎料会在金属表面产生润湿,钎料中的Sn就会向基体金属中扩散,在界面上形成合金层,即金属间化合物(IMC),使两者结合在一起。接合处形成的合金层,因钎料成分、母材材质、加热温度及表面处理等不同而不同。关于焊接获得连接强度的机理,比较流行的学说解释包括扩散理论、晶格渗透理论、中间合金理论、润湿合金理论、机械啮合理论等。

在整个电子产品的装联过程中,软钎焊的权重可达70%以上,它对电子产品的整体质量和可靠性有着特殊的意义。

为照顾目前电子组装行业已流行的习惯叫法,本书中特将软钎焊称为焊接。

1.2.3 软钎焊技术所涉及的学科领域及其影响

软钎焊技术是一项综合性的系统工程。它涉及的学科是多方面的,它们各自通过其对可焊性、焊接接合部的腐蚀性及焊接强度等因素而最终影响焊接的可靠性,如图1.2所示。

图1.2 软钎焊涉及的学科领域及影响

构成软钎焊的基本要素是母材(基体金属)、钎料和钎剂(助焊剂)。在软钎焊中,它们相互作用和影响过程,如图1.3所示(提示:为了区别硬钎焊,后续章节涉及的软钎焊的基本要素将以基体金属、钎料和助焊剂的形式出现)。

图1.3 基体金属、钎料、助焊剂的相互反应

在电子工业中,相对于其他连接技术,软钎焊技术由于以下几方面的原因而居于主导地位。

首先是软钎焊的应力匹配能力。软钎料在室温下通常是塑性优良的自退火合金,没有加工硬化等问题,能吸收应力。这种独特的特性使得这种工艺能将不同膨胀系数、不同刚度水平和不同强度等级的材料连接到一起。例如,普通印制电路板的设计与制造几乎违背了所有的结构设计原则,如果不是由于软钎焊连接具有这种应力匹配能力,印制电路板可能就不会存在了。

其次,软钎焊具有显著的优越性、高效性和可靠性。由于连接是在相对较低的温度下完成的,许多常规有机高分子材料和电子元件因受热而改变性能和被破坏等问题得以有效地避免。并且,相对低成本的材料、简单的工具和可控的工艺使得软钎焊具有特别明显的积极性和高效性。

最后,软钎焊具有制造和修理的方便性。与其他冶金连接方法相比,软钎焊是对操作工具要求相对简单和易于操作的工艺,并且由于软钎焊头是可以“拆卸”的接头,或者说软钎焊过程是“可逆”的,因而使得软钎焊连接的修补十分简单方便。另外,修补过的接头可以像原始接头一样可靠。可以预料,只要我们还使用由导体、半导体和绝缘体等构成的基于电脉冲的电路,软钎焊技术就是必不可少的。

1.2.4 软钎焊技术的基本分类

1.群焊技术

群焊一词可追述到 20世纪 40年代号称供应美国电装焊接设备需求 40%的霍利斯公司(Hollis)早期的波峰焊接技术。群焊是指对印制电路板上所有的待焊点同时加热进行软钎焊的方法。

电子元件、裸印制电路板或部分装配的印制电路板、助焊剂、熔融焊锡、锡膏、预成型焊片及胶类,每一种物料都有其自身的物理与化学特性,可通过一个单一且不可逆转的步骤来实现正确的相互作用,形成可靠的装配。

群焊技术主要包括浸焊技术、波峰焊接技术与再流焊接技术。群焊技术的特点主要是组件受热均匀,变形小,生产效率快,焊接质量可靠。浸焊技术与波峰焊接技术的焊接时间短,对组件的热冲击较小,但需要较大的钎料槽,熔融焊锡容易氧化,且易受杂质污染,易产生焊接缺陷,如夹渣、桥接、焊点暗淡或粗糙、润湿不良等,一般应用于引脚间距较大、组装密度不高的产品。再流焊接技术成熟,自动化程度高,焊点缺陷率极低,可进行细间距、高密度组装,但对组装材料的性能要求高,且工艺管控严格。

2.局部焊接技术

随着混装技术的出现,许多电子产品组件同时使用了表面贴装元器件和通孔插装元器件。当出现双面混装,即表面贴装元器件与通孔插装元器件引脚焊接面共面时,由于两种元器件的工艺特性不同,采用群焊技术将无法完成可靠焊接。

通孔再流焊接工艺是通过表面贴装工序对通孔(Pin Through Hole,PTH)元器件进行组装的一种新技术。应用于通孔再流焊接工艺的PTH元器件封装材料必须能耐再流焊接高温,且引脚端部大多具有一定锥度以防插装时带走大量钎料。相对于标准再流焊接工艺而言,通孔再流焊接工艺的核心在于钎料膏涂布技术,即首先对通孔填充钎料膏量进行计算,然后采用阶梯模板或扩大开口设计等印刷工艺释放足够钎料膏量,再进行贴片及再流焊接。近年来,此工艺技术发展较快,在一些高可靠性产品上已成功应用。

除此之外,目前行业内多采用局部焊接技术对所需焊接的PTH 元器件引脚进行加工,常用方法包括掩膜波峰焊接技术、选择性波峰焊接技术、局部浸焊焊接技术、自动烙铁焊接技术、激光焊接技术等。

随着新材料、新器件的不断出现,以及高密度复杂产品组装时,部分表面贴装元器件也必须采用局部焊接技术,常用焊接方法包括激光焊接技术、热压焊接技术、电磁感应焊接技术等。同时,对于部分表面贴装元器件(如BGA及QFP)进行返修时,为提高成功率及可靠性、减少对基板的损伤,也需采用局部加热技术,如专用返修台,通过热风、红外或热板等方式对产品进行局部加热以完成拆焊及重新组装。

3.手工焊接技术

手工焊接是传统的焊接方法,虽然批量电子产品生产已较少采用手工焊接了,但在电子产品的维修、调试中不可避免地还会用到手工焊接。其焊接质量的好坏也直接影响到维修效果。手工焊接是一项实践性很强的技能,当了解其一般方法后,只有多练、多实践,才能取得较好的焊接质量。表面贴装手工焊接有时比通孔(Through Hole)焊接更具挑战性,因为它要求更小的引脚间距和更高的引脚数。在返修工艺中必须小心,不要让印制电路板过热,否则电镀通孔和焊盘都容易损伤。

手工焊接技术主要包括接触焊接与热风焊接。

接触焊接是在加热的烙铁嘴或环直接接触焊接点时完成的。烙铁嘴或环安装在焊接工具上。烙铁嘴用来加热单个焊接点,而烙铁环用来同时加热多个焊接点。对于单个烙铁嘴,有多种设计结构。对于环形式的烙铁嘴,也有多种设计结构。比如有两或四面的离散环,主要用于元件的拆除。环的设计主要用于多脚元件,如集成电路(IC);但是它们也可以用来拆卸矩形和圆柱形的元件。烙铁环对取下已经用胶粘结的元件非常有用。当钎料熔化后,烙铁环可拧动元件,打破胶的连接。当用烙铁环焊接四边引脚器件时,很难同时接触所有的引脚。如果烙铁环不接触所有引脚,则不会发生热传导,这意味着一些焊点不熔化,特别是在J型引脚元件上,这种情况在操作员取下元件时很容易将PCB焊盘损坏。

热风焊接通过用喷嘴把加热的空气或惰性气体,如氮气,指向焊接点和引脚来完成。热风设备选项包括从简单的手持式单元加热单个位置,到复杂的自动单元设计加热多个位置。手持式系统用于取下和更换矩形、圆柱形和其他小型元件。自动系统用于取下并更换复杂元件,诸如密脚和面积排列元件。热风系统避免了使用接触焊接系统可能引发的局部热应力,这使它成为均匀加热是关键的应用中的首选。热风温度范围一般是 300~400℃。熔化焊锡所要求的时间取决于热风量。较大的元件在可取下或更换之前,可能要求超过60s的加热。喷嘴设计很重要;喷嘴必须将热风指向焊接点,而且有时要避开元件本体。热风加热相对低的热效率不会产生较大的热冲击,对如陶瓷电容等元件来说是一个优点。同时,热风作为传热媒介,消除了烙铁嘴等直接接触的必要,且温度和加热率在一定范围内可控、可重复和可预测。

手工焊接的使用材料包括助焊剂、钎料丝及钎料膏。助焊剂通常使用小瓶滴涂或助焊剂笔施加;钎料丝通常可手动送丝或借助送丝装置送丝;钎料膏通常使用注射器来施加。表面贴装焊接通常要求较小直径的锡线,典型的在0.50~0.75mm范围;通孔焊接通常要求较大直径的锡线,范围为1.20~1.50mm。 vQTJCe2ugK04t57H+ZGS9oVnBnjAhpGFkAiRHmvdCTrOD5L2DLGRZJ3LRfdhwCVb

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