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焊接技术

点击:次??来源:韦德国际1946 时间:2019-05-11

  焊接工序是电子厂中最普遍也是最关键的工序,其质量的好坏直接影响生产的进度与产品的质量。对于厂内产品电子线路的内部连接.此节就本厂广泛采用的THT进行了详细的说明。
  1.焊接的概念
  焊接,一般是用加热的方式使两件金属物体结合起来;如果在焊接的过程中需要熔人第三种物质,则称之为“钎焊”,所加熔上去的第三种物质称为“焊料”。按焊料熔点的高低又将钎焊分为“硬焊”和“软钎焊”,通常以450℃为界,低于450℃的称为“软钎焊”。电子产品安装工艺中的所谓“焊接”就是软钎焊的一种,主要用锡、铅等低熔点合金做焊料,因此俗称“锡焊”。
  2.焊接工具
  2.1电烙铁的功能、构造和工作原理
  电烙铁在手工锡焊过程中担任着加热焊区各被焊金属,熔化焊料、运载焊料和调节焊料用量的多重任务。电烙铁的构造很简单,其主要结构有五部分:手柄用木头或较耐热的塑料制成,中空腔,可以打开,空腔中有电热丝与电源线的连接端子,电源线由手柄后端的橡胶护套中穿出之前由一个塑料螺栓或卡子锁住,可以承受一定的拉力,以利安全。
  手柄前有铁管做成的烙铁身,管身中紧靠前端装有发热的烙铁心,烙铁心是用细电炉丝分层间绕在云母片绝缘的薄铁管上,烙铁头尾部伸人到薄铁管中,薄铁管的前端嵌死在一段结合用的套筒里,套筒上横栓着一大一小两颗螺钉,小的较短,用来紧固烙铁心与管身,大的较长,用来栓死烙铁头,调节烙铁工作温度时就是要旋松较长的这颗螺钉。烙铁头是用单位体积热容量较大、导热率高的紫铜制成。电烙铁的工作电压、功率等参数一般都标示在手柄上,供选用时辨认。
  电烙铁的工作原理简单地说就是一个电热器在电能的作用下,发热、传热和散热的过程:接通电源后,在额定电压下,由烙铁心以电热丝阻值所决定的功率发热。热量优先传给烙铁头,使其温度上升,再由烙铁头的表面向周围环境中散发。热量散发的速度与烙铁头的温升成正比,温差越大热量散发的速度越快;当达到一定的温度后,散热的功率就会等于发热的功率而达到一种动态平衡,停止升温,电烙铁的预热阶段完成。此时烙铁头的温度就是这支电烙铁的空载预热温度,一般为三百多度超出焊料熔点很多。
  发热芯的热量也会向后传给管身部分,由于管身部分是由有一定长度的薄壁钢管作成,热阻较大,加上有些管身后段具有散热孔或隔有散热片,使手柄温升不多。在空载预热温度下电烙铁的各个部分都会以:热量=热容量X温度的关系各自储存着一份热量。
  焊接操作时,当烙铁头的工作面与焊料、工件接触时、,原来的平衡关系就被打破,热量马上通过热阻比空气小得多的接触部位传向焊接工作区,使得焊锡、工件的温度很快地上升。只要烙铁头的热容量较之于被焊区工件的热容量为足够大,就可以在极短的时间内使焊锡和工件焊接部位的温度超过焊锡的熔点而完成焊接的过程,而其本身的温度却下降很少。
  2.2烙铁头
  电烙铁的易损件是烙铁头和烙铁心,烙铁头和烙铁心单独作为配件在市面上有售。烙铁发热芯比较单一,只要尺寸一致、功率相同且即可。‘烙铁头的外形主要有直头、弯头之分。工作端的形状有锥形、铲形、斜劈形、专用的特制形等。但通常在小功率电烙铁上,以使用直头锥形的为多,弯头铲形的则比较适合于75瓦以上的电烙铁。烙铁头形状的选择可以根据加工的对象和个人的习惯来决定。
  普通电烙铁头都是用热容比大、导热率高的纯铜(紫铜)制成。锡和铜之间有很好的亲和力,因此熔融的焊锡才会很容易被吸附在烙铁头上任由调度。然而铜和锡会生成铜锡合金,合金的熔点大大低于纯铜的熔点,在电烙铁的工作温度下会局部熔解。其熔解的速度与温度成正比,在烙铁头的工作面上各点的温度不会完全一样,温度高的地方铜金属消耗较快,使工作面形成凹陷,凹陷的表面使温度更集中,局部熔解的速度加快,……这样恶性循环,于是,在烙铁头原来平整的工作面上就会出现一个很深的凹坑,使你不得不重新加工修整、上锡。结果,一支烙铁头并用不了多久便要报废,不时的修整工作也带来很大的麻烦。
  近年来被大量采用的长寿烙铁头就是为此而改进的。长寿烙铁头的基体金属还是紫铜,只是在工作端部被镀上了一层用来阻挡焊锡侵蚀的纯铁,为了保持烙铁头对焊锡的吸附性,再在铁的外面使用活性较大的助焊剂(氯化锌之类)热镀上一层纯锡。由于铁在烙铁的工作温度下基本上不会与锡起反应而解决了这个问题。
  使用长寿烙铁头时,要注意保护其表面的镀层,千万不能像普通烙铁头那样在砂纸上砂、用锉刀锉,其尖端万一附着点什么黑东西时只要在—种专用的湿纤维素海棉上稍加擦拭即可露出原来光亮的镀锡表面。另外,暂停操作时,应该尖端冲下搁置在烙铁架上,让烙铁尖总是被焊锡的液滴包裹着,以免烙铁头被“烧死”。长寿烙铁头运载焊料的能力比普通烙铁头略差一些,但配合焊锡丝使用,影响不大。
  2.3烙铁架
  烙铁架的结构非常简单。但是,批量生产时工作台面的面积有限,还要讲究工作效率,电烙铁的摆放不讲究不行。这时,一个好用的烙铁架就显得很重要了。
  3.焊料
  焊料又名钎料,在锡焊工艺中所用的焊料就是焊锡,它通常是锡(sn)与另一种低熔点金属——铅(Pb)所组成的合金。为了提高焊锡的理化性能,有时还有意地掺人少量的锑(Sb)、铋 (Bi)、银(As)等金属。
  3.1锡铅焊料的组成和性能
  锡和铅按不同的比例配制成的锡铅焊料,其熔点和机械强度等物理性能也会不同。锡铅焊料中的含锡量越高,其浸润性越强。而含铅量越高时,焊点表面耐腐蚀性能越佳。手工焊接应尽量选用共晶焊料。
  3.2焊锡的规格
  铅锡焊料的外形根据需要可以加工成焊锡条、焊锡带、焊锡丝、焊锡圈、焊锡片、焊球等不同形状。也可以将一定粒度的焊料粉末与焊剂混合后制成膏状焊料,即所谓“银浆”、“锡膏”,用于表面贴装元器件的安装焊接。手工焊接现在普遍使用有活化松香焊剂芯的焊锡丝。焊锡丝的直径从¢.5mm到¢.Omm分为十多种规格。一般的电子产品安装焊接使用φ0.2mm左右的即可,¢.5mm以下的锡焊丝用于密度较大的贴装电路板上微小元器件的焊接。
  3.3焊膏
  焊膏(俗称银浆)是由高纯度的焊料合金粉末、焊剂和少量印刷添加剂混合而成的浆料,可以用钢模或丝网印刷的方式涂布于电路板上,是现代表面贴装技术(SMT)的关键材料。
  4.焊接过程与操作要领
  4.1焊接准备
  焊接开始前必须准备好焊料、焊剂等工具。凋整好电烙铁的工作温度,使烙铁头的工作面完全保持在吃锡的状态。新烙铁在首次通电以前要把烙铁头调出来两公分左右,经充分预热试焊后,若嫌温度不够,可以解开紧固螺钉向里面送回一点,试焊,还不够就再往里送回—点点……,就这样逐步往上调,多试几次,一开始宁可让它偏低,切不可让温度过高,否则烙铁头就会被烧死。所谓‘烧死’,是指烙铁头前端作面上的镀锡层在过高的温度下被氧化掉,表面形成—层黑色的氧化铜壳层。
  此时的烙铁头既不传热也不再吃锡,如果勉强压在焊锡上,过了很长时间后焊锡才会突然熔化,滚向一边,决不与烙铁头亲和.用这样的烙铁是无法工作的。烙铁头一旦烧死就必须锉掉表层重新上锡,这对于长寿烙铁头来说就是致命的损失。无论谁,都要充分留意这道手续,当换了一支烙铁,或换了一个工作环境、电网电压变化以后,必须注意调节电烙铁的工作温度:使其大约维持在300℃左右。实际操作的准则是:在不至于烧死烙铁头的前提下尽量调高一些。—定要让烙铁头尖端的部位永远保持银白色的吃锡的状态。
  4.2焊接过程
  4.2.1元器件引出脚的上锡
  这是完整的手工焊接过程的第一步。即将元器件引出脚及焊片、焊盘等被焊物分别地预先用烙铁搪上一层焊锡,这样可以基本保证不出现虚焊。在焊接操作中,一定要养成将元器件预先上锡的良好习惯:对于那些表面氧化、有污渍的引脚和有绝缘漆的线头,上锡前还必须进行表面的清洁处理,手工焊接时—般采用刮削的办法处理,刮削时必须注意做到全面、均匀------尤其是处理那些小直径线头时,不能在刮削的起始部位留下伤痕。
  批量产时不可能进行如此繁杂的手工操作,因此其焊接质量完全要靠元器件的可焊性来保证,必须在投产前做好元器件的可焊性试验工作。
  4.2.2焊接的操作于
  将电路板面向操编辑倾斜搁置,烙铁头工作面靠到被焊零件引脚和焊盘上,同时将焊丝送向三者交汇处的烙铁头上,使其熔化,熔化的焊锡会马上流向并填充它们之间的空隙,使热量迅速地传导过来,很快地将被焊物升温。
  由于焊锡丝有焊剂芯,同时熔化的松香焊剂会流浸到焊接区各金属物的表面,起到焊剂的种种作用。随后,当温度升高到一定的程度时,扩散发生,焊锡浸润被焊物表面,开始形成焊点。然后,移动烙铁,焊点完成,撤离烙铁,冷却凝固等等,但由于焊锡丝中的焊剂量有限,如果被焊物的可焊性不是非常好,往往在焊点还没有完全形成以前焊剂早已被蒸发干净,使焊锡表面氧化变色而无法继续焊下去。为了得到新鲜的焊剂,不得不再送人一段锡丝,让焊丝中的焊剂流出来补充,而这样一来又使得焊锡液滴的总量过多而要用烙铁从焊点的下面将多余的焊锡带走抖掉。有时遇到较难焊的焊点,就必须再三送人焊丝,接着又抖掉多余的焊锡,直到真正的焊点形成。
  为了提高焊锡丝的利用率、尽量缩短焊接时间,可以将开始送人的焊丝分成两部分进行:首先直接向烙铁头送一部分,用以填充间隙,加大烙铁传热的接触面,启动整个焊接过程。当被焊件热起来以后就不失时机地转到烙铁对面的一侧,直接向元器件引脚和焊盘送入另一部分焊锡丝。这样,焊锡丝就起到了引导焊点形成的作用。即可以免去烙铁两边来回移动的动作,又可以让对侧的金属及早地涂上助焊剂,避免升温引起的氧化作用。这是较熟练时的操作手法。
  操作要领仍旧是:‘始终带着焊剂液膜操作,让焊锡在凝固以前总是处于晶莹发亮的状态。’因为焊锡液滴变哑色就说明表面一层已经氧化,已经不是金属,在焊接温度下不会熔解,隔着这层固体杂质,金属间的浸润扩散将无法进行。
  两种焊接手法的基本要求是一致的,就是要在尽量短的时间里得到,一个有着完美合金层的真焊点。实际操作时在第二种手法中往往掺和着第一种手法。
  5.焊接的质量检验
  检验焊接质量有多种方法,比较先进的方法是用仪器进行。而在通常条件下,则采用观察外观和用烙铁重焊的方法来检验。
  5.1外观观察检验法

  一个焊点的焊接质量最主要的是要看它是否为虚焊,其次才是外观。但是,经验丰富的人完全可以凭焊点的外表来判断其内部的焊接质量。
  一个良好的焊点其表面应该光洁、明亮,不得有拉尖、起皱、鼓气泡、夹渣、出现麻点等现象;其焊料到被焊金属的过渡处应呈现圆滑流畅的浸润状凹曲面。大家可以用穿孔插装工艺的焊点剖面图来举例说明。
  附图(a)是优良焊点的剖面,其余则是各种不良的焊点。
  图中(d)和(b)所示的焊点外表看似光滑、饱满,但仔细观察时就可以发现在焊锡与焊盘及引脚相接处呈现出大于90°。的接触角,表明焊锡没有浸润它们,这样的焊点肯定是虚焊;(c)和 (f)都是焊料太少;
  (f)的焊点还不完整,虽然都不算是虚焊,但焊点的机械强度太小;(e)的焊点外表不光滑,有拔丝拖尾现象,表明焊接过程中焊剂用得不够,至少在焊接的后阶段是在缺少焊剂的情况下结束的,难保不是虚焊;(g)焊点在凝固时零件有晃动,焊料凝固成松散的豆渣状。
  其它像连焊、缺焊等都是相当明显的缺陷,不再赘述。
  用观察法检查焊点质量时最好使用一只3-5倍的放大镜,在放大镜下可以很清楚地观察到焊点表面焊锡与被焊物相接处的细节,而这里正是判断焊点质量的关键所在,焊料在冷却前是否曾经浸润金属表面,在放大镜下就会一目了然。
  5.2带松香重焊检验法
  检验一个焊点虚实真假最可靠的方法就是重新焊一下,用满带松香焊剂、缺少焊锡的烙铁重新熔融焊点,从旁边或下方撤走烙铁,若有虚焊,其焊锡一定都会被强大的表面张力收走,使虚焊处暴露无余。带松香重焊是最可靠的检验方法,同时多用此法还可以积累经验,提高用观察法检查焊点的准确性。
  5.3其它焊接缺陷
  除了虚焊以外还有一些焊接缺陷也要注意避免,引线的绝缘层剥得过长,使导线有与其它焊点相碰的危险焊接时温度太高、时间太长,使基板材料炭化、鼓泡,焊盘已经与板基剥离,元器件失去固定,与焊盘联接的电路将被撕断等。
  6.浸焊
  在电子产品的批量生产中,电路板上绝大部分元器件的大量焊接工作必须由一次性整体焊接来完成。电路板的整体焊接包括浸焊、波峰焊和用于SMD的各种再流焊。其中浸焊是一种半手工半机械的方法,在中、小企业的穿孔插装工艺中,作为主要的焊接手段而被普遍采用,现略作先容。 ’
  浸焊的主要设备有浸焊锡炉和发泡松香炉。
  锡炉装有自动控温装置,大多装有24小时到7天为循环周期的定时继电器,可以按照设定的程序自动开炉和停炉,功率为120—2500W,工作温度为100-300℃,最高温度可达400℃以上;选用时其功率和容积应根据生产规模和被加工电路板的尺寸来确定。
  手浸发泡松香炉用来将焊剂发泡使之成为泡沫的涌流,让焊剂能够均匀地涂布于电路板的焊接面,且在浸焊前维持这一状态而不发生流滴。浸焊炉上方应装有良好的抽风设备,以便将焊接时产生的烟雾完全抽走。浸焊的炉温要精心调节,要根据不同的焊料,不同的工件来设定。浸焊操作时用长约250mm,形状和弹力相宜的 不锈钢大夹子夹住电路板的两个长边进行。入炉浸焊前应该先检查一下所插的零件是否有歪斜、跳出等现象,有则稍加整理;再用硬纸板将锡液表面的一层氧化锡膜刮开,随后将蘸好焊剂的电路板浸入。
  浸焊时采取边浸边向前推移的手法,同时尽量使电路板上容易发生连焊的方向与运动方向垂直。人浸时前端稍微下倾,出焊时稍微上翘,使之成一略带弧形的动作效果最好。因为电路板在受热的瞬间会向上弯曲,采取这样的动作就可以使得每一部分焊点的受焊时间相同,有利于减少虚焊和连焊。电路板压人锡液液面的深度以焊锡不会跑到元器件面上来为度。电路板在锡液中的浸焊停留时间大致为2秒,具体时间则要根据不同的工件、炉温及焊料焊剂的性能而有所变化,要精确地掌握好,以出现最少的焊接缺陷而又不热伤元器件为准。浸锡炉中的焊料成分会随着不断地使用而发生变化:锡的成分会减少,铅的比例会提高(即所谓‘偏析现象’),铜、锌等有害杂质的浓度也会上升,一定要注意及时调整,不能仅作量的补充。焊好的工件要用纸板隔开分层摆放,以免焊接时溅附于底板上的锡珠,碎屑在相互碰撞时掉落到零件中,形成不易清理的多余物。   
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