一般焊接原理与实用性（天选打工人）.docx

一般焊接原理与实用性 1.前言 电子工业必须用到的焊锡焊接（Soldering）可简称为“焊接”，其操作温度不超过400℃（焊点强度也稍嫌不足）者，中国国家标准（CNS）称为之“软焊”，以有别于温度较高的“硬焊”（Brazing，如含银铜的焊料）至于温度更高(800℃以上)机械用途之Welding，则称为熔接由于部份零件与电路板之有机底材不耐高温，故多年来电子组装工业一向选择此种焊锡焊接为标准作业程序由于焊接制程所呈现的焊锡性（Solderability）与焊点强度（Joint Strength）均将影响到整体组装品的品质与可靠度，是业者们在焊接方面所长期追求与面对的最重要事项 2.焊接之一般原则 本文将介绍波焊（Wave Soldering）、熔焊（Reflow Soldering）及手焊 (Hand Soldering）三种制程及应注意之重点，其等共同适用之原则可先行归纳如下： 2.1空板烘烤除湿(Baking) 为了避免电路板吸水而造成高温焊接时的爆板、溅锡、吹孔、焊点空洞等困扰起见，已长期储存的板子（最好为20℃，RH30%）应先行烘烤，以除去可能吸入的水份。

其作业温度与时间之匹配如下：（若劣化程度较轻者，其时间尚可减半） 温度（℃）时间（hrs.） 120℃ 3.5~7小时 100℃ 8~16小时 80℃ 18~48小时 烘后冷却的板子要尽快在2~3天内焊完，以避免再度吸水续增困扰 2.2预热（Preheating） 当电路板及待焊之诸多零件，在进入高温区（220℃以上）与熔融焊锡遭遇之前，整体组装板必须先行预热，其功用如下： (1)可赶走助焊剂中的挥发性的成份，减少后续输送式快速量产焊接中的溅锡，或PTH孔中填锡的空洞，或锡膏填充点中的气洞等 > (2)提升板体与零件的温度，减少瞬间进入高温所造成热应力（Thermal Stress）的各种危害，并可改善液态融锡进孔的能力> > (3)增加助焊剂的活性与能力，使更易于清除待焊表面的氧化物与污物，增加其焊锡性，此点对于“背风区”等死角处尤其重要　> > 2.3助焊剂（Flux）> > 清洁的金属表面其所具有的自由能（Free Energy），必定大于氧化与脏污的表面。

自由能较大的待焊表面其焊锡性也自然会好助焊剂的主要功能即在对金属表面进行清洁，是一种化学反应现将其重点整理如下：> > (1)化学性：可将待焊金属表面进行化学清洁，并再以其强烈的还原性保护(即覆盖）已完成清洁的表面，使在高温空气环境的短时间内不再生锈，此种能耐称之为助焊剂活性（Flux Activity）> > (2)传热性：助焊剂还可协助热量的传递与分布，使不同区域的热量能更均匀的分布> > (3)物理性：可将氧化物或其它反应后无用的残渣，排开到待焊区以外的空间去，以增强其待焊区之焊锡性> > (4)腐蚀性：能够清除氧化物的化学活性，当然也会对金属产生腐蚀的效果， 就焊后产品的长期可靠度而言，不免会造成某种程度上的危害故一般配方都刻意使其在高温中才展现活性，而处于一般常温环境中则尽量维持其安定的隋性不过当湿度增加时，则还是难保不出问题故电子工业一向都采用较温和活性之Flux为主旨，尤其在放弃溶剂清洁制程后（水洗反而更会造成死角处的腐蚀），业界早己倾向No Clean既简化制程又节省成本之“免洗”制程了此时与组装板永远共处之助焊剂，当然在活性上还要更进一步减弱才不致带来后患。

> > 3.手焊(Head Soldering) > > 当大批量自动机焊后，发现局部少数不良焊点时，或对高温敏感的组件等，仍将动用到老式的手焊工艺加以补救广义的手焊除了锡焊外，尚另有银焊与熔接等> 早期美国海军对此种手工作业非常讲究，曾订有许多标准作业程序（SOP）以及考试、认证、发照等严谨制度其对实做手艺的尊重，丝毫不亚于对理论学术的崇尚> > 3.1焊枪（Soldering Gun）手焊> > 此为最基本的焊接方式，其首要工具之焊枪亦俗称为烙铁其中的发热体与烙铁头（tip）可针对焊锡丝（Soldering Wire）与待加工件（Workpiece）提供足够的热量，使其得以进行高温的焊接动作由于加热过程中焊枪之变压器也会附带产生节外生枝的电磁波，故焊枪还须具备良好的隔绝（Isolation）功能，以避免对PCB板面敏感的IC组件造成“电性压力”（Electric Overstress; EOS）或“静电释放”Electrostatic Discharge; ESD）等伤害> > 焊枪选择应注意的项目颇多，如烙铁头形状须适合加工的类型，温度控制（±> 5℃）的灵敏度、热量传导的快速性、待工温度（Idle Temp.）中作业前回复温度(Recovery Temp.）之够快够高够稳，操作的方便性、维修的容易度等均为参考事项。

> > 3.2焊锡丝（Solder Wire）> > 系将各种锡铅重量比率所组成的合金，再另外加入夹心在内的固体助焊剂焊芯，而抽拉制成的金属条丝状焊料，可用以焊连与填充而成为具有机械强度的焊点Solder Joint）者称之其中的助焊剂要注意是否具有腐蚀性，焊后残渣的绝缘电阻（Insulation Resistance，一般人随口而出的“绝缘阻抗”是不正确的说法）是否够高，以免造成后续组装板电性绝缘不良的问题甚至将来还会要求“免洗”（No Clean）之助焊剂，其评估方法可采IPC-TM-650中2.6.3节的“湿气与绝缘电阻”进行取舍有时发现焊丝中助焊剂的效力不足时，也可另行外加液态助焊剂以助其作用，但要小心注意此等液态助焊剂的后续离子污染性> > 3.3焊枪手焊过程及要点> > (1)以清洁无锈的铬铁头与焊丝，同时接触到待焊位置，使熔锡能迅速出现附着与填充作用，之后需将烙铁头多余的锡珠锡碎等，采用水湿的海棉予以清除> > (2)熔入适量的锡丝焊料并使均匀分散，且不宜太多其中之助焊剂可供提清洁与传热的双重作用> > (3)烙铁头须连续接触焊位，以提供足够的热量，直到焊锡已均匀散布为止。

> > (4)完工后，移走焊枪时要小心，避免不当动作造成固化前焊点的扰动，进而对焊点之强度产生损伤> > (5)当待加工的PCB为单面零件组装，而其待焊点面积既大且多者，可先将其无零件之另一面板贴在某种热盘上进行预热；如此将可加快作业速与减少局部板面的过热伤害，此种预热也可采用特殊的小型热风机进行> > (6)烙铁头（tip）为传热及运补锡料的工具，对于待加工区域应具备最大的接触面积，以减少传热的时间耗损又为强化输送焊锡原料的效率，与表面必须维持良好的焊锡性，以及不可造成各种残渣的堆积起见，一旦烙铁头出现氧化或过度污染时则须加以更换> > (7)小零件或细腿处的手焊作业，为了避免过热的伤害起见，可另外加设临时性散热配件，如金属之鳄鱼夹等> > 4.浸焊(Immersion Soldering) > > 此为最早出现的简单做法，系针对焊点较简单的大批量焊接法（Mass Soldering），目前一些小工厂或实验做法仍在使用系将安插完毕的板子，水平装在框架中直接接触熔融锡面，而达到全面同时焊妥的做法其助焊剂涂布、预热、浸焊与清洁等连续流程，可采手动或自动输送化，则端视情况而定，但多半是针对PTH插孔焊接而实施浸焊。

SMD之贴装零件则应先行点胶固定才可实施，锡膏定位者则有脱落的麻烦> > 5.波焊(Wave Soldering) > > 系利用已熔融之液锡在马达帮浦驱动之下，向上扬起的单波或双波，对斜向上升输送而来的板子，从下向上压迫使液锡进孔，或对点胶定位SMD组件的空脚处，进行填锡形成焊点，称为波焊，大陆术语称为“波峰焊”此种“量焊”做法已行之有年，即使目前之插装与贴装混合的板子仍然可用现将其重点整理如下：> > 5.1助焊剂> > 波焊联机中其液态助焊剂在板面涂布之施工，约有泡沬型、波浸型与喷洒型等三种方式，即：> > 5.1.1泡沬型Flux：> > 系将“低压空气压缩机”所吹出的空气，经过一种多孔性的天然石块或塑料制品与特殊滤心等（孔径约50~60骻），使形成众多细碎的气泡，再吹入助焊剂储池中，即可向上扬涌出许多助焊剂泡沬当组装板通过上方裂口时，于是板子底面即能得到均匀的薄层涂布并在其离开前还须将多余的液滴，再以冷空气约50~60℃之斜向予以强力吹掉，以防对后续的预热与焊接带来烦恼并可迫使助焊剂向上涌出各PTH的孔顶与孔环，完成清洁动作至于助焊剂本身则应经常检测其比重，并以自动添加方式补充溶剂中挥发成份的变化。

> > 5.1.2喷洒型Spray Fluxing：> > 常用于免洗低固形物（Low Solid；固含量约1~3%）之助焊剂，对早先松香 (Rosin)型固形物较高的助焊剂则并不适宜由于较常出现堵塞情形，其协助喷出之气体宜采氮气，既可防火又能减低助焊剂遭到氧化的烦恼其喷射的原理也有数种不同的做法，如采不锈钢之网状滚筒（Rotating Drum）自液中带起液膜，再自筒内向上吹出氮气而成雾状，续以氮气向上吹出等方式进行涂布> > 5.1.3波峰型Wave Flux：> > 直接用帮浦及喷口向上扬起液体，于狭缝控制下，可得到一种长条形的波峰，当组装板底部通过时即可进行涂布此法可能呈现液量过多的情形，其后续气刀Air Knife）的吹刮动作则应更为彻底才行此种机型之价格较泡沬型稍贵，但却比喷洒型便宜，其中溶剂的挥发量也低于泡沬型> > 5.2预热> > 一般波焊前的预热若令朝上板面升温到65～121℃之间即可，其升温速率约2℃／S～40℃／S之间预热不足时助焊剂之活性发挥可能未达极致，则焊锡性很难达到最佳地步且在挥发份尚未赶光之下，其待焊表面的助焊剂粘度仍低时，将导致焊点的缩锡（Dewetting）与锡尖（Solder Icicles）等缺失。

但预热温度太高时，则又可能会对固形物太低的免洗助焊剂不利，此点须与助焊剂供货商深入了解> > 5.3波焊> > 5.3.1锡温管理：> > 目前锡池中焊料的合金成份仍以Sn 63/Pb37与Sn 60/Pb40者居多，故其作业温度控制以260o5℃为宜但仍须考量到待焊板与零件之总体重量如何大型者尚可升温到280℃，小型板或对热量太敏感的产品，则可稍降到230℃，均为权宜的做法且还须与输送速度及预热进行搭配，较理想的做法是针对输送速度加以变换，而对锡温则以不变为宜，因锡温会影响到融锡的流动性（Fluidity），进而会冲击到焊点的品质且焊温升高时，铜的溶入速率也会跟着增快，非常不利于整体焊接的品质管理> > 5.3.2波面接触：> > 自组装板之底面行进接触到上涌的锡波起，到完全通过脱离融锡涌出面的接触为止，其相互密贴的时程须控制在3-6秒之间此种接焊时间的长短，取决于输送速度（C。