一般焊接原理与实用性
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（t ip）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（Insulat ion 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>i型、波浸型与喷洒型等三种方式 ，即： > > 5.1.1泡>i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>i。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>i型稍贵，但却比喷洒型便 宜，其中溶剂的挥发量也低于泡>i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（Dewettin g）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（Conveyor Speed）及波形与浸深等三者所组成的“接触长度”；时程太短焊锡性将未完全发挥，时程 太长则会对板材或敏感零件造成伤害...
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