无铅手工焊接工艺分析

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摘 要：目前电子产品生产已经基本实现无铅化，手工焊接是最基础的焊接方法，而电烙铁是手工无铅焊接的主要工具。从无铅与有铅焊料工艺窗口的比较、手工焊接工具的选择、电烙铁的操作方法、手工焊接温度曲线及其热能量传导方面对手工焊接工艺进行分析，探讨如何提高手工焊接的工艺水平。

关键词：无铅手工焊接 焊接工艺 分析

中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-060-03

尽管随着贴片技术与波峰焊技术的普遍使用，电子制造对手工的焊接使用慢慢减少，但是在产品试制、科学研究、学校实训和产品维修过程中手工焊接仍然需要。手工焊接是自动焊接的基础，也是电子工程人员必须掌握的基本技能。2005年以前我国基本都是有铅的焊接，欧盟从2006 年7月1日起在消费类电子产品中禁用铅，我国也从2007年3月1日起对电子产品推行无铅化，现在已经基本实现无铅化了。电烙铁是手工无铅焊接的主要工具，理论来源于实践但可以指导实践，只有深刻领会“焊接温度”、“焊接时间”的含意，通过理论的指导再加上勤奋的练习才能把电烙铁使用好。

1 有铅与无铅焊料工艺窗口比较

无铅焊料种类繁多，不同国家有不同的指定材料，SAC305是我国常用的无铅焊料，即Sn-3.0Ag-0.5Cu（Sn-Ag-Cu系）。焊料对整个工艺的可操作性、可靠性等方面起着决定性的作用，无铅焊料与有铅焊料Sn63Pb37相比有不同特性。图1中分别是锡铅焊料与无铅焊料的手工焊接工艺窗口。

PCB损坏温度区，温度为300℃左右，焊点达到这个温度会造成PCB焊盘损坏；元器件损坏温度区，温度为260℃左右，焊点达到这个温度会造成元件损坏；回流焊接温度区；虚线为焊锡熔点温度；助焊剂活化区，为该区域的下半部分。

从图1可知，Pb-Sn焊料的回流焊接温度为215℃ -230℃，无铅回流焊接温度为245℃ -255℃左右。若以元器件损坏温度为260℃为顶线，焊料的回流焊接温度为底线，则两线之间的温度差称为“焊接工艺窗口”。Pb-Sn焊料的工艺窗口为40℃左右；无铅焊料（SAC305）的工艺窗口仅为20℃左右，显然无铅焊料工艺窗口比有铅焊料工艺窗口要窄许多，实际上，工艺窗口的缩小比理论值大。

焊料的工艺窗口直接影响了焊接时工艺控制的难易程度，工艺窗口宽的焊料，在温度控制偏高时也不会使元件损坏；而工艺窗口窄的焊料，在温度控制偏高时会使元件损坏，温度控制偏低时会出现冷焊。因为无铅焊料工艺窗口比有铅焊料工艺窗口要窄许多，所以无铅焊接时工艺控制要难很多，无铅焊接过程中容易造成元件及PCB焊盘的损伤。此外，无铅焊料的表面张力大、流动性差，焊料的润湿性比有铅焊料差，焊接过程中易出现拉尖、短路、气孔等缺陷。

2 手工焊接工具的选择

工艺窗口的缩小给工艺人员带来很大的挑战，同时焊接温度的提高也对焊接工艺提出了更高的要求。手工焊接的主要工具是电烙铁，“工欲善其事，必先利其器”，要提高无铅手工焊接的工艺水平，必须要有合适的电烙铁。电烙铁要功率大、温控精度高、回温速率快，同时要注意烙铁头的配匹性以及烙铁头镀层质量。理想无铅手工焊接温度曲线如图2所示。

进行手工无铅焊接，要掌握焊接时的三个重要温度参数：

（1）无铅焊料的熔点温度。焊料熔点提高了40℃，烙铁头温度也要相应提高，而且不同的焊料有不同的熔点。如：锡-银（Sn-Ag）熔点约为217℃，锡-铜（Sn-Cu）熔点约为227℃。

（2）最适合的焊接温度。要形成有效的合金焊点，焊接温度要比焊料的熔点高出40℃，焊接时保持这个温度3-5秒，其接合面才能生成1-3min厚度的金属化合物层，此时焊点的机械、电气性能最好。

（3）电烙铁加热设定温度。无铅焊料的焊接，烙铁的设定温度应采用低端温度。温度的设定要根据被焊元件的耐热性、焊接部位吸收热量成度等因素进行设定。

3 电烙铁的操作方法

手工烙铁无铅焊接与有铅焊接的工艺过程是相同的，电烙铁操作者应该严格要求自已，培养良好的操作习惯，做到正确的焊接姿势，熟练掌握焊接的基本操作步骤和手工焊接的基本要领。

3.1焊接的姿势

电子产品手工焊接的姿势一般采用坐姿，工作台和坐椅的高度要合适，操作者的头部与电烙铁之间相对位置应保持30～50cm，一手拿烙铁，一手拿焊锡丝，注视焊接点。

3.2握电烙铁的方法

通常电烙铁的操作方法有三种：反握法、正握法和笔握法，反握法适合于较大功率的电烙铁（>75W），用于焊接大焊点；正握法适用于中功率电烙铁及带弯头电烙铁的操作；笔握法适用于小功率的电烙铁，主要用于电子产品的手工焊接。

3.3电烙铁接触焊点的方向

电子产品的手工焊接一般使用笔握法焊接，焊接时应将电烙铁呈45度方向接触焊点。

3.4手工焊接操作的基本步骤

通常手工焊接操作过程可分为五个操作步骤（也称五步法），如图3所示。

（1）准备施焊：首先将电烙铁加热到工作温度，准备焊锡丝。然后将烙铁头和焊锡丝接近焊盘，准备焊接；

（2）加热焊件：将烙铁头移到焊盘和焊件，使其均匀预热，不要施加压力或随意移动电烙铁；

（3）熔化焊料：将焊锡丝送到烙铁头与焊盘接触部位，使之熔化；

（4）移开焊料：待焊点成型后，迅速移开焊锡丝；

（5）移开烙铁：移开电烙铁，待焊点冷却成型。

在焊点较小的情况下，也可采用三步法完成焊接，即将五步法中的（2）、（3）步合并，（4）、（5）步合并。

4 手工焊接温度曲线及其热能量传导

4.1手工焊接温度曲线

手工焊接要形成可靠焊点，降低产品废品率，提高生产效率。这与焊接过程的控制有紧密联系，在上述五步操作法中，每一步的温度曲线如下：

第一步准备施焊中，所要焊接的焊盘仍处于室温，仅是烙铁头达到预设的温度，焊盘温度状态如图4所示。

第二步加热焊件和三步熔化焊料的操作过程中，加热的烙铁头接触焊盘和焊锡丝，烙铁头上存储的热能量传递给焊盘、被焊物的管脚和焊锡，焊锡和焊盘温度快速上升，因为电烙铁头存储热能量的供应是非控制的，所以此时烙铁头温度有所下降，如图5所示。当焊盘温度达到设定要求时，焊料熔化，同时焊剂也快速熔化，焊剂中的活化剂快速地去除元件引脚及焊盘上的氧化层，焊料迅速在铜层上铺展润湿，并形成有效的焊点，如图6所示。

在焊接过程中，烙铁头与被焊工件相互接触，形成锡焊点所需的温度称为“焊接温度”，切记，电烙铁显示的温度（旋钮刻度），不等于能形成焊点所需的焊接温度。美军标（MIL-STD/IPC Rule of Thumb）规定焊接温度为焊料熔点加上40℃，例如无铅焊料Sn60Pb40（熔点为183℃），其焊接温度为223℃。

烙铁头与被焊工件相互接触，形成锡焊点所需的时间称为“焊接时间”，该时间美军标规定在3～5秒之间为宜。

第四步移开焊料和第五步移开烙铁的操作中，应先移开锡丝后再移开烙铁头。否则会出现拉尖现象，如图7所示。

第五步后是焊盘的冷却并形成有效的焊点，应注意此时焊料末完全冷却，被焊工件不宜震动否则会出现扰焊故障，如图8所示。

将上述步骤中焊盘上温度变化采用温度记录仪测量，可得到如下连续的温度曲线图形，即为手工烙铁焊接温度曲线，如图9所示。

4.2手工焊接的热能量传导

从“热能”角度来说，影响电子焊接成功的最重要因素是对焊点需要的热量的有效传递和控制，电烙铁操作的五个步骤中，第二加热焊件和第三步熔化焊料是焊点形成的过程，也是手工焊接的最为关键的一步。

焊接过程是热能量从热源向被焊物的热能量传送过程，在这个过程中，加热的烙铁头接触焊盘和焊锡，烙铁头上存储的热能量传递给焊盘，被焊物的管脚和焊锡使其升温，当焊锡丝熔化时助焊剂开始活化，此时进人“助焊剂活化区”（如图9所示），活化剂能够去除被焊物上的氧化层，保证形成良好的焊接润湿，在这期间，电烙铁不能温度过高，否则会使加速助焊剂的分解，影响焊接的效果。

随着电烙铁热能的继续传递，温度达到焊接温度时，就进入“回流焊接区”（如图9所示），焊锡在被焊物表面流动，填充间隙形成焊点，在这期间，电烙铁中的加热体要能及时补充热量，才能保证形成优良的焊点。除很小的焊点情况外，形成可靠焊点的能量是加热体的补偿能量，当烙铁接触初期，烙铁头温度是下降的，当温度降到一定值，电热芯开始加热补充热能，合并后的热能提供焊料回流焊接的需要。不同品牌烙铁质量的区别就在于第二次补热是否及时。

5结束语

无铅手工焊接对焊接的工艺提出了更高的要求。电烙铁是手工无铅焊接的主要工具，如何提高手工焊接的质量？理论来源于实践但可以指导实践，只有深刻领会“焊接温度”、“焊接时间”的含意，通过理论的指导再加上勤奋的练习才能把电烙铁使用好，从而提高手工焊接的工艺水平。

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