| 序言
由于很多公司開始面對(duì)無鉛焊接的工藝挑戰(zhàn)，手工焊接以及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是制造中的關(guān)鍵因素，需要更過的研究與發(fā)展。
手工焊接一般發(fā)生在生產(chǎn)線的末端，這時(shí)的 PCB板已經(jīng)具有很高的內(nèi)在價(jià)值，所以手工焊接的過程控制是否正確對(duì)生產(chǎn)率與成本的高低有重要的影響。
本文討論涉及手工焊接的過程控制的幾個(gè)重要因素并討論如何適應(yīng)滿足完成無鉛焊接的需要。
過程控制
現(xiàn)在許多生產(chǎn)商對(duì)衡量手工焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)主要靠檢查烙鐵頭的溫度。隨著無鉛焊接溫度比傳統(tǒng)焊接溫度的提高，焊接熔點(diǎn)的提高，需要一種更為全面的衡量標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。
IPC 要求在一個(gè)固定時(shí)間段，手工焊接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要達(dá)到最佳的焊點(diǎn)連接溫度。它不是強(qiáng)調(diào)絕對(duì)的焊接溫度，而是強(qiáng)調(diào)焊點(diǎn)的熱交換效率。諸如烙鐵頭的形狀尺寸，焊接時(shí)的功率輸出與焊接的時(shí)間長(zhǎng)短都對(duì)焊點(diǎn)的熱交換效率有影響， 所以這些因素在檢測(cè)，控制與分析無鉛焊接過程時(shí)都應(yīng)該考慮進(jìn)去。
所以，手工焊接過程可以分為以下幾步：
（A） 烙鐵頭應(yīng)該清理干凈，上錫，選擇合適的形狀以保持和焊點(diǎn)/焊盤最
大的接觸面積
（B） 烙鐵頭與焊點(diǎn)的接觸點(diǎn)的溫度應(yīng)該在焊錫絲熔點(diǎn)以上40c 保持2-5
秒，在此期間助焊劑產(chǎn)生作用并揮發(fā)，焊錫絲熔化。
（C） 焊錫絲熔化以后，開始覆蓋焊點(diǎn)焊盤與通孔。
（D） 烙鐵頭離開焊點(diǎn)，熔化的焊錫凝固。
焊接處的溫度
對(duì)任何手工焊接過程，焊接點(diǎn)形成的正確溫度對(duì)于形成優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)都是至關(guān)重要的，通過檢查焊接點(diǎn)金屬層的厚度與內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)可以清楚地分析出焊接中傳遞給焊點(diǎn)的熱量是否正確。
焊接表面可以反映出焊點(diǎn)焊盤在電路板上形成是否良好。
控制焊點(diǎn)處金屬層厚度對(duì)于形成可靠的連接是很重要的。焊點(diǎn)內(nèi)部金屬形成速率與焊接溫度與焊接時(shí)間有關(guān)。如果烙鐵提供的熱量過大，會(huì)增大焊點(diǎn)金屬層的體積，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生易脆的缺陷。提供的熱量過小，會(huì)使焊點(diǎn)熔化不足。
焊點(diǎn)金屬層厚度會(huì)反映出焊點(diǎn)的質(zhì)量
（左側(cè)：溫度過低，中間：溫度合適，右側(cè)：溫度過高）
如下圖，焊腳處的焊點(diǎn)形狀與外觀可以反映出焊點(diǎn)的質(zhì)量，不幸的是無鉛焊接
焊腳與有鉛焊接的焊腳外觀很不一樣
助焊劑的考慮
烙鐵傳輸?shù)臒崃空_與否也影響到助焊劑的運(yùn)用。
普通的助焊劑由以下成分組成，它們的沸點(diǎn)如下：
酸 (Adipic, Glutaric) 200C-260C
酒精 (Ethanol, Propanol) 78C-180C
水 100C
酒精與部分酸的沸點(diǎn)低于普通的手工焊接溫度。所以為了避免防止助焊劑在過早地?fù)]發(fā)，使助焊劑有充分的時(shí)間起作用，保證焊接烙鐵不要提供焊點(diǎn)過多的熱量和過高的溫度是很重要的。
助焊劑的選擇對(duì)于形成良好的焊點(diǎn)也是重要的。隨著焊接溫度的提高，氧化的速度也提高，由于無鉛焊接具有較弱的親和力，需要助焊劑有較“強(qiáng)”的作用，所以焊錫絲中的助焊劑含量應(yīng)該從普通的1%提高到2%（體積百分比）。
較強(qiáng)的助焊劑的使用，需要更多的對(duì)PCB板的殘余焊接物的清洗，因?yàn)楹芏嗥髽I(yè)已經(jīng)采用非清洗焊錫膏，增加對(duì)殘余焊接物的清洗勢(shì)必增加相應(yīng)的環(huán)境問題。
加熱曲線
為了形成良好的焊接，保證在熔點(diǎn)溫度以上40c 的時(shí)間在2-5 秒， 我們需要烙鐵提供相當(dāng)?shù)臒崃�。大部分企業(yè)采用無鉛焊接時(shí)，選擇的焊錫絲是采用SAC合金（Tin/3.8 Silver/0.7 Copper eutectic ）。它的熔點(diǎn)為217C, 焊接溫度則應(yīng)為257C, 選擇SAC合金則為260C.
按照以上說述，可以得到以下的理論曲線：
當(dāng)烙鐵頭和焊錫絲與焊點(diǎn)接觸時(shí)，我們從上圖可以看到溫度迅速上升，在這段時(shí)間助焊劑揮發(fā)并起作用。當(dāng)溫度升到熔點(diǎn)以上時(shí)，焊點(diǎn)開始熔化。然后維持大約4秒，烙鐵移開，焊點(diǎn)凝固。
注意上面的曲線，在從液相變?yōu)楣滔鄷r(shí)，曲線有一個(gè)凹段。
但是在實(shí)際操作上，操作者很少能夠?qū)⒗予F停留到焊點(diǎn)2秒以上，所以實(shí)際的曲線是下面的，在短時(shí)間內(nèi)，加熱有一個(gè)峰區(qū)，很多的熱量在此傳遞給焊點(diǎn)。
比較上面2個(gè)曲線，可以看到焊點(diǎn)實(shí)際達(dá)到的溫度比推薦的熔點(diǎn)以上40C要高，但時(shí)間要短。然而，如果考慮到烙鐵傳遞的熱量為溫度與時(shí)間的函數(shù)，二者的熱量應(yīng)該做到差不多才對(duì)。
從下圖可以看到2個(gè)曲線在熔點(diǎn)217c 以上的面積是相等的。
為了更說明問題，我們做這樣一系列的曲線在4層PCB板通孔上試驗(yàn)獲得，一個(gè)K型熱電偶穿過通孔，通孔的選擇是考慮到最少有的手工焊接情況，以適應(yīng)無鉛焊接的普遍情況。這時(shí)候，將焊接管腳插入4個(gè)同樣的孔進(jìn)行手工焊接。
我們進(jìn)行以下比較試驗(yàn)：
第一組試驗(yàn)是采用常用的鑿型烙鐵頭，烙鐵頭溫度為395C, 采用60/40 Sn/Pb有鉛合金焊錫和Sn/Ag/Cu無鉛合金焊錫重復(fù)試驗(yàn)。
第二組試驗(yàn)采用無鉛焊錫Sn/Ag/Cu在2個(gè)不同的烙鐵頭溫度395C and 335C下進(jìn)行比較試驗(yàn)。
從第一組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，曲線的峰值溫度和在助焊劑作用區(qū)溫度升高的斜率都是非常相似的。不過你可以看到采用無鉛焊接比有鉛焊接在時(shí)間上有0.2-0.5秒的滯后，這很可能是由于無鉛焊接Sn/Ag/Cu 合金比有鉛焊接Sn/Pb合金有較弱的焊錫親和力。
第二組試驗(yàn)比較2個(gè)不同的焊接溫度下的情況�？梢钥吹�，較低的烙鐵頭溫度有比較長(zhǎng)的焊接形成時(shí)間，到達(dá)最高溫度也比較低盡管溫度差并不大。令人感興趣的是，在助焊劑作用區(qū)溫度升高的速度對(duì)于較低溫度的烙鐵頭反而比較快，雖然整個(gè)的焊接時(shí)間是相似的。
由此我們可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：
1. 由于無鉛焊接的 Sn/Ag/Cu 合金焊錫的焊接親和力較弱，焊接的時(shí)間有一點(diǎn)延長(zhǎng)。
2. 助焊劑的活化作用與焊點(diǎn)的最高溫度受合金成分的影響很小。
3. 焊點(diǎn)的最高溫度受烙鐵頭溫度的影響比較大，如果你選擇了合適的烙鐵頭尺寸，并且在焊點(diǎn)處有良好的熱傳導(dǎo)，這一影響在焊接的開始時(shí)間會(huì)有所減小。
客戶必須在焊接時(shí)間，消耗成本，正確的焊接數(shù)量之間選擇最佳的平衡點(diǎn)。提高焊接溫度可以改善無鉛焊接的合金焊錫親和力比較弱的缺點(diǎn)，并且試焊接的時(shí)間縮短，但是這樣做的危險(xiǎn)性是有可能損壞PCB板和芯片，同時(shí)會(huì)影響助焊劑的作用效果。
另一個(gè)選擇是設(shè)法增加和維持較高的熱傳導(dǎo)效率，這樣既可以減少損壞PCB板和芯片的危險(xiǎn)，又可以使焊接成本保持盡可能低的水平。
最佳的熱傳導(dǎo)。
標(biāo)準(zhǔn)的烙鐵頭是由以下成分構(gòu)成：
注：chrome( 鉻)nieckel( 鎳)iron ( 鐵)copper (銅) tin ( 錫)
采用銅的原因是它有良好的熱傳導(dǎo)特性，鐵的作用是可以防止銅的耗散并保護(hù)銅的外形，最外側(cè)的涂層（必須是無鉛焊材料）使烙鐵的焊接具有好的沾錫特性-形成好的熱傳導(dǎo)特性。對(duì)這涂層的保護(hù)對(duì)于形成最佳的熱傳導(dǎo)極為關(guān)鍵。(鉻與鎳的作用是防止在焊接中焊錫滲入烙鐵頭內(nèi)部)另外一個(gè)重要的選擇是挑選正確的烙鐵頭幾何形狀，它的大小應(yīng)當(dāng)與被焊接的元件相當(dāng)，平的烙鐵頭比圓的烙鐵頭有更大的接觸面積，從而有更好的熱傳導(dǎo)特性。
烙鐵頭壽命
一般來說，所有的烙鐵頭當(dāng)采用無鉛焊合金涂敷表面以后，壽命都要有所下降，因?yàn)椋?BR>1. 錫的含量增大，而錫會(huì)腐蝕烙鐵頭中鐵的的涂層。
2. 無鉛合金的熔點(diǎn)較高。烙鐵頭被腐蝕的速度與溫度成比例。
3. 鐵的涂層有較高的氧化率。
4. 助焊劑有更強(qiáng)的腐蝕性。
由于材料本身的特性，烙鐵頭的被腐蝕是無法避免的。
所有的涂層表面都有缺陷存在，如下圖的裂縫所示。
焊錫熔化以后勢(shì)必沿這些裂縫往里面滲透。這種損壞被稱為初始的損傷，大部分使用時(shí)間（約90%）導(dǎo)致烙鐵頭的這種損傷。
一旦熔化的焊錫穿透鐵的鍍層進(jìn)入到銅的內(nèi)部，銅材料就會(huì)迅速被破壞，烙鐵頭的壽命就終止。10%的使用時(shí)間導(dǎo)致烙鐵頭這種損壞
增加貼得鍍層厚度雖然可以增加烙鐵頭的使用壽命，但是將導(dǎo)致烙鐵的熱傳導(dǎo)特性下降，所以并不能以為鍍層厚度越厚越好。
良好的鍍層與對(duì)烙鐵頭很好的維護(hù)對(duì)改善烙鐵頭的熱傳導(dǎo)特性與延長(zhǎng)烙鐵頭的使用壽命有重要的影響。
無鉛焊點(diǎn)的外觀
一般來說，無鉛焊點(diǎn)的外觀與有鉛焊點(diǎn)的外觀完全不同。
IPC正在開始制定關(guān)于焊點(diǎn)外觀的標(biāo)準(zhǔn)，不過許多公司有他們自己的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于生產(chǎn)者來說，實(shí)施這種新的標(biāo)準(zhǔn)與培訓(xùn)也是同樣重要的，不然操作者與質(zhì)量檢測(cè)人員會(huì)抵觸這種新的標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致不必要的返工。
以下是典型的無鉛焊點(diǎn)的例子。
總的結(jié)論
如果要避免因?yàn)檫^高的溫度對(duì)元器件的損壞，在手工焊接時(shí)必須考慮以下條件：
1. 烙鐵頭的幾何形狀與尺寸要選合適，以保證烙鐵頭對(duì)焊點(diǎn)有良好的熱傳導(dǎo)。
2. 焊錫絲中的助焊劑含量與作用強(qiáng)度要選擇合適。增加助焊劑的含量有助于改善熱傳導(dǎo)，但會(huì)增加清理的困難。助焊劑的作用強(qiáng)度適當(dāng)是重要的。
3. 烙鐵頭的溫度要能夠升高的一定的溫度，這對(duì)于焊點(diǎn)最后形成的溫度與保證助焊劑的作用強(qiáng)度是很重要的。
4. 現(xiàn)在的烙鐵頭溫度在多數(shù)場(chǎng)合下只要烙鐵頭幾何形狀與尺寸選擇正確是可以應(yīng)用的，較高的烙鐵頭溫度對(duì)于某些熱量需求較高的焊接或許是必要的。
無鉛焊接要比以往的普通焊接要求更加嚴(yán)格的工程控制，所以手工無鉛焊不僅對(duì)于烙鐵頭溫度有更高的要求，而且對(duì)于烙鐵頭的幾何形狀，烙鐵頭輸出的功率以及良好的熱傳導(dǎo)速度也同時(shí)有更高的要求。
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