电路焊接设计的一些焊料知识

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甘木|  楼主 | 2021-11-14 08:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
电子线路焊接,所用的焊料和焊剂,其实有很多品类,虽然都是用来焊接,但是不同品种的焊料和焊剂,有着不同的焊接性能。

不同的性能,可以适应不同的焊接方式,比如:手工焊接,机器焊接,低温恶劣环境焊接等等不同的场景。

最常用的焊料,焊锡丝、焊锡条,如下图所示,是由锡和铅两种金属,按照一定比例融合而成的锡铅合金,其中锡为主料,因此人们叫它”焊锡“。
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最常用的焊料

锡(Sn),是银白色、有光泽、有延展性、呈脆性、在空气中不易氧化的金属,熔点为232℃。
由于纯锡,呈脆性,并且能与大多数金属熔融形成合金,因此为了让以锡为主的焊料具有韧性,同时降低熔点,必须与另外一种金属熔融,以改善锡焊料的焊接性能。
铅(Pb),是青灰色、质软、密度大、有延展性、有毒性、在空气中易氧化的金属,熔点为327℃。
但是铅,是一种不错的锡焊料添加料,当与锡按比例熔融混合后,就得到常用的‘含铅焊锡料’。
这种‘含铅锡焊料’,熔点变低,利于低温焊接,能容易与大多数金属结合(即:容易上焊料),并且价格低、导电性好、焊点可靠。

1、锡焊的焊接原理锡焊,其实是比较复杂的一个化学和物理过程。
当用锡,焊接金属铜的时候,随着电烙铁的加热和助焊剂的帮助,锡先对焊接表面润湿,然后逐渐向铜内部扩散,就像水滴在纸张上那样,在锡与铜的接触面形成附着层,冷却后便形成了焊接点。
在锡与铜的接触面形成附着层的过程中,其间发生了润湿、扩散、冶金结合。
判断某种金属是否能够焊接、容易焊接,取决于两个主要因素:
  • 所用焊料是否可以与焊件形成化合物;
  • 要有可以除去焊接面上的污渍和氧化物等阻止焊料与焊件结合的助焊剂。
比如,钛、硅、铬,这些物质,不能与锡发生反应,因此在对这些物质焊接时,就不能使用锡焊接。

2、锡焊料的成分与熔点的关系锡焊料中,锡和铅的比例不同,熔化温度是不同的,但是它的熔化温度,总是低于组成合金的任何一种纯金属的熔化温度。
对于不同的焊件和焊接环境,需要选择不同熔化温度的焊料,以及使用适合的焊接方法。
常用的含铅锡焊料的成分和用途,见下表所示:
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常用含铅锡焊料的成分和用途

可见,锡的含量在20%~63%之间,如果锡含量高于63%,不仅价格高、熔化温度高,而且焊接点的强度会降低,但是锡含量也不能太低,当低于20%时,焊接强度会减弱、焊接点发脆。
在焊接电子线路时,要避免高温损坏元器件和电路板,常用低温锡(锡63% 铅37% 熔点183℃)。
市售的成品含铅锡焊料,有些还加入了少量的其他金属元素,以进一步改善焊接性能。

3、助焊剂的作用和选择如下图所示,是常用的助焊剂。
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常用的助焊剂

助焊剂,也有人称为:”焊剂、焊药“。
经过清洁处理的焊件表面,在加热焊接时,总是很快又被氧化,形成阻焊层,所以必须使用助焊剂,清理氧化物的同时,隔绝氧气阻止再次氧化,还能降低液态焊料的表面张力,增加它的流动性,让焊点表面光洁美观,焊点内部密实。
助焊剂种类很多,下表是常见的助焊剂用途和性能。
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常见的助焊剂用途和性能

这些助焊剂,在温度升高时,能流淌到焊接表面散开,在清除焊件表面的氧化物的同时,隔绝了与氧气的接触,保持焊件表面‘干净’,还能让焊料的流淌性变好,利于焊料流淌到焊接的缝隙中。
需要注意的是,氯化锌和稀盐酸,虽然有很好的去污能力,使用很方便,但是腐蚀能力也很强,尽量避免在电路板焊接中使用。同样的,焊锡膏,也是使用方便的助焊剂,但是会有很多残留物,焊接时飞溅的物质中有很多酸性物质,同样也会对电路板的其他部分造成腐蚀。
如果要使用氯化锌和稀盐酸或者焊锡膏,来焊接电路板,焊接完毕后,必须彻底清洗,以免因为腐蚀造成电路板出现,无法预期的故障。
业余条件,和不洗板的情况下,焊接电路板,最常用,最适合助焊剂是‘松香’,它的优点是,无腐蚀性,不会沾染灰尘。
松香,在焊接时,松香酸能温和的去掉焊件表面的氧化物,并且在气化的同时,还能带走一部分氧化物,并且可以增加焊锡的流动性和浸润性。
松香,实际上是树脂制品,呈半透明状态,颜色淡黄为品质好,颜色赤褐品质稍差。
松香,通常是块状,可以直接用电烙铁蘸取使用,但是反复使用一块松香,上面会附着许多杂质,如,碳化物、金属粉末、金属氧化物等,这些污物会让焊点产生多孔、不光洁,在焊点周围形成一圈污垢。
还有一种,比较好的用法就是配制‘松香水’,如下图所示:
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松香水的配制

把松香压成粉末,放进95%的酒精(乙醇)中,按照1份松香3份酒精的比例配制。使用时用棍子或者细管子蘸取,涂抹到焊接面上即可。
松香水的配比,不必特别精准,只要不要太粘稠,或者太稀就好(即:酒精挥发后焊接面上的松香太少)。
除了上述的助焊剂,电子行业里,还使用多种专用助焊剂,如下表所示:
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一些专用助焊剂的配方

这些助焊剂,一般没有售卖,如果您感兴趣,可以自行配制,尝试其性能。

4、成品焊料的规格选择成品焊料,通常被制成条状、丝状、中空含助焊剂的丝状等。
对于丝状的焊料,外径又有0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3mm等等。
通常,用于电子线路焊接的,是含锡63%的低温焊料,它价格贵,但是焊接效果好,那些熔点高,焊接后焊点粗糙呈糟糠状态,是含锡量低,含铅量高的高温焊料。
因此,在选择焊料时,要从焊接手段(手工、机焊、回流焊、波峰焊等)、对焊点的要求(环保要求高的地方要求含铅量低)、以及生产中的综合因素,取选择适合的焊料牌号。
下面介绍几种特殊成分的焊料:
1、加锑焊锡
如果焊点需要在极冷环境使用(如南北极地),普通的锡铅合金会重新结晶,焊点会变成结晶态,会很脆,就像在液氮中的玫瑰花一样,轻轻一敲就会‘粉碎’,同时这种结晶变化,会引起焊点膨胀,断裂。
如果在这种极冷环境,使用加锑焊锡(锡63%、铅36.7%、锑0.3%)就可以防止焊料结晶。
2、加镉焊锡
当焊接热敏元器件和玻璃元器件时,为避免元器件爆裂,常用加镉焊锡,它是超低温锡焊料,熔点仅位145℃。
这种加镉焊锡(锡50%、铅33%、镉17%),由于熔点低,加温和降温的时间都很短,有利于缩短焊接时间,但是镉有较强毒性,因此使用是必须谨慎。
3、加银焊锡
在焊接具有镀银表面的焊件(如陶瓷电容器)时,为了避免焊料熔掉焊件表面的镀银层,通常使用加银焊锡。
这种加银焊锡(锡62%、铅36%、银2%),熔点为179℃,由于含有银,对于镀银焊件的镀银层有保护作用。
4、加铜焊锡
在焊接极细的铜线(比如耳机振膜的音圈引线就是极细的漆包铜线)时,为了避免焊锡对铜线的侵蚀,让铜线进一步变得更细,这时应当使用加铜焊锡。
这种加铜焊锡(锡50%、铅48%、铜1.5%),由于含有铜,性能和加银焊锡一样,都是避免对焊件上少量的焊件金属进行侵蚀,导致焊件上的少量金属变得更少。

5、无铅焊锡——环保焊锡铅及其化合物,是17种严重危害人类寿命和自然环境的物质之一,也是世界公认影响儿童中枢系统发育的环境毒素之一。
人的体内,如果存在过量的铅,会导致神经和再生系统紊乱,引起发育迟缓、贫血、高血压、血色素减少。
铅,对人的污染,主要是从呼吸系统和皮肤上的毛细血管,进入体内造成污染。
然而,工业废弃品(如废旧电子产品)其中的焊锡里含有铅,会与雨水中的物质发生化学反应,形成铅的化合物,并渗入地下水,通过食物链进入人体。
如今,环保已经是人类的一大课题,许多国家都立法降低铅污染,为了消除铅污染,无铅焊锡势在必行。
目前国内外研究的无铅焊锡主要以,锡(Sn)为主,添加银(Ag)、锌(Zn)、铜(Cu)、锑(Sb)、铋(Bi)、铟(In)等合金元素,通过合金化,改善焊料性能。
国内,目前可供应的,比较成熟的无铅焊锡,如下表所示:
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国内可供应的无铅焊锡成分表

无铅焊锡中,锡银二元合金,熔点在221℃~235℃之间,最大的特点是耐热性和抗疲劳性优于普通焊锡,就是熔点太高,成本也高。在锡银二元合金中添加铜,可以降低熔点,提高焊接可靠性。
锡铋二元合金,特点是熔点低,这对耐热性差的电子元器件来说是有利的。同时保存稳定性好,可以使用和有铅焊料相同的助焊剂进行焊接。它的不足之处是,铋越多焊锡会变硬变脆,加工性和焊接可靠性会降低。
锡锌二元合金,拉伸强度、初期强度、长时间强度变化这些参数都比有铅焊锡优越,延展性和有铅焊锡相同。同时锌的毒性弱,成本低,从机械强度、熔点、成本、毒性等方面考虑,锡锌二元合金替代普通有铅焊锡最合适,但是锌的稳定性不好(锌的化学性质比较活泼,容易发生化学反应。),易氧化,需要特别的助焊剂,才能保证焊接质量。
整体看,无铅焊锡,相比于有铅焊锡,上锡能力差、熔点还比较高,这是相对于有铅焊锡的缺点。
无铅焊锡通常需要特别的助焊剂,如下表所示:
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无铅焊锡的配套助焊剂

由于无铅焊锡的特殊性,使用与之配套的助焊剂才能在焊接温度下保证润湿性和焊接质量。
无铅化,是一个逐渐深化的过程,不仅是焊锡无铅,还有外壳、其他金属部件都要无铅化,才能彻底达到无铅。

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甘木|  楼主 | 2021-11-14 08:37 | 显示全部楼层
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qbwww| | 2021-11-14 09:51 | 显示全部楼层
锡(Sn),是银白色、有光泽、有延展性、呈脆性、在空气中不易氧化的金属,熔点为232℃。
由于纯锡,呈脆性,并且能与大多数金属熔融形成合金,因此为了让以锡为主的焊料具有韧性,同时降低熔点,必须与另外一种金属熔融,以改善锡焊料的焊接性能。

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