手工锡焊工艺教学体会

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  摘要:文章从焊前准备、典型焊接件的焊接步骤及焊后绝缘处理三个环节详细分析、探讨了手工锡焊工艺过程,并给出了小结及教学体会,目的在于解决实践教学中由于元/器件装置不当、不同焊接对象的焊接步骤掌握不当、绝缘处理不当等造成的焊接质量问题,提高学生的实践操作能力;教师也能以此为基础,优化教学内容,提高授课效率。
  关键词:手工锡焊工艺; 焊前准备; 结构件、印制板焊接步骤; 焊后绝缘处理
  
  一、引言
  我们的日常生活中离不开电子产品及设备,电子产品及设备的质量不仅与产品设计密切相关,也与产品的装配工艺水平密切相关。据统计,电子类产品失效的主要原因[1]之一属于手工焊接、组装过程操作不当或未完全按工艺标准实施而造成的。在学生实践类课程——装配维修工艺的学习中,发现手工锡焊工艺的不同环节存在着元/器件装置不当、不同焊接对象的焊接步骤掌握不当、绝缘处理不当等造成的焊接质量问题,而这些问题对日后学生的实践环节如自主研发性毕业设计、创新性课程设计及参与科研活动等都有不同程度的制约,因而有必要对此进行探讨、研究,提高学生实践操作能力;教师也能够优化其教学内容,提高授课效率。
  二、手工锡焊工艺
  手工锡焊工艺[2]是指利用电烙铁等工具,以铅锡合金为焊料手工完成两种以上被焊件的焊接过程,即将遇热溶化成液态的锡铅焊料,借助于焊剂的作用,溶于被焊金属材料的缝隙,在焊接物面处形成金属合金,并使其连接,得到牢固可靠的焊接点。它属于焊料熔点低于450℃的软钎焊的一种。该工艺过程因被焊金属的形状、体积、材质等因素不同具体实施过程也不同,教学中以常见的镀银铜/纯铜结构件和印制电路板焊接为例说明手工锡焊工艺的过程,该过程如图1所示。
  
  图1:手工锡焊工艺过程
  
  三、焊前准备
  1.焊件处理
  (1) 导线/引线端头、被焊件的加工、清洁
  按不同固结型式剥离导线外表绝缘层至所需长度,拧成绳状(通常为450),搪锡;若导线芯线、引线端头、被焊件有脏污、氧化情形,可视严重程度用酒精、汽油清洗,用细砂纸打磨,搪锡时可适当使用酸性焊剂,务必彻底去除脏污、氧化,使搪锡均匀,无针孔/气眼,确保后续焊接质量。
  (2) 结构件悬挂焊接件时装置方法
  1)在低频电路中元/器件的引线要留有余量;但在高频电路中元/器件的引线要尽量短,元/器件与接点垂直连接,避免分布電感与分布电容的产生。
  2)排列整齐,方向一致,高频电路的输入和输出元件要保持一定距离或角度,防止互扰。
  3)标志朝上,并与底盘标记方向一致,以便后续的调试、检测。
  (3) 印制线路板上焊点的连接方式
  分两类:一是安装在线路板上的元/器件,自身带有供焊接的接点,应选用适当的连接方式实施焊接;二是利用焊盘,直接插装焊接。
  (4) 印制线路板上焊件的装置方法
  1) 一般被焊元/器件装置法:有直立式装置法和水平式装置法
  直立式装置就是将元/器件垂直装置在印制板上,适于密度大、便于拆卸的场合,操作时要注意:
  (a)一头受热较多,故焊点与壳体距离要适当,可采用弯成一定角度或加套套管方式进行。
  (b)为防止短路,引线可加装套管。
  如图2(a)所示。
  水平安装适于平面较为宽敞或装配高度受到一定限制的场合,优点是机械强度高,有贴装和浮装两种形式,如图2(b)所示。
  2) 晶体管、固体器件的装置法
  (a) 对于二极管,引线可先绕1—2圈螺旋成形,以防焊点处开裂,损坏管子,如图3(a)所示;对于三极管通常可采用倒、正、卧、横装,加衬垫装置,如图3(b)所示。
  3) 导线的安装:捆扎成束后,逐根插入焊盘焊牢,也可视具体情况采用网绕或穿越方式在印制板上固定,如图5所示。
  (5) 元件引线穿过焊盘后的处理:现多采用不弯,焊接后沿焊点根部留长1-2mm剪断处理;某些场合引线穿过焊盘后需弯曲45/90度,弯曲方向沿印制导线方向,兼顾元件的稳定性加以处理。
  2.固结型式选择
  (1) 搭接:将被焊导线、元/器件引脚等紧密接触,再行焊接,它适合便于调整和改焊的临时焊点,也适于对焊点机械强度要求不高的场合使用,节省时间。
  (2) 钩接:将待焊导线钩接在接点眼孔中、夹紧,形成钩状,不易脱离,适于对焊点机械强度有一定要求和便于拆焊的接点上,如图6所示。
  (3) 绕接:将被焊元器件的引线或导线端头等绕在待焊接的金属件接点上,以增加强度,提高可靠性,绕接适于眼孔式接点、焊片、柱形焊接点等,基本步骤如下图7所示。
  1)“穿”——穿入导线,确定穿入方向既照顾到不损坏绝缘层又整齐美观。
  2)“绕”——用尖嘴钳夹住端头,顺时针沿接点外围缠绕1—2周,排列紧密整齐。
  3)“剪”——剪去多余线头,若线头长度适当,则不必此步。
  4)“收头”——将线头紧贴结点并夹紧。
  5)“成形”——按要求检查绕接接点成形情况。
  柱形、针形接点至少绕一周,对其它管座如电位计等不同形状的管座绕法通常有两种即立绕和横绕。通常采用立绕,管脚不易相碰短路;若须横绕,则须排列整。教学演示绕接时注意:
  (a) 绕时导线紧贴接点,不出现间隙。
  (b) 整齐美观,尤其是多根导线绕接时。
  (c) 多股导线绕接时,事先必须捻成绳状(450),以防散股,出现焊接毛刺。
  (d) 收头不露在外面,向内收紧。
  (4) 插接:适于插头座带孔、园形插针/插孔等器件固结。将导线插入洞孔底部紧贴内壁,再行焊接。注意被焊导线与洞孔直径相匹配,如图8所示。
  为保证焊接质量,学生实践时,教师务必强调对四种固结方式的基本要求:
  1) 绝缘物与焊点间的距离为1—1.5mm。
  2) 固结牢固。
  3) 元器件引线弯折处离元器件壳体5—8mm以上。
  4) 规格、数字向上,便于检查。
  5) 导线端头固结时,可将导线先引到待焊结构件处,再弯折到固结点上固结。
  3.焊料、焊剂、烙铁的选用及烙铁的预处理
  (1) 焊料的选用:对常见的镀银铜/纯铜结构件和印制电路板焊接时,选用焊料的比例约为61%锡和39%铅、牌号为HLSnPb39,这主要是因为两金属合金在该比例处最接近共晶点,具有较低的熔化温度、较短的凝固时间、较强的固态强度,这些优良的物理特性使该焊料合金在焊接过程中对被焊金属焊点的浸润能力和张力较强。
  (2) 焊剂的选择:焊剂包括助焊剂和阻焊剂两大类,要达到将两种金属连接的目的,需要适当使用助焊剂,从有机类、无机类和树脂类焊剂中选用一种适合被焊金属物面状态的助焊剂,需要考虑焊剂的腐蚀性,通常选用接近中性的树脂类焊剂如松香,其对焊点腐蚀性小,故焊点耐久性强;但在被焊接金属物面氧化程度较重时则需选择酸性焊剂如焊锡膏,以帮助去除表面氧化,避免产生虚焊,同时去除的氧化物随焊剂挥发于焊点表面,应及时清除,以免其对焊点的腐蚀性造成焊点稳固性降低、耐久性差。
  (3) 烙铁的选用及预处理:目前市面上的烙铁种类较多,按照结构分为内热式和外热式;按照温度控制型式分为恒温式和普通式;按功能分为普通式和吸锡式。选用经验包括:精密器件、印制板的焊接选用20W烙铁,一般结构件、导线、接插件焊接选用75W烙铁,粗线和较大金属制品焊接选用100W烙铁。由于教学中实践对象主要为小体积结构件和印制板,因而以小功率、热交换效率较高的内热式电烙铁使用居多,烙铁的选用原则总结如下:
  1)烙铁型式选择取决于热熔量要求,热熔量太小、太大都会影响烙铁头温度及焊点温度,进而影响焊接质量。
  2)烙铁头的形状与被焊面的状态、元/器件的密度要相适应。
  3)烙铁温度与焊料熔点相适应,一般应比焊料熔点高30~80℃。
  4)烙铁在焊接中温度恢复时间要与被焊点的疏密程度、被焊表面的热熔量需求相适应。
  对电烙铁的预处理主要指对烙铁头的处理,就是对表面氧化层的处理,方法如下:
  (a)初次使用根据情况将烙铁头拆下,将使用部位敲打坚硬、成形、再锉光、打磨,然后涂些松香焊剂,搪锡。
  (b)经常用钢丝刷刷烙铁头或将烙铁头在湿布(海绵等)上涂、擦,防止烙铁头上出现氧化层,以保持良好常态。
  (c)一旦烙铁头出现黑色氧化物或凹面时,用锉刀锉平,再重复(a)步骤。
  四、结构件、印制板手工焊接步骤
  1.结构件的焊接步骤
  (1) 清洁烙铁头,将烙铁头放于湿布上擦洗并沾些松香,以去除氧化物、污物,并观察烙铁头的温度是否适宜,在焊接过程中出现氧化物及污物也要随时处理。
  (2) 加热焊接点:目的在于使焊接点升温,使烙铁头的热量较快传到焊接点上。
  (3) 熔化焊料:焊接点上的温度适宜时,应及时将焊锡丝放置到焊接点上熔化。
  (4) 移动烙铁头,拿开焊锡丝:焊料溶化后,将附着于焊点的烙铁头沿焊点形状移动,焊剂帮助焊料流布焊点,浸入物面缝隙,当焊点上焊料流下适量后,移走焊锡丝。
  (5) 拿开烙铁:当焊点上焊料接近饱满,焊剂尚未完全挥发,亦为焊点温度最适宜、光泽最好时,迅速拿开电烙铁。移开烙铁的方向应沿焊点水平方向或引线根部方向移动,在即将离开焊点时稍作停顿,然后迅速离开,以保证焊点光亮、圆滑、不出毛利。
  2.印制板的焊接步骤
  (1)对准焊点:在烙铁头上熔化少许焊锡和松香,烙铁和焊料同时对准焊点。
  (2)接触焊点:烙铁头和焊锡同时接触焊点,时间很短,就能充分熔化焊锡。
  (3)移开焊锡丝和拿开烙铁:在焊锡熔化、焊盘錫量适当的情况下,要迅速移开焊锡丝和烙铁。
  五、焊后绝缘处理
  (1)对结构件焊点的绝缘处理[3]采用酒精清洗去除助焊剂的腐蚀作用。
  (2) 对印制电路板的绝缘处理,包括:
  
  
  (a)清洗准备:包括准备工具、洗液,需保护或预先拆下部分应采取相应措施;
  (b)清洗:采用酒精或汽油进行针对性强的清洁;
  (c)烘干1:利用恒温烘箱,温度控制在60℃左右,不少于2小时,烘干板中的水气;
  (d)绝缘处理:利用绝缘漆涂覆;
  (e)烘干2:将漆的烘干,可仿照烘干1进行;
  (f)复校:指检查、调校印制板的电气性能。
  六、小结
  手工锡焊工艺成功与否的关键在于对工艺过程的把握,要点总结如下:
  (1)在焊前准备中,对被焊元/器件、导线/引线端头的处理即清洁、去氧化、成形、搪锡、装置方式、固结选型须严格到位,不能马虎,否则影响焊接质量;对焊料、焊剂、烙铁的选择与预处理应根据相应的选用原则和被焊件的具体情况实施。
  (2)在结构件和印制板焊接步骤实践中,需体会和把握焊接时间、烙铁温度、用锡量三要素。焊接时间因结构件和印制板这些被焊件的不同而不同,结构件的固结方式有多种,加之体积较大,需传递的热量较多,故焊接时间稍长、焊接步骤稍复杂;印制板是环氧树脂类基层——覆铜层结构,遇热两种材料膨胀系数不同,长时间加热基层与覆铜层易分离,因而焊接时间仅2-3秒,焊接步骤相对简单;理论上焊接时烙铁温度应高于焊锡30-80℃,实际操作中可依据经验而定,如烙铁沾松香熔而不响或视烙铁头部松香烟雾稍弯曲为宜;用锡量应以浸润、包围焊点但又不向外拱出为度,焊点规则、光亮、无尖角/毛刺/针孔/气眼/虚焊。
  (3)在焊后绝缘处理中,要注意恒温箱使用过程中的恒温控制。
  
  参考文献
  [1] 王汉功、赵文軫.修复工程学[M] 机械工业出版社,北京 2002.1
  [2] 张伟.电子设备装配维修工艺.第二炮兵工程学院教材,2002.3
  [3] 梅文华.可靠性增长试验[M] 国防工业出版社,北京2003.5
  
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