总第２０４期 ２０１１年第６期 舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ＿３１ Ｎｏ．６ １９６ 焊接工艺的质量分析和质量控制 陈为华 （武汉数字工程研究所武汉４３００７４） 摘要焊接工艺质量是电子计算机，尤其是军用计算机可靠性的关键。文章对影响焊接工艺质量的各个环节，如焊 接机理、焊接要素、焊料、助焊剂、阻焊剂、焊接设备、焊接方法等都进行了分析，从中提出控制质量的措施和办法。这是实际 工作经验总结，对提高军工生产质量很有参考价值。 关键词焊接工艺；助焊剂；阻焊剂；烙铁；质量控制；可靠性 ＴＰ３０２．７ 中图分类号Ｑｕａｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｃｈｅｎ Ｗｅｉｈｕａ （Ｗｕｈａｎ Ｄｉｇａｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４） Ａｂｓｔｒａｃｔ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｏｆ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｌｌ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｔｈａｔ ｃｏｕｌｄ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｓｕｃｈ ａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｅｌｅ— ｍｅｎｔｓ，ｓｏｌｄｅｒ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｆｌｕｘ，ｓｏｌｄｅｒ ｒｅｓｉｓｔ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｈａｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｅｆｆｏｒｔ ｉｓ ａ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔｙ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｓｏｌｄｅｒ，ｓｏｌｄｅｒ ｒｅｓｉｓｔ，ｂｒａｎｄ ｉｒｏｎ，ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ３０２．７ １ 引言 焊接是电子产品组装过程中的重要工艺。焊 讨＇以确保焊接质量，提高计算机产品的可靠性。 ２焊接工艺的基本环节 ２．１锡焊分类及特点 接质量的好坏，直接影响电子电路及电子装置的工 作性能。优良的焊接质量，可为电路提供良好的稳 定性、可靠性，不良的焊接方法会导致元器件损坏， 给测试带来很大困难，有时还会留下隐患，影响电 焊接一般分三大类：熔焊、接触焊和钎焊。 １）熔焊 熔焊是指在焊接过程中，将焊件接头加热至熔 化状态，在不外加压力的情况下完成焊接的方法。 如电弧焊、气焊等。 ２）接触焊 子设备的可靠性。随着电子产品复杂程度的提高， 使用的元器件越来越多，有些电子产品（尤其是有 些大型电子计算机设备）要使用几百上千个元器 件，焊点数量则成千上万。而一个不良焊点都会影 响整个产品的可靠性。焊接质量是电子产品质量 的关键。因此，对焊接质量进行分析和实施控制是 十分重要的。 在焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或 不加热）完成焊接的方法。如超声波焊、脉冲焊、摩 擦焊等。 ３）钎焊 本文主要是对锡铅焊接工艺、焊料和焊剂的选 用、手１二焊接技术和自动焊接技术等进行分析探 钎焊采用比被焊件熔点低的金属材料作焊料， 将焊件和焊料加热到高于焊料的熔点而低于被焊 ＊收稿日期：２０１０年１２月１９日，修回日期：２０１１年１月１８日 作者简介：陈为华，男，技师，研究方向：电装焊接。 ２０１１年第６期 舰船电子工程 物的熔点的温度，利用液态焊料润湿被焊物，并与 被焊物相互扩散，实现连接。 电子产品安装工艺中所谓的“焊接”就是软钎 素周期表中的位置和晶体类型。锡铅焊料，除了含 有大量铬和铝的合金的金属材料不易互溶外，与其 他金属材料大都可以互溶。为了提高可焊性，一般 采用表面镀锡、镀银等措施。 ２）焊接部位清洁程度 焊的一种，主要使用锡、铅等低熔点合金材料作焊 料，因此俗称“锡焊”。 ２．２焊接的机理 焊料和母材表面必须“清洁”，这里的“清洁”是 指焊料与母材两者之间没有氧化层，更没有污染。 所谓焊接是将焊料、被焊金属同时加热到最佳 温度，依靠熔融焊料填满被焊金属间隙并与之形成 金属合金结合的一种过程。从微观的角度分析，焊 接包括两个过程：一个是润湿过程，另一个是扩散 过程。 １）润湿（横向流动） 又称浸润，是指熔融焊料在金属表面形成均 匀、平滑、连续并附着牢固的焊料层。浸润程度主 要决定于焊件表面的清洁程度及焊料的表面张力。 金属表面看起来是比较光滑的，但在显微镜下面 看，有无数的凸凹不平、晶界和伤痕，熔化的焊料就 是沿着这些表面上的凸凹和伤痕靠毛细作用润湿 扩散开去的，因此焊接时应使焊锡流淌。流淌的过 程一般是松香在前面清除氧化膜，焊锡紧跟其后， 所以说润湿基本上是熔化的焊料沿着物体表面横 向流动。润湿的好坏用润湿角表示。 ２）扩散（纵向流动） 伴随着熔融焊料在被焊面上扩散的润湿现象 还出现焊料向固体金属内部扩散的现象。例如，用 锡铅焊料焊接铜件，焊接过程中既有表面扩散，又 有晶界扩散和晶内扩散。锡铅焊料中的铅只参与 表面扩散，而锡和铜原子相互扩散，这是不同金属 性质决定的选择扩散。 ３）合金层（界面层） 扩散的结果使锡原子和被焊金属铜的交接处 形成合金层，从而形成牢固的焊接点。 只有在焊锡和元件的交接面形成的合金层，才 能使焊锡与元件牢固连接；只有焊锡与焊盘金属的 表面有合金层形成，焊锡才能牢固的附着在电路板 板上；只有这两个合金层都很好，才能使元件牢固 的固定在电路板的焊盘上。 ２．３焊接要素 焊接是综合的、系统的过程，焊接的质量取决 于下列要素： １）焊接母材的可焊性 所谓可焊性，是指液态焊料与母材之间应能互 相溶解，即两种原子之间要有良好的亲和力。两种 不同金属互熔的程度，取决于原子半径及它们在元 当焊料与被焊接金属之间存在氧化物或污垢时，就 会阻碍熔化的金属原子的自由扩散，就不会产生润 湿作用。 ３）助焊剂 助焊剂可破坏氧化膜、净化焊接面，使焊点光 滑，明亮。电子装配中的助焊剂是松香。 ４）焊接温度和时间 焊锡的最佳温度为２５０±５￣Ｃ，最低焊接温度 为２４０℃。温度太低易形成冷焊点。高于２６０℃易 使焊点质量变差。焊接时间：完成润湿和扩散两个 过程需２～３ｓ，１ｓ仅完成润湿和扩散两个过程的 ３５ 。一般集成块、三极管焊接时间小于３ｓ，其他 元件焊接时间为４～５ｓ。 ５）焊接方法 焊接方法和步骤非常关键，在第四节再详细讨 论。 ２．４优良焊点的特征 一个优良的焊点必须具备以下的特征： １）良好的导电性能：良好的导电性能才能保 证电路的互联，一个好的焊点，一般要求焊点的电 阻在ｌ￣１０ｍｉ２之间。 ２）良好的机械性能：要求焊点有一定的机械 强度，使元器件牢牢固定在印刷电路板上。 ３）有良好的外观：保证焊点良好的电气性能 和机械性能的条件是焊锡与元件引脚、ＰＣＢ焊盘 形成良好的浸润。 ４）焊锡量适当。 焊点上焊锡过少，机械强度低。焊锡过多，会 容易造成绝缘距离减小或焊点相碰。 ５）不应有毛刺和空隙。 这对高频、高压电子设备极为重要。高频电子 设备中高压电路的焊接点，如果有毛刺，则易造成 尖端放电。 ６）焊点表面要清洁。 焊点表面的污垢一般是焊剂的残留物质，如不 及时清除，会造成日后焊点腐蚀。 １９８ 陈为华：焊接工艺的质量分析和质量控制 第２０４期 ３焊料、助焊剂、阻焊剂 焊料和焊剂的性质和成分、作用原理及选用知 识是电子组装工艺技术中的重要内容之一，对保证 焊接质量具有决定性的影响。 ３．１焊料 助焊剂一般可分为无机，有机和树脂三大类。 （１）无机助焊剂：此类具有强烈的腐蚀作用，不 能在电子产品装配中使用，只能在特定场合使用， 并且焊后一定要清除残渣。 （２）有机助焊剂：这类助焊剂由有机酸、有机类 卤化物以及各种胺盐树脂类等合成。这类助焊剂 由于含有酸值较高的成分，因而具有较好的助焊性 能，可焊性好。由于此类助焊剂具有一定程度的腐 蚀性，残渣不易清洗，焊接时有废气污染，因而限制 凡是用来熔合两种或两种以上的金属面，使之 形成一个整体的金属的合金都叫焊料。根据其组 成成分，焊料可以分为锡铅焊料、银焊料、及铜焊 料。 １）焊锡合金的特性 ・导电性能 相对于铜的导电率，锡铅合金的导电率仅是铜 的ｉ／Ｉｏ，即它的导电能力比较差。焊点的电阻与 电阻率、焊点的形状、面积等多种因素有关。 ・力学性能 在实际焊接中，即使不考虑焊接过程中所产生 的缺陷如空洞和气泡等对强度的影响，焊点强度也 经常出现问题。 ２）常用焊锡 （１）焊锡丝是手工焊接用的焊料。焊锡丝是管 状的，由焊剂与焊锡制做在一起，在焊锡管中夹带 固体焊剂。焊剂一般选用特级松香为基质材料，并 添加一定的活化剂，如盐酸二乙胺等。 （２）抗氧化焊锡在锡铅合金中加入少量的活性 金属，能使氧化锡，氧化铅还原，并漂浮在焊锡表面 形成致密复盖层，从而保护焊锡不被继续氧化。 （３）焊膏是表面安装技术中的一种重要贴装材 料，由焊粉，有机物和溶剂组成，制成糊状物，能方 便地用丝网、模板或点膏机印涂在印制电路板上。 ３．２助焊剂 助焊剂的作用是清除金属表面氧化物，硫化 物、油和其它污染物，并防止在加热过程中焊料继 续氧化。同时，它还具有增强焊料与金属表面的活 性、增加浸润的作用。 １）对助焊剂的要求 （１）有清洗被焊金属和焊料表面的作用； （２）熔点要低于所有焊料的熔点； （３）在焊接温度下能形成液状，具有保护金属 表面的作用； （４）熔化时不产生飞溅或飞沫； （５）不产生有害气体和有强烈刺激性的气味； （６）不导电，无腐蚀性，残留物无副作用。 ２）助焊剂的种类 了它在电子产品装配中的使用。 （３）树脂类助焊剂：这类助焊剂在电子产品装 配中应用较广，其主要成分是松香。在加热情况 下，松香具有去除焊件表面氧化物的能力，同时焊 接后形成的膜层具有覆盖和保护焊点不被氧化腐 蚀的作用。由于松脂残渣为非腐蚀性、非导电性， 非吸湿性，焊接时没有什么污染，且焊后容易清洗， 成本又低，所以这类助焊剂至今还被广泛使用。 ３）助焊剂主要性能 无机系列：一般无机助焊剂化学作用强，腐蚀 作用大。锡焊性好。但对电路元件有破坏作用，焊 后必须清洗干净。 树脂系列：松香系列助焊剂在ＰＣＢ焊接较常 用。在应用时，分为前涂覆和后涂覆。在焊接前涂 覆在ＰＣＢ板上，既可以防止铜箔表面的再氧化，又 便于ＰＣＢ的的保存。 ３．３阻焊剂 阻焊剂是一种耐高温的涂料。在焊接时可将 不需要焊接的部位涂上阻焊剂保护起来，使焊接仅 在需要焊接的焊接点上进行。阻焊剂广泛用于浸 焊和波峰焊。 １）对阻焊剂的要求 阻焊剂是通过丝网漏印方法印制在印制板上 的，因此要求它粘度适宜，不封网，不润图像，以满 足漏印工艺的要求。 ２）阻焊剂的种类 按成膜方法，阻焊剂可分为热固化型、紫外线 光固化型及电子束漫射固化型等几种。 （１）热固化型阻焊剂：热固化型阻焊剂的成膜 材料有酚醛树脂，环氧树脂、氨基树脂、醇酸树脂 等。它们可以单独或混合使用，也可以改性使用。 通常把它们制成液体，通过丝网漏印在板上，然后 加温固化形成一层阻焊膜。 （２）紫外线光固化阻焊剂：紫外线光固化阻焊 剂主要使用的成膜材料是含有不饱和双键的乙烯 ２０１１年第６期 舰船电子工程 树脂。分干膜型和液体印料型。干膜型需经过层 压贴膜、紫外线曝光，显影，然后形成一层阻焊膜。 液体印料型是通过丝网模板漏印在印制板上，然后 在一定能量紫外光源照射下固化，形成一层阻焊 膜。 （３）电子束漫射固化型阻焊剂：电子束漫射固 化型阻焊剂与光固化阻焊剂的基本原理相同，但其 固化时无需光引发剂，只要在一定能量的电子束漫 射激发下，便可形成固化阻焊膜。 ４手工焊接设备 电烙铁是电子组装时最常用的工具之一，用于 焊接、维修、及更换元器件等用途。电烙铁有普通 电烙铁、调温式电烙铁、恒温电烙铁等几种。 ４．１普通电烙铁 普通烙铁就是电热丝式电烙铁，这种电烙铁是 靠电流通过电热丝发热而加热烙铁头。普通的电 热丝式电烙铁又分为内热式和外热两种。 内热式：电热丝置于烙铁头内部。 外热式：电热丝包在烙铁头外部。 ４．２调温电烙铁： 用手工焊接ＳＭＤ器件，或返修ＳＭＤ器件，要 求烙铁头的温度稳定，否则，不但会损伤元器件，甚 至还会损伤多层印刷电路板。因此，在这种情况应 使用调温电烙铁。 １）手动调温式电烙铁 实际是将烙铁接到一个可调电源上，通过改变 调压器输出的交流电压的大小来调节烙铁温度。 ２）自动调温式电烙铁 这种烙铁的典型产品如日本白光公司的ＨＡ— ＫＯ９２８。它靠温度传感器监测烙铁头的温度，并通 过放大器将温度传感器输出信号放大，控制给烙铁 供电的电源电压，当烙铁头的温度与设定温度相差 较大时，以较大的电压加热，当烙铁头的温度与设 定的温度相差较小时，以较小的电压加热。 ４．３恒温电烙铁 所谓恒温电烙铁是指温度非常稳定的电烙铁。 这种烙铁的工作特点是： １）升温快，ＴＩＰ能在４ｓ内自动升温到所需的 温度。 ２）温度稳定性好，ＴＩＰ头的加热温度可达到 的精度为±１＿１℃。 ３）符合ＥＳＤ防护的标准，特别适合微型电子 组件的手工焊接和返修。 ５手工焊接工艺 虽然电子产品广泛采用机器（波峰焊或回流焊） 焊接，但是，在企业，现在还没有一种焊接方法可以 完全不用手工焊接的。即使在自动化程度很高的生 产线上，总有一些不规则元件、或不适合自动焊接的 元件需要手工焊接。再一种情况是机器焊接的合格 率还做不到１００ ，总会有些错装、漏装的元件需要 修复。因此手工焊接技术仍然是一线技术人员必备 的生产技能。有人也许认为手工焊接非常容易，没 有技术含量，其实不然。正确手工焊接的方法，需要 深入理解上述各焊接要素和通过长期的练习，达到 形意结合，才能保证焊接的质量。 ５．１正确的焊接方法 焊接时利用ＴＩＰ头的对元件引线和焊盘预 热，ＴＩＰ头与焊盘的平面最好成４５。夹角，等待焊金 属温升至焊接温度时，再加焊锡丝。被焊金属未经 预热，而将焊锡直接加在ＴＩＰ头上，使焊锡直接滴 在焊接部位，这种焊接方法常常会导致虚焊。 ５．２穿孔器件焊接的步骤 １）预热：ＴＩＰ与元件引脚、焊盘接触，同时预 热焊盘与元件引脚。而不是仅仅预热元件。 ２）加焊锡：焊锡加焊盘上（而不是仅仅加在元 件引脚上），待焊盘温度上升到使焊锡丝熔化的温 度，焊锡就自动熔化。不能将焊锡直接加在ｔｉｐ上 使其熔化，这样会造成冷焊。 ３）加适量的焊锡，然后先拿开焊锡丝。 ４）焊后加热：拿开焊锡丝后，不要立即拿走烙 铁，继续加热使焊锡完成润湿和扩散两个过程，直 到是焊点最明亮时再拿开烙铁。 ５）冷却：在冷却过程中不要移动。 ５．３不正确的操作 焊锡加在元件引脚上，而不是焊盘上。焊盘预 热不好，易造成冷焊。 焊锡加在烙铁头上，元件引脚、焊盘没有预热， 造成虚焊。 ６ 结语 本文通过对焊接过程中的各项环节、材料及工 具的介绍。使我们在工作中能正确掌握、使用，达 到控制焊接质量的目的。 参考文献 Ｅｌｉ黎海金，章能华，宋嘉宁．手工焊接对电烙铁温度的要 求Ｉ－ｊ］．电子工艺技术，２ｏ１０（２） ２００ 陈为华：焊接工艺的质量分析和质量控制 总第２０４期 Ｅ２３张玲云．手工焊接的质量控制ＥＪ－］．电子工艺技术，２０１０ （４） Ｅ５３陈观寿，甘成君．手工焊接课的安全教学与实训ＥＪ３．科 技信息，２０１０（７） Ｅ３］史建卫，许愿，王建斌，等．电子组装中助焊剂的选择 Ｅ６３余阿陵．焊锡作业的参考标准及作业要领ＥＪ］．焊锡作 业的参考标准及作业要领 ＥＪ３电子工艺技术，２００９（３） Ｅ４］蔡康松，段杏林．提高电子元件焊接质量的研究ＥＪ］．黄 山学院学报，２００６（３） Ｅ７－１宋玄德．浅谈手工锡焊［Ｊ］．才智 Ｅ８３王天曦．手工烙铁焊接［Ｊ］．电子制作 ， ｓ， ¨ ０ ： ： ， ， ， ， ， ： ＝ ■；心 ‘： 对● ■ 々Ｒ 々 ● ● ●Ｒ ‘ ● 过● ● （上接第１８８页） 抗干扰措施的基础上，进一步采取软件抗干扰加以 补充。软件抗干扰以其简单可靠，便于修改，成本 低等优点，在ＰＬＣ控制系统中同样获得了广泛的 应用。本船模的ＰＩ Ｃ软件系统中使用的抗干扰有 以下几种： １）防止系统运行失常的软件陷阱 当ＰＬＣ软件系统失控，软件“跑飞”而进入非 程序寄存器区段。只要在这些区段设置陷阱程序， 就可以使程序进入初始状态，进而使得控制系统恢 复正常。 ２）提高数据采集精度的数字滤波法 船模的模拟量变送器在采集信号时难免会带 进干扰，为了克服这些干扰对Ａ／Ｄ转换精度的影 响，工程实践中采用数字滤波技术。数字滤波是通 过一定的软件算法实现滤波功能，可以从连续采样 的数据中过滤干扰信号，而提取较为真实的数据。 它具有灵活，可靠等特点［８］。一阶数字滤波公式 为： —ＱＸ ＋（１一Ｑ） 一１ 其中，Ｑ为数字滤波器时间常数；Ｘ 为第 次 采样时的滤波器输入； 为第Ｔ／次采样时的滤波 器输出。 ３）防止状态失常的自检 在满足系统实时Ｉ生的前提下，可以设置自检程 序来监视程序运行状态。自检程序不断正常循环 运行，可以保证ＰＬＣ控制系统中信号采集，信息传 输，网络通信以及运算的可靠性。 ５ 结语 本文从设计某型船模ＰＬＣ控制系统过程中遇 了在恶劣电磁环境下ＰＬＣ系统存在的干扰源，从 了该系统安全，稳定，可靠运行，达到了预期的设计 目的。 参考文献 Ｅ１３姚宏亮，姚光顺．ＰＬＣ应用及使用中应注意的问题ＥＪ］． 安徽电子信息职业技术学院学报．２００６，２３（５）：７４４７６ 陈健东．工业现场测控系统的电磁干扰分析与 对策ＥＪ４．微型机与应用．２００９，２７（１９）：７２￣７４ 徐万玉．工业电子控制装置的抗干扰技术ＥＭ］． 北京：中国铁道出版社，１９８４ ２００６，２４（１６）：２５９～２６０ Ｅ５３张松春，赵秀芬，竺子芳，等．电子控制设备抗干扰技术 及其应用ＥＭ］．北京：机械工业出版社，１９８９ 工业出版社，１９９６ 张慧，何劲．电源监控系统中的干扰与抗干扰问 题ＥＪ］．船电技术，２００４，２４（３）：４５￣４７ 蔡巍．工控软件的抗干扰对策Ｉ－ｊ］．石油机械， １９９９，２７（１０）：５３￣５５ 到的一些实际问题出发，根据系统硬件构成，研究 硬件和软件两个方面有针对性的提出了一些抗干 扰的措施。通过实践证明，这些措施够有效抑制外 界干扰，提高船模ＰＬＣ控制系统抗干扰能力，保证 ［２］姚广平，［３］韩刚，［４］张继红．工业现场ＰＬＣ控制系统的抗干扰设计ＥＪ３．Ｅ６４毛楠，孙瑛．电子电路抗干扰实用技术ＥＭ］．北京：国防 ［７］张聪，Ｅ８３杨科，
