大研智造激光焊錫技術(shù)：無(wú)鉛手工焊接缺陷的優(yōu)化方法"

在電子制造的精密世界中，軟釬焊技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，它不僅確保了電子元器件的穩(wěn)定裝配，還維系著電氣連接的可靠性。隨著電子產(chǎn)品的不斷演進(jìn)，無(wú)鉛焊接逐漸成為新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這不僅是對(duì)環(huán)境保護(hù)的響應(yīng)，也是對(duì)更高焊接質(zhì)量的追求。

手工焊接，作為軍用電子產(chǎn)品裝焊的主要手段，其重要性不言而喻。它不僅適用于多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)，而且在波峰焊、回流焊等自動(dòng)化流程中出現(xiàn)的單個(gè)焊點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題，以及產(chǎn)品使用過(guò)程中的焊點(diǎn)維保問(wèn)題，都依賴于手工焊接來(lái)解決。面對(duì)電子產(chǎn)品對(duì)高密度、高集成的不斷追求，傳統(tǒng)的錫鉛共晶焊料已無(wú)法滿足日益復(fù)雜的焊接要求，無(wú)鉛焊料以其豐富的種類和適應(yīng)多種焊接溫度的能力，成為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

在無(wú)鉛焊接的實(shí)踐中，常見(jiàn)的焊接缺陷如焊點(diǎn)氧化、拉尖、橋連等問(wèn)題，往往源于焊接溫度的不當(dāng)控制和焊接操作的不規(guī)范。為了提升焊接質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制焊接溫度，選擇合適的烙鐵，并優(yōu)化工藝流程。此外，激光焊錫技術(shù)作為一種新興的焊接方法，以其高精度、高效率和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，在電子制造業(yè)中的應(yīng)用前景廣闊，它不僅能夠解決傳統(tǒng)焊接過(guò)程中的缺陷，還能夠提升焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的飛躍。

1無(wú)鉛手工焊接工藝方法

1.1手工焊接的熱能量傳導(dǎo)

熱能的有效傳遞與控制在無(wú)鉛手工焊接中至關(guān)重要。焊接過(guò)程中，熱能從烙鐵頭傳遞到焊件，這是一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)過(guò)程。烙鐵頭作為熱源，其溫度直接影響焊料的熔化和流動(dòng)。當(dāng)烙鐵頭與焊盤(pán)接觸時(shí)，熱能通過(guò)熱傳導(dǎo)作用于焊盤(pán)和錫絲，使焊料達(dá)到熔點(diǎn)并開(kāi)始流動(dòng)。

在焊接過(guò)程中，助焊劑的活化是確保焊接質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。助焊劑在受熱后活化，有助于去除焊盤(pán)和元件引腳表面的氧化層，從而促進(jìn)焊料的潤(rùn)濕和流動(dòng)。然而，過(guò)高的溫度會(huì)加速助焊劑的分解，影響焊接效果，甚至導(dǎo)致焊點(diǎn)的氧化和脆化。

為了獲得優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)，烙鐵的溫度管理至關(guān)重要。烙鐵通電后，其溫度應(yīng)持續(xù)上升，直至達(dá)到適合無(wú)鉛焊料的焊接溫度。在這個(gè)過(guò)程中，烙鐵頭需要不斷補(bǔ)充熱量，以維持焊接區(qū)域的溫度穩(wěn)定。這不僅有助于焊料的熔化和流動(dòng)，還能確保焊點(diǎn)的形成過(guò)程均勻、可控。

1.2手工焊接基本步驟

手工焊的操作通常分為如下5個(gè)基本步驟。

1）預(yù)熱烙鐵：將電烙鐵預(yù)熱至適當(dāng)?shù)臏囟龋詼?zhǔn)備進(jìn)行焊接。
2）準(zhǔn)備焊絲：根據(jù)焊接要求選擇合適的無(wú)鉛焊錫絲。
3）加熱焊件：將烙鐵頭放置在焊盤(pán)和元件引腳上，預(yù)熱焊件，確保熱能均勻傳遞。
4）熔化焊料：將焊錫絲接觸到烙鐵頭和焊盤(pán)的接觸點(diǎn)，使焊料在熱能作用下熔化。
5）形成焊點(diǎn)：在焊料熔化后，移開(kāi)焊錫絲，讓熔化的焊料填充焊盤(pán)和引腳之間的間隙，形成焊點(diǎn)。
6）冷卻焊點(diǎn)：移開(kāi)烙鐵，讓焊點(diǎn)在自然冷卻過(guò)程中固化，形成穩(wěn)定的電氣和機(jī)械連接。
在整個(gè)焊接過(guò)程中，操作者需要精確控制烙鐵的溫度和焊接時(shí)間，以避免過(guò)熱或不充分的焊接。此外，焊接環(huán)境的清潔和無(wú)塵也是保證焊接質(zhì)量的重要因素。

1.3無(wú)鉛焊料的定義及選擇

電子產(chǎn)品裝焊所用的焊料都是易熔的合金，通常由2種及2種以上的金屬構(gòu)成，用以填充2個(gè)金屬連接處的間隙，并在表面形成合金層。無(wú)鉛焊料主要指鉛含量<0.2%(質(zhì)量)的合金焊料。按照熔點(diǎn)分類，當(dāng)前的無(wú)鉛焊料分為三大類:高熔點(diǎn)焊料(熔點(diǎn)>205℃)、中熔點(diǎn)焊料(熔點(diǎn)>180℃)、低熔點(diǎn)焊料(熔點(diǎn)<180℃)。
受可焊接特性、焊接可靠性、價(jià)格、是否有專利保護(hù)等因素影響，目前手工焊接大多數(shù)使用的焊料有錫銅(SnCu0.7)合金、錫銀銅(SnAg3Cu0.5)合金和錫銀(SnAg3.5)合金等，均為高溫焊料，其中又以Sn/Ag/Cu焊料應(yīng)用最為廣泛。

2無(wú)鉛焊接主要技術(shù)難點(diǎn)

2.1擴(kuò)展能力差，焊接溫度高

無(wú)鉛焊料的表面張力相較于傳統(tǒng)的錫鉛焊料更強(qiáng)，這導(dǎo)致在焊接過(guò)程中焊料的潤(rùn)濕和擴(kuò)展性能不足（焊接時(shí)潤(rùn)濕、擴(kuò)展的面積通常只有錫鉛共晶焊料的1/3左右）。潤(rùn)濕性是焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，它影響焊料在焊盤(pán)和元件引腳上的流動(dòng)和分布。無(wú)鉛焊料的這一特性使得在形成焊點(diǎn)時(shí)難以達(dá)到理想的浸潤(rùn)效果，從而可能導(dǎo)致焊點(diǎn)形成不良，增加焊接缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

為了改善潤(rùn)濕性和擴(kuò)展性，通常需要提高焊接溫度（通常高約35~45℃）。然而，這種做法帶來(lái)了一系列新的問(wèn)題。首先，更高的溫度會(huì)加速焊料和基體金屬的氧化，這可能會(huì)在焊點(diǎn)附近形成氧化物，影響焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性。其次，高溫還會(huì)加劇助焊劑的分解，尤其是在焊接過(guò)程中，如果溫度控制不當(dāng)，可能會(huì)破壞助焊劑的化學(xué)穩(wěn)定性，從而降低其去除氧化層的能力。

此外，高溫對(duì)焊接設(shè)備和材料的壽命也有負(fù)面影響。烙鐵頭在高溫下更容易氧化，縮短了其使用壽命。對(duì)于敏感的電子元件和印制板來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下可能會(huì)導(dǎo)致材料性能退化，甚至損壞，增加了產(chǎn)品故障的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2工藝窗口小

工藝窗口較窄，意味著焊接過(guò)程中對(duì)溫度、時(shí)間和其他參數(shù)的控制要求更為嚴(yán)格。任何微小的偏差都可能導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。這不僅增加了操作難度，也提高了對(duì)焊接設(shè)備和操作人員技能的要求。另外，無(wú)鉛焊料的流動(dòng)性和焊料的潤(rùn)濕性比有鉛焊料差，所以出現(xiàn)短路、拉尖、氣孔等焊接缺陷現(xiàn)象，在焊接過(guò)程中是很常見(jiàn)的。

3常見(jiàn)缺陷

由于焊料熔點(diǎn)高、擴(kuò)展能力差，通常需要更高的焊接溫度，無(wú)鉛手工焊接所需的裝配材料、焊接設(shè)備和焊接工藝有諸多變化，方方面面出現(xiàn)的焊接缺陷也呼之欲出。常見(jiàn)缺陷有下列幾種。

3.1焊點(diǎn)氧化

焊點(diǎn)氧化(見(jiàn)圖2)是手工焊接過(guò)程中的常見(jiàn)缺陷，缺陷特征主要表現(xiàn)為焊點(diǎn)發(fā)白、表面粗糙、無(wú)金屬光澤。原因如下:一是烙鐵選用功率過(guò)大、溫度設(shè)定過(guò)高，導(dǎo)致焊料在焊接過(guò)程中出現(xiàn)氧化現(xiàn)象;二是烙鐵功率不足，溫度補(bǔ)償能力差，焊接加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，致使焊料氧化。

圖2焊點(diǎn)氧化

3.2拉尖/橋連

在電子制造過(guò)程中，焊點(diǎn)的質(zhì)量問(wèn)題不僅影響電路的穩(wěn)定性，還可能對(duì)整個(gè)設(shè)備的安全性造成威脅。拉尖和橋連是兩種常見(jiàn)的焊接缺陷，它們會(huì)嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的性能和可靠性。

焊點(diǎn)拉尖
焊點(diǎn)拉尖是指焊點(diǎn)在焊接過(guò)程中由于焊料的不適當(dāng)流動(dòng)或沉積，在焊點(diǎn)的頂端形成尖銳突出的現(xiàn)象。這種缺陷在高電壓或大電流的工作條件下尤為危險(xiǎn)，因?yàn)榧舛朔烹娍赡軐?dǎo)致打火故障。此外，在長(zhǎng)期振動(dòng)的工作環(huán)境中，拉尖的焊點(diǎn)由于局部重量的增加，可能會(huì)在受力點(diǎn)產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致斷路。焊點(diǎn)拉尖缺陷特征如圖3所示。

圖3拉尖缺陷

焊點(diǎn)橋連
焊點(diǎn)橋連則是指焊料錯(cuò)誤地連接了兩個(gè)或多個(gè)不應(yīng)相連的導(dǎo)電部分，造成電氣短路。這種缺陷可能輕微地影響電路的功能，或者在嚴(yán)重的情況下導(dǎo)致設(shè)備損壞。橋連通常是由于焊接過(guò)程中焊料的控制不當(dāng)或焊接時(shí)間的過(guò)度造成的。焊點(diǎn)橋連缺陷特征如圖4所示。

圖4焊點(diǎn)橋連

焊點(diǎn)拉尖和橋連的產(chǎn)生，主要源于手工焊接操作的不規(guī)范。以下是一些常見(jiàn)的操作問(wèn)題：

焊料添加量控制不當(dāng)：過(guò)多的焊料可能導(dǎo)致焊點(diǎn)過(guò)大，增加了拉尖和橋連的風(fēng)險(xiǎn)。
焊接時(shí)間控制不當(dāng)：過(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間可能導(dǎo)致焊料過(guò)度流動(dòng)，增加了橋連的可能性。
烙鐵頭撤離角度控制不當(dāng)：烙鐵頭撤離時(shí)的角度和速度對(duì)焊點(diǎn)的形成至關(guān)重要，不當(dāng)?shù)牟僮骺赡軐?dǎo)致焊料飛濺或拉尖。

4焊接質(zhì)量提升措施

為了獲得高質(zhì)量的焊點(diǎn)，避免焊接質(zhì)量事故的發(fā)生，使用無(wú)鉛焊料進(jìn)行手工焊接必須注意以下幾點(diǎn)。

4.1溫度控制

控制烙鐵頭的溫度是避免焊接缺陷的重要手段，選用調(diào)節(jié)溫度的電烙鐵，根據(jù)選用的無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)不同設(shè)定不同的焊接溫度，避免過(guò)度加熱損壞制件或引起焊料氧化。在進(jìn)行手工無(wú)鉛焊接過(guò)程中，要注意把握焊接時(shí)的2個(gè)重要溫度參數(shù)。
1)無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)溫度。
不同的無(wú)鉛焊料都有不同的熔點(diǎn)，常用的錫銀銅焊料較錫鉛共晶焊料熔點(diǎn)往上提高了40℃，烙鐵頭也應(yīng)該相應(yīng)的提高設(shè)定溫度。

2)最適合的焊接溫度。
要形成有效的優(yōu)良合金焊點(diǎn)，焊接溫度要高于焊料的熔點(diǎn)40℃，焊接時(shí)要保持這個(gè)溫度3~5s時(shí)長(zhǎng)，其接合面才能生成一定厚度的金屬化合物層，在此時(shí)焊點(diǎn)的機(jī)械、電氣性能最好。鉛焊料在焊接中，烙鐵需要設(shè)定為低端溫度。溫度的設(shè)定要根據(jù)被焊元件的耐熱性、焊接部位吸收熱量程度等因素進(jìn)行設(shè)定。

4.2烙鐵選用

選用熱量穩(wěn)定、均勻的電烙鐵:在使用無(wú)鉛焊料進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，出于對(duì)元器件、印制電路板耐熱性以及安全作業(yè)的考量，一般應(yīng)選用烙鐵頭溫度在370℃以下的電烙鐵。對(duì)于接地點(diǎn)等散熱快的特殊焊接點(diǎn)，選用溫度補(bǔ)償快的高功率電烙鐵，避免長(zhǎng)時(shí)間加熱。

4.3工藝優(yōu)化

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，焊接工藝的優(yōu)化變得至關(guān)重要。這包括精確控制焊接溫度，改進(jìn)助焊劑的配方，以及開(kāi)發(fā)新的焊接技術(shù)和方法。例如，采用激光焊錫技術(shù)可以在不增加焊接溫度的情況下，通過(guò)精確的能量輸入來(lái)改善焊點(diǎn)的質(zhì)量和一致性。

5 激光焊錫

在電子制造領(lǐng)域，激光焊錫技術(shù)正逐漸成為提升工藝質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的手工焊接方法，激光焊接技術(shù)以其卓越的精度和效率，有效解決了手工焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷，如焊點(diǎn)不均勻、虛焊、焊料飛濺、橋連等問(wèn)題。激光焊接的原理是利用高能量密度的激光束作為熱源，通過(guò)精確控制，局部加熱焊接區(qū)域，使焊料迅速熔化并與母材潤(rùn)濕，形成牢固的焊點(diǎn)。由于激光的聚焦特性，熱影響區(qū)域被限制在非常小的范圍內(nèi)，從而減少了對(duì)周圍材料的熱損傷。

激光焊錫機(jī)通常由激光發(fā)生器、光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工作臺(tái)和定位系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵部分組成，這些部件的協(xié)同工作確保了焊接過(guò)程的高度自動(dòng)化和精確化。激光發(fā)生器產(chǎn)生高能量密度的激光束，光學(xué)系統(tǒng)用于引導(dǎo)和聚焦激光束到焊接區(qū)域，控制系統(tǒng)精確控制激光功率、脈沖寬度、焊接速度等參數(shù)，工作臺(tái)和定位系統(tǒng)確保工件的精確定位和穩(wěn)定傳輸，監(jiān)控系統(tǒng)則實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過(guò)程，確保焊接質(zhì)量。

激光焊錫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其非接觸式焊接，避免了對(duì)焊接區(qū)域的物理壓力和機(jī)械應(yīng)力。它的高精度和一致性使得焊接質(zhì)量更加可靠，熱影響區(qū)域小，減少了對(duì)敏感元件和材料的熱損傷、工藝參數(shù)精確控制和穩(wěn)定性高等，非常適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高集成元件的精密焊接。此外，激光焊接的高效率提高了生產(chǎn)效率，適合大規(guī)模生產(chǎn)，且易于自動(dòng)化，容易與自動(dòng)化系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)。

在環(huán)保方面，激光焊接技術(shù)同樣展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于激光焊接過(guò)程中無(wú)需使用助焊劑等輔助材料，因此減少了焊接材料的消耗和廢棄物的產(chǎn)生。同時(shí)，激光焊接能量集中，熱損失小，相比傳統(tǒng)焊接方法能節(jié)省大量能源，有利于改善工作環(huán)境，保護(hù)操作人員的健康。

激光焊錫技術(shù)在電子制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，特別是在微電子封裝、PCB組裝、醫(yī)療設(shè)備制造、汽車電子以及光通信等領(lǐng)域。在微電子封裝中，如BGA、CSP等高精度封裝工藝，激光焊錫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微小焊點(diǎn)的精確焊接。在PCB組裝中，它適用于高密度互連和微小元件的焊接。在醫(yī)療設(shè)備制造中，激光焊錫技術(shù)能夠確保產(chǎn)品的安全性和可靠性。在汽車電子領(lǐng)域，激光焊錫技術(shù)用于汽車電子控制單元、傳感器等的焊接。在光通信領(lǐng)域，激光焊錫技術(shù)為光纖連接器和光電子器件提供了高精度和高質(zhì)量的焊接解決方案。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，激光焊錫技術(shù)有望在未來(lái)的電子制造業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用，為產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提升做出更大的貢獻(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著電子制造業(yè)對(duì)環(huán)保和可靠性的日益重視，無(wú)鉛焊接技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。無(wú)鉛手工焊接，盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，如焊點(diǎn)氧化、拉尖、橋連等缺陷，但通過(guò)嚴(yán)格的溫度控制、精確的烙鐵選用和工藝優(yōu)化，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的焊接成果。這不僅體現(xiàn)了焊接工藝的精細(xì)要求，也展現(xiàn)了焊接技術(shù)在適應(yīng)新材料和新技術(shù)方面的靈活性和創(chuàng)新性。

激光焊錫技術(shù)的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)焊接難題提供了新的思路。它的非接觸式焊接、高精度和高效率的特點(diǎn)，以及對(duì)環(huán)境友好的特性，標(biāo)志著焊接技術(shù)向自動(dòng)化和智能化方向的邁進(jìn)。激光焊錫技術(shù)的應(yīng)用，不僅提升了焊接質(zhì)量，也提高了生產(chǎn)效率，為電子制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，無(wú)鉛焊接和激光焊錫技術(shù)有望在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮作用，推動(dòng)電子制造業(yè)實(shí)現(xiàn)更高效、更環(huán)保、更智能的生產(chǎn)模式。這不僅是對(duì)焊接工藝的一次革新，也是對(duì)整個(gè)電子制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有力支持。隨著這些技術(shù)的成熟和普及，我們有理由相信，電子制造業(yè)將迎來(lái)更加光明和清潔的未來(lái)。

本文由大研智造撰寫(xiě)，專注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。大研智造是集研發(fā)生產(chǎn)銷售服務(wù)為一體的激光焊錫機(jī)技術(shù)廠家，擁有20年+的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機(jī)在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用，或是有特定的技術(shù)需求，請(qǐng)通過(guò)大研智造官網(wǎng)與我們聯(lián)系。歡迎來(lái)我司參觀、試機(jī)、免費(fèi)打樣。

審核編輯 黃宇