浅谈手工焊接的质量控制
摘要：在批量少和品种多以及插件元器件和贴片元器件并存的情况下，在科研、
返工和返修的过程，手工焊接能发挥其不可替代的作用。手工焊接与自动焊接相比，所需设备较简单，主要为烙铁，但焊接质量及一致性较难控制。结合工作实践，分析了手工焊接中因操作手法和工艺方法不当容易导致的缺陷，提出了减少缺陷的关键因素以及解决问题的措施，从而提高产品质量，减少产品返修率，提高生产效率。
关键词：焊接；润湿；扩散；烙铁；焊锡丝；可靠性
随着回流焊技术和波峰焊接技术的普遍应用，电子产品生产中电烙铁使用率相应地减少了，但在批量少和品种多，以及插件元器件、贴片元器件并存的情 况下，在科研、返工和返修的过程中，手工焊接能发挥其不可替代的作用。 为形成可靠的焊点，焊接过程中对烙铁温度有一定的要求，且元器件与PCBX~温度的承受能力有限，过高的温度会对元器件及PCB 造成一定的损害， 因此在保证焊接质量的前提下限制高温焊接。
1焊接机理
1．1焊料的润湿作用
一个焊点的形成，都要经过三个阶段，即熔融焊料在被焊金属表面润湿阶段；熔融焊料在金属表面扩展阶段；熔融焊料通过毛细管作用力渗入焊缝，在接触面上形成合金层。其中润湿是最重要的阶段，没有润湿，焊接就无法进行。焊接原理是通过加热的烙铁将固态焊锡丝加热熔化，再借助于助焊剂的作用，使其流人被焊金属之间，待冷却后形成牢固可靠的焊接点。当焊料为锡铅合金，焊接面为铜时，焊料先对焊接表面产生润湿，伴随着润湿现象的发生，焊料逐渐向金属铜扩散，在焊料与金属铜的接触面形成附着层，使两者牢固地结合起来。所以焊锡是通过润湿、扩散和冶金结合这三个物理和化学过程来完成的。
1．2润湿
润湿过程是指已经熔化了的焊料借助毛细管力沿着母材金属表面细微的凹凸和结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊母材表面形成附着层，使焊料与母材金属的原子相互接近，达到原子引力起作用的距离。引起润湿的环境条件：被焊母材的表面必须是清洁的，不能有氧化物或污染物。为了使焊料能迅速润湿被焊金属，必须达到金属间的直接接触，也就是说焊料和被焊金属接触界面必须清洁，任何污染都会妨碍润湿和金属化合物的生成。因此，保证接触表面的清洁是润湿必须具备的条件。但是金属表面总是存在氧化物、硫化物和油污等，因此在焊接前对被焊金属表面都要进行清洁处理。
1-3扩散
伴随着润湿的进行，焊料与母材金属原子问的相互扩散现象开始发生。在正常条件下，金属原子在晶格点阵中都以其平衡位置为中心进行着不停的热运动，这种运动随着温度的增高其频率和能量也逐步增高，当达到足够能量和温度时，某些原子会克服周围原子对它的束缚，脱离原来占据的位置，这种现象就叫扩散。 金属间的扩散速度和扩散量，与温度和时问密切相关，因此，在焊接技术中，焊接温度和焊接时间等工艺因素是保证焊接质量，达到可靠连接的重要条件。另外，焊接时能否生成合金层还取决于被焊金属与焊料之间亲和力的大小及有无。焊料润湿被焊金属与被焊金属本身特性有关，在电子导电材料中，大多采用铜、金和
银等材料或镀层，就是为了提高焊料对被焊金属的润湿能力。
2可靠焊点形成的关键要素
2．1设置合适的焊接温度
焊接之前，按工艺要求检测焊台的设置温度烙铁在焊接过程中，显示温度与烙铁头实际温度之间存在差别。一般采用63Sn37Pb 有铅焊料，其熔点为l 83℃ ，而焊件的最佳焊接温度为焊料液化温度之上大约50℃ ，即为233cC ，但由于手工焊接暴露在空气中，散热快，为得到充足热量，一般应再提高20℃ 30℃。根据多次试验测试，当烙铁设置温度为340℃，焊点平均温度为253 c 【=(焊接时由于焊件吸收热量，因此实际焊点温度并不就是烙铁设置温度，这也是烙铁设置温度与标准规定焊接温度不同的原因) 。我所在总结相关标准提供的参数基础上，通过大量的试验，以及焊接温度与烙铁设置温度的对比，设置了工艺参数为： “采用63Sn37Pb 有铅焊料(熔点183cIC) ，焊件的最佳焊接温度为253℃，烙铁设置温度为340℃” 。
2．2 烙铁头的选择
在具体焊接不同的焊点时，应按照焊盘选择好合适的烙铁头，针对不同尺寸焊盘及时更换不同的烙铁头进行焊接操作，以符合标准焊接规范，焊点质量能 够达到优级，焊接效率显著提高，同时烙铁头使用寿命可以成倍延长l4J 。2I3焊接时间焊接时间应在3 S一5 s之间。加热时间不足，焊料不能充分浸润焊件，形成夹渣和虚焊。加热时间过量，焊点表面形成粗糙颗粒及呈脆性的金属化合物， 该化合物焊接强度低，导电性差。
2．4被焊物的可焊性
被焊物的可焊性差会直接影响焊接的质量，因此在焊接前需要检查被焊件的管脚和焊盘等是否被氧化和污染，如有则立即搪锡或清洗使其满足要求。
2．5 选择合适的焊锡丝
焊接时选用合适的焊锡丝也是比较重要的因素。焊锡丝过粗，会导致焊点的焊锡过多，容易出现连焊现象。因此要根据焊点的大小来选用合适焊锡丝，一般应选择焊锡丝的直径略小于焊盘直径的焊锡丝。一般选择D=0．5 mm的焊锡丝。在我所的电子产品装焊过程中也发生了类似现象的缺陷，因此逐一分析并提出解决措施。
3．1冷焊
冷焊是在零件的吃锡接口没有形成吃锡带(即焊锡不良) ，通常是由于焊接温度太低、时间太短和吃锡性问题等造成的。
3-2虚焊
虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的，它使焊点成为有接触电阻的连接状态，导致电路工作不正常，出现连接时好时坏的不稳定现象没有规律性，也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内，保持接触尚好，因此不容易发现。但在温度、湿度和振动等环境条件的作用下，接触表面逐步被氧化，接触慢慢地变得不完全起来。
3．3空洞
分布在焊点表面或内部的气孔和针孔。
实例：某型号调试时发现信号接触不良，设计排查时确认到某电路，该电路重新焊接后故障消除。
(1)不良反应：调试时信号时好时坏。
(2)原因分析：查看该焊接不良件，焊接面和
元件面看焊点形态良好；将焊接不良件放在光写检查仪下检查，焊件焊点好；将焊件放入 光检查仪下检查，发现该焊件部分焊点中有夹层(即空洞) 。后 经分析该空洞焊点引脚为接地点(大面积铺铜) 因此焊接是比较困难很难达到透锡率75％。而操作员为满足工艺标准，焊接面焊接后再在元件面焊接，采用双 面焊， 因此形成了内部空洞。
(3)解决措施：工艺部门组织现场操作人员进行相关培训，并总结归纳以下五条避免空洞的注意要点做为焊接注意点张贴至操作现场。
A) 所有器件禁止双面焊接；
b) 对多层印制板焊接时采用底部加热；
c) 对大型元器件焊接前采取预热手段；
d) 焊接接地|点时可适当调节焊接烙铁温度或功率。
3．4其它问题
在手工焊接中还经常碰到一些其它问题，通过肉眼以及光学检查设备无法判断的焊接问题，需要通过专业的失效分析或是通过其它试验验证才能得到真正的失效原因。例如某型号产品整机在进行ESS 振动过程中片式电容引起的跳动量过大，而经过重新焊接后问题得以消除。针对该问题，工艺人员进行了专题试验。
(1)问题分析：选取试验样板根据表1进行相关工艺试验验证。焊接后将试验样板装入整机进行ESS 振动试验，结果表明第一组、第二组焊接电容在振动过程中均模拟出失效。领取新电容用按第一组、第二组的焊接方法重新再次试验，结果与第一次试验结果一致。试验结果表明：焊接时两端加热时间相差3min ～5 min，焊接时间过短都能造成焊接不良引发失效。因采用第二种焊接方法的第二组焊点与失效焊点明显不同，因此造成此时失效应该是焊接顺序问题，用光学检查仪检查问题焊点，其外观、形状和轮廓等均看似合格。经研究得知，问题焊点中因受到热应力来回冲击，看似合格的焊点中已存在机械损伤。
表1试验方案
第一组 第二组 第二组
同一个电容一端焊接后马上焊一端焊接冷却3rain ～5 nlin 另一端焊接方法 后再焊接另 焊接温度一端 焊接时问短 290290℃ 2 s 290 oc 焊接时问3 s～5 S验证两端加 验证焊盘焊锡未 按电子协会验证内容 热相差一定 完全熔时间时元件 化情况即冷焊 建议丁艺是否受应力
(2)解决措施：工艺部门组织现场操作人员进行相关培训，并总结归纳以下两条做为焊接片式电容的注意点张贴至操作现场。
a) 焊接时同一个电容必须一端焊接后直接焊另一端，不能将不同位号的片式电容全部都先焊上一端后再同时焊另一端；
b) 焊接时必须保持3 S ～5 S ，保证焊端焊锡完全润湿熔化，特别是焊接第一端时焊盘上先沾锡的。
4手工焊接操作技巧
具体的操作手法，在达到优质焊点的目标下可因人而异，但长期实践经验的总结，对操作员的指导作用不可忽略，具体有以下几点：
(1)保持烙铁头的清洁，烙铁头长期处于高温，接触焊剂等杂质，表面容易氧化，杂质形成隔热； (2)采用正确的加热方法，要靠增加接触面积加快传热(如更换合适的烙铁头) ，而不是用烙铁对焊件加力； (3)烙铁撤离有讲究，烙铁撤离要及时，而且撤离时的角度和方向对焊点形成有一定关系，应烙铁轴向45。撤离，总结出，撤离烙铁时轻轻旋转一下，可保持焊点适当的焊料； (4)在焊锡凝
固和完全冷却之前，不要使被焊件移动。(5)焊锡量要适中，焊锡用量过多形成焊点锡堆积，焊锡过少不足以包裹焊点； (6)不要使用过量的助焊剂，过量的助焊剂不仅造成焊点周围清洗困难，而且延长了加热时间，而当加热时间不足时，容易夹杂到焊锡中形成冷焊缺陷，过量的焊剂容易流到触点，从而形成电接触不良。(7)不把烙铁头作为运载的工具，因为烙铁头温度过高，焊锡丝中的焊剂在高温下容易分解失效，焊接加热时容易氧化，造成劣质焊点。
5结束语
提高手工焊接的质量和可靠性，一方面需要工艺人员制定出合理的规范和工艺流程，另一方面也要求操作者熟练掌握相关的焊接技能及操作方法。
浅谈手工焊接的质量控制
摘要：在批量少和品种多以及插件元器件和贴片元器件并存的情况下，在科研、
返工和返修的过程，手工焊接能发挥其不可替代的作用。手工焊接与自动焊接相比，所需设备较简单，主要为烙铁，但焊接质量及一致性较难控制。结合工作实践，分析了手工焊接中因操作手法和工艺方法不当容易导致的缺陷，提出了减少缺陷的关键因素以及解决问题的措施，从而提高产品质量，减少产品返修率，提高生产效率。
关键词：焊接；润湿；扩散；烙铁；焊锡丝；可靠性
随着回流焊技术和波峰焊接技术的普遍应用，电子产品生产中电烙铁使用率相应地减少了，但在批量少和品种多，以及插件元器件、贴片元器件并存的情 况下，在科研、返工和返修的过程中，手工焊接能发挥其不可替代的作用。 为形成可靠的焊点，焊接过程中对烙铁温度有一定的要求，且元器件与PCBX~温度的承受能力有限，过高的温度会对元器件及PCB 造成一定的损害， 因此在保证焊接质量的前提下限制高温焊接。
1焊接机理
1．1焊料的润湿作用
一个焊点的形成，都要经过三个阶段，即熔融焊料在被焊金属表面润湿阶段；熔融焊料在金属表面扩展阶段；熔融焊料通过毛细管作用力渗入焊缝，在接触面上形成合金层。其中润湿是最重要的阶段，没有润湿，焊接就无法进行。焊接原理是通过加热的烙铁将固态焊锡丝加热熔化，再借助于助焊剂的作用，使其流人被焊金属之间，待冷却后形成牢固可靠的焊接点。当焊料为锡铅合金，焊接面为铜时，焊料先对焊接表面产生润湿，伴随着润湿现象的发生，焊料逐渐向金属铜扩散，在焊料与金属铜的接触面形成附着层，使两者牢固地结合起来。所以焊锡是通过润湿、扩散和冶金结合这三个物理和化学过程来完成的。
1．2润湿
润湿过程是指已经熔化了的焊料借助毛细管力沿着母材金属表面细微的凹凸和结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊母材表面形成附着层，使焊料与母材金属的原子相互接近，达到原子引力起作用的距离。引起润湿的环境条件：被焊母材的表面必须是清洁的，不能有氧化物或污染物。为了使焊料能迅速润湿被焊金属，必须达到金属间的直接接触，也就是说焊料和被焊金属接触界面必须清洁，任何污染都会妨碍润湿和金属化合物的生成。因此，保证接触表面的清洁是润湿必须具备的条件。但是金属表面总是存在氧化物、硫化物和油污等，因此在焊接前对被焊金属表面都要进行清洁处理。
1-3扩散
伴随着润湿的进行，焊料与母材金属原子问的相互扩散现象开始发生。在正常条件下，金属原子在晶格点阵中都以其平衡位置为中心进行着不停的热运动，这种运动随着温度的增高其频率和能量也逐步增高，当达到足够能量和温度时，某些原子会克服周围原子对它的束缚，脱离原来占据的位置，这种现象就叫扩散。 金属间的扩散速度和扩散量，与温度和时问密切相关，因此，在焊接技术中，焊接温度和焊接时间等工艺因素是保证焊接质量，达到可靠连接的重要条件。另外，焊接时能否生成合金层还取决于被焊金属与焊料之间亲和力的大小及有无。焊料润湿被焊金属与被焊金属本身特性有关，在电子导电材料中，大多采用铜、金和
银等材料或镀层，就是为了提高焊料对被焊金属的润湿能力。
2可靠焊点形成的关键要素
2．1设置合适的焊接温度
焊接之前，按工艺要求检测焊台的设置温度烙铁在焊接过程中，显示温度与烙铁头实际温度之间存在差别。一般采用63Sn37Pb 有铅焊料，其熔点为l 83℃ ，而焊件的最佳焊接温度为焊料液化温度之上大约50℃ ，即为233cC ，但由于手工焊接暴露在空气中，散热快，为得到充足热量，一般应再提高20℃ 30℃。根据多次试验测试，当烙铁设置温度为340℃，焊点平均温度为253 c 【=(焊接时由于焊件吸收热量，因此实际焊点温度并不就是烙铁设置温度，这也是烙铁设置温度与标准规定焊接温度不同的原因) 。我所在总结相关标准提供的参数基础上，通过大量的试验，以及焊接温度与烙铁设置温度的对比，设置了工艺参数为： “采用63Sn37Pb 有铅焊料(熔点183cIC) ，焊件的最佳焊接温度为253℃，烙铁设置温度为340℃” 。
2．2 烙铁头的选择
在具体焊接不同的焊点时，应按照焊盘选择好合适的烙铁头，针对不同尺寸焊盘及时更换不同的烙铁头进行焊接操作，以符合标准焊接规范，焊点质量能 够达到优级，焊接效率显著提高，同时烙铁头使用寿命可以成倍延长l4J 。2I3焊接时间焊接时间应在3 S一5 s之间。加热时间不足，焊料不能充分浸润焊件，形成夹渣和虚焊。加热时间过量，焊点表面形成粗糙颗粒及呈脆性的金属化合物， 该化合物焊接强度低，导电性差。
2．4被焊物的可焊性
被焊物的可焊性差会直接影响焊接的质量，因此在焊接前需要检查被焊件的管脚和焊盘等是否被氧化和污染，如有则立即搪锡或清洗使其满足要求。
2．5 选择合适的焊锡丝
焊接时选用合适的焊锡丝也是比较重要的因素。焊锡丝过粗，会导致焊点的焊锡过多，容易出现连焊现象。因此要根据焊点的大小来选用合适焊锡丝，一般应选择焊锡丝的直径略小于焊盘直径的焊锡丝。一般选择D=0．5 mm的焊锡丝。在我所的电子产品装焊过程中也发生了类似现象的缺陷，因此逐一分析并提出解决措施。
3．1冷焊
冷焊是在零件的吃锡接口没有形成吃锡带(即焊锡不良) ，通常是由于焊接温度太低、时间太短和吃锡性问题等造成的。
3-2虚焊
虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的，它使焊点成为有接触电阻的连接状态，导致电路工作不正常，出现连接时好时坏的不稳定现象没有规律性，也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内，保持接触尚好，因此不容易发现。但在温度、湿度和振动等环境条件的作用下，接触表面逐步被氧化，接触慢慢地变得不完全起来。
3．3空洞
分布在焊点表面或内部的气孔和针孔。
实例：某型号调试时发现信号接触不良，设计排查时确认到某电路，该电路重新焊接后故障消除。
(1)不良反应：调试时信号时好时坏。
(2)原因分析：查看该焊接不良件，焊接面和
元件面看焊点形态良好；将焊接不良件放在光写检查仪下检查，焊件焊点好；将焊件放入 光检查仪下检查，发现该焊件部分焊点中有夹层(即空洞) 。后 经分析该空洞焊点引脚为接地点(大面积铺铜) 因此焊接是比较困难很难达到透锡率75％。而操作员为满足工艺标准，焊接面焊接后再在元件面焊接，采用双 面焊， 因此形成了内部空洞。
(3)解决措施：工艺部门组织现场操作人员进行相关培训，并总结归纳以下五条避免空洞的注意要点做为焊接注意点张贴至操作现场。
A) 所有器件禁止双面焊接；
b) 对多层印制板焊接时采用底部加热；
c) 对大型元器件焊接前采取预热手段；
d) 焊接接地|点时可适当调节焊接烙铁温度或功率。
3．4其它问题
在手工焊接中还经常碰到一些其它问题，通过肉眼以及光学检查设备无法判断的焊接问题，需要通过专业的失效分析或是通过其它试验验证才能得到真正的失效原因。例如某型号产品整机在进行ESS 振动过程中片式电容引起的跳动量过大，而经过重新焊接后问题得以消除。针对该问题，工艺人员进行了专题试验。
(1)问题分析：选取试验样板根据表1进行相关工艺试验验证。焊接后将试验样板装入整机进行ESS 振动试验，结果表明第一组、第二组焊接电容在振动过程中均模拟出失效。领取新电容用按第一组、第二组的焊接方法重新再次试验，结果与第一次试验结果一致。试验结果表明：焊接时两端加热时间相差3min ～5 min，焊接时间过短都能造成焊接不良引发失效。因采用第二种焊接方法的第二组焊点与失效焊点明显不同，因此造成此时失效应该是焊接顺序问题，用光学检查仪检查问题焊点，其外观、形状和轮廓等均看似合格。经研究得知，问题焊点中因受到热应力来回冲击，看似合格的焊点中已存在机械损伤。
表1试验方案
第一组 第二组 第二组
同一个电容一端焊接后马上焊一端焊接冷却3rain ～5 nlin 另一端焊接方法 后再焊接另 焊接温度一端 焊接时问短 290290℃ 2 s 290 oc 焊接时问3 s～5 S验证两端加 验证焊盘焊锡未 按电子协会验证内容 热相差一定 完全熔时间时元件 化情况即冷焊 建议丁艺是否受应力
(2)解决措施：工艺部门组织现场操作人员进行相关培训，并总结归纳以下两条做为焊接片式电容的注意点张贴至操作现场。
a) 焊接时同一个电容必须一端焊接后直接焊另一端，不能将不同位号的片式电容全部都先焊上一端后再同时焊另一端；
b) 焊接时必须保持3 S ～5 S ，保证焊端焊锡完全润湿熔化，特别是焊接第一端时焊盘上先沾锡的。
4手工焊接操作技巧
具体的操作手法，在达到优质焊点的目标下可因人而异，但长期实践经验的总结，对操作员的指导作用不可忽略，具体有以下几点：
(1)保持烙铁头的清洁，烙铁头长期处于高温，接触焊剂等杂质，表面容易氧化，杂质形成隔热； (2)采用正确的加热方法，要靠增加接触面积加快传热(如更换合适的烙铁头) ，而不是用烙铁对焊件加力； (3)烙铁撤离有讲究，烙铁撤离要及时，而且撤离时的角度和方向对焊点形成有一定关系，应烙铁轴向45。撤离，总结出，撤离烙铁时轻轻旋转一下，可保持焊点适当的焊料； (4)在焊锡凝
固和完全冷却之前，不要使被焊件移动。(5)焊锡量要适中，焊锡用量过多形成焊点锡堆积，焊锡过少不足以包裹焊点； (6)不要使用过量的助焊剂，过量的助焊剂不仅造成焊点周围清洗困难，而且延长了加热时间，而当加热时间不足时，容易夹杂到焊锡中形成冷焊缺陷，过量的焊剂容易流到触点，从而形成电接触不良。(7)不把烙铁头作为运载的工具，因为烙铁头温度过高，焊锡丝中的焊剂在高温下容易分解失效，焊接加热时容易氧化，造成劣质焊点。
5结束语
提高手工焊接的质量和可靠性，一方面需要工艺人员制定出合理的规范和工艺流程，另一方面也要求操作者熟练掌握相关的焊接技能及操作方法。