《汽車電工電子基礎》電子教案 2.7焊接相關

課程教案課題焊接相關課程《汽車電工電子基礎》專業(yè)新能源檢測與維修專業(yè)課型新授課教學目標了解焊接的3種類型和焊接機理；了解影響焊接質量的相關因素；能熟練應用焊接工具按照工藝標準完成焊接工作。教學重點難點及解決辦法重點：了解焊接的基礎知識；難點：能熟練應用焊接工具按照工藝標準完成焊接工作。解決方法：多次練習最終掌握作業(yè)布置記憶本節(jié)課的知識點，完成課后習題教學后記學生聽課情況學生掌握情況存在的問題審查簽字年月日

教學過程教師活動教學內容學生活動組織教學復習回顧告知教學目標講授新知課堂小結隨堂檢測布置作業(yè)清點人數，師生問好提問歐姆定律的公式，引入新課。告知學生本堂課的任務（1）了解焊接的3種類型和焊接機理；（2）了解影響焊接質量的相關因素；（3）能熟練應用焊接工具按照工藝標準完成焊接工作。一、焊接的基礎知識（一）焊接的分類焊接一般分為熔焊、接觸焊和釬焊三大類。1.熔焊熔焊是指在焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，在不外加壓力的情況下完成焊接的方法，如電弧焊、氣焊等，如圖所示。2.接觸焊接觸焊是在焊接過程中，必須對焊件施加壓力（加熱或不加熱）來完成焊接的方法，如超聲波焊、脈沖焊、摩擦焊等。圖示為超聲波金屬焊接機。3.釬焊釬焊采用比被焊件熔點低的金屬材料作焊料，將焊件和焊料加熱到高于焊料的熔點而低于被焊件的熔點的溫度，利用液態(tài)焊料潤濕被焊件，并與被焊件相互擴散，從而實現連接。釬焊根據使用焊料熔點的不同又可分為硬釬焊和軟釬焊。使用焊料的熔點高于4500℃的釬焊稱為硬釬焊；使用焊料的熔點低于4500℃的釬焊稱為軟釬焊。電子產品安裝工藝中的“焊接”就是軟釬焊的一種，主要使用錫、鉛等低熔點合金材料作焊料，因此俗稱“錫焊”。（二）焊接的機理電子線路的焊接看似簡單，似乎只不過是熔融的焊料與被焊金屬（母材）的結合過程，但其微觀機理則是非常復雜的，它涉及物理、化學、材料學、電學等相關知識。只有熟悉有關焊接的基礎理論，才能對焊接中出現的各種問題心中有數，應付自如，從而提高焊接質量。焊接是將焊料、被焊金屬同時加熱到最佳溫度，依靠熔融焊料添滿被焊金屬間隙并與之形成金屬合金的過程。從微觀的角度分析，焊接包括兩個過程：一個是潤濕過程，另一個是擴散過程。1.潤濕（橫向流動）潤濕又稱為浸潤，是指熔融焊料在金屬表面形成均勻、平滑、連續(xù)并牢固附著的焊料層。潤濕程度主要取決于焊件表面的清潔程度及焊料的表面張力。被焊金屬表面看起來是比較光滑的，但在顯微鏡下卻可以看到有無數凹凸、晶界和傷痕。焊料就是沿著這些表面上的凹凸和傷痕靠毛細作用潤濕擴散開去的，因此焊接時應使焊料流淌。流淌的過程一般是松香在前面清除氧化膜，焊料緊跟其后，因此潤濕基本上是熔化的焊料沿著金屬表面橫向流動。潤濕的質量用潤濕角表示，如圖所示。（a）θ<90°，潤濕；（b）θ>90°，不潤濕從以上敘述可知，潤濕的條件之一是被焊金屬表面必須保持清潔。只有這樣，焊料和被焊金屬的原子才可以自由地相互吸引。2.擴散（縱向流動）伴隨著熔融焊料在被焊金屬表面擴散的潤濕現象的出現，還出現了焊料向固體金屬內部擴散的現象。例如用錫鉛焊料焊接銅件時，焊接過程中既有表面擴散，又有晶界擴散和晶內擴散。錫鉛焊料中的鉛只參與表面擴散，而錫和鉛原子則相互擴散，這是不同金屬的不同性質所決定的選擇擴散。正是由于這種擴散作用，在兩者界面形成新的合金，從而使焊料和焊件牢固地結合。擴散的結果使錫原子和被焊金屬的交接處形成合金層，從而形成牢固的焊接點。以錫鉛焊料焊接銅件為例，在低溫（250~300℃）條件下，在銅和焊錫的界面上會生成Cu3Sn和Cu6Sn5。若溫度超過300℃，除了生成這些合金外，還會生成Cu31Sn8等金屬間化合物。焊點界面的厚度因溫度和焊接時間的不同而異，一般為3~10μm。在溫度適當時，焊接時會生成Cu3Sn、Cu6Sn5；當溫度過高時，會生成Cu31Sn8等其他合金。這是由于溫度過高而使銅熔進過多，這對焊接部位的物理特性、化學性質，尤其是機械特性及耐腐蝕性等都有很大影響。從焊點表面看，過熱或時間過長會使焊料表面失去特有的金屬光澤，而使焊點呈灰白色，形成顆粒狀的外觀。同時，靠近合金層的焊料層，其成分發(fā)生變化，也會使焊料失去結合作用，從而使焊點喪失機械、電氣性能。正確的焊接時間為2~5s，且應一次焊成，切忌焊接時間過長和反復修補。圖所示為元件焊接合金層示意。只有在焊錫和元件的交接面形成的合金層，才能使焊錫與元件牢固連接；只有焊錫與焊盤金屬的表面有合金層形成，焊錫才能牢固地附著在印制電路板（PCB）上；只有這兩個合金層都很好，才能使元件牢固地固定在印制電路板焊盤上。（三）焊接的要素焊接是綜合的、系統的過程，焊接的質量取決于下列要素。（1）焊接母材的可焊性。所謂可焊性，是指液態(tài)焊料與母材之間應能互相溶解，即兩種原子之間要有良好的親和力。兩種不同金屬互溶的程度取決于原子半徑及它們在元素周期表中的位置和晶體類型。對于錫鉛焊料，除了含有大量鉻和鋁合金的金屬材料不易與其互溶外，其他金屬材料大都可以與其互溶。為了提高可焊性，一般采用表面鍍錫、鍍銀等措施。（2）焊接部位的清潔程度。焊料和母材表面必須“清潔”。這里的“清潔”是指焊料與母材兩者之間沒有氧化層，更沒有污染。當焊料與被焊金屬之間存在氧化物或污垢時，就會阻礙熔化的金屬原子的自由擴散，不會產生潤濕作用。元件引腳或印制電路板的焊盤氧化是產生“虛焊”的主要原因之一。（3）助焊劑。助焊劑可破壞氧化膜、凈化焊接面，使焊點光滑、明亮。電子裝配中的助焊劑通常是松香。（4）焊接溫度和時間。焊錫的最佳溫度為250℃±5℃，最低焊接溫度為240℃。溫度太低易形成冷焊點，溫度高于260℃易使焊點質量變差。（5）焊接時間。完成潤濕和擴散兩個過程需要的焊接時間為2~3s，1s僅完成潤濕和擴散兩個過程的35%。一般集成電路（IC）、三極管焊接時間短于3s，其他元件焊接時間為4~5s。二、焊料、助焊劑、阻焊劑焊料、助焊劑和阻焊劑的性質和成分、作用原理及選用知識是電子組裝工藝技術中的重要內容之一，對保證焊接質量具有決定性的影響。（一）焊料凡是用來熔合兩種或兩種以上的金屬表面，使之形成一個整體的金屬的合金都叫作焊料。根據組成成分，焊料可以分為錫鉛焊料、銀焊料、銅焊料。根據熔點，焊料又可以分為軟焊料（熔點在450℃以下）和硬焊料（熔點在450℃以上）。在電子裝配中常用的是錫鉛焊料。通常所說的焊錫是一種錫和鉛的合金，它是一種軟焊料。焊錫可以是二元合金、三元合金或四元合金。1.錫鉛合金的狀態(tài)曲線純錫與其他多種金屬有良好的親和力，它熔化時與焊接母材金屬形成化合物合金層IMC。許多元件的引腳是銅材料，這種合金層的成分是Cu6Sn5，這種化合物雖然強固，但較脆。如果用鉛與錫制成錫鉛合金，則既可以降低焊料的熔點，又可以增加強度。圖示為錫鉛合金的狀態(tài)曲線，表示了錫鉛合金的熔化溫度隨著錫鉛含量的變化而變化的情況。橫坐標是錫鉛合金的質量百分比，縱坐標是溫度。從圖2-7-5可以看出，只有純鉛（A點）、純錫（C點）、易熔合金（B點）是在單一溫度下熔化的。其他配比構成則是在一個溫度區(qū)域內熔化的，A-B-C是液相線，A-D-B-C-E是固相線。兩個溫度區(qū)域之間是半液體區(qū)，焊料呈稠糊狀。在B點合金不呈半液體狀態(tài)，可以由固體直接變成液體，B點稱為共晶點。按共晶點的配比配制的合金稱為共晶合金。錫鉛合金焊錫的共晶點配比為錫63%、鉛37%，這種焊錫稱為共晶焊錫。其熔化溫度為183℃。當錫的質量分數高于63%時，熔化溫度升高，強度降低。當錫的質量分數低于10%時，焊接強度差，接頭發(fā)脆，焊料的潤濕能力變差。最理想的是共晶焊錫。在共晶溫度下，焊錫由固體直接變成液體，無須經過半液體狀態(tài)。共晶焊錫的熔化溫度比非共晶焊錫的熔化溫度低，這樣就減少了被焊接元件損壞的機會。同時，由于共晶焊錫由液體直接變成固體，所以減少了虛焊現象。因此，共晶焊錫的應用非常廣泛。2.焊錫合金的特性（1）導電性能。錫鉛合金的電導率僅是銅的1/10，即錫鉛合金的導電能力比較差。焊點的電阻與電阻率，焊點的形狀、面積等多種因素有關。焊點如果有空洞、深孔等缺陷，電阻就要明顯變大。在室溫下，一般一個焊點的電阻通常為1~10mΩ。當有大電流流過焊接部位時，就必須考慮其電壓降和發(fā)熱。因此，對大電流通過的焊接部位，除了印制導線要加寬外，待焊件還應該繞焊。（2）力學性能。在實際焊接中，即使不考慮焊接過程中產生的缺陷（如空洞和氣泡等）對焊點強度的影響，焊點強度也經常出現問題。電子產品在實際工作中，由于焊點電阻的存在而出現發(fā)熱現象，在溫度循環(huán)的情況下，焊點出現蠕變和疲勞，這將極大地影響焊點的力學性能。例如在溫度為20~110℃時循環(huán)超過2000次，焊料的抗剪強度僅為正常值的1/10~1/5。此外，焊點強度還與焊點的形狀、負載的方向、IMC的厚度以及冷卻的速度有關。3.雜質對焊錫的影響焊錫中往往含有少量其他元素，這些元素會影響焊錫的熔點、導電性、抗張強度等物理、機械性能。（1）銅（Cu）。銅的成分來源于印制電路板的焊盤和元件的引線，并且銅的熔解速度隨著焊料溫度的升高而升高。隨著銅的質量分數的升高，焊料的熔點升高，黏度加大，容易產生橋接、拉尖等缺陷。一般焊料中銅的質量分數為0.3%~0.5％。（2）銻（Sb）。加入少量銻會使焊錫的機械強度升高，光澤度升高，但潤滑性變差，對焊接質量產生影響。（3）鋅（Zn）。鋅是對錫焊最有害的金屬之一。焊料中熔進0.001％的鋅就會對焊料的焊接質量產生影響。當熔進0.005％的鋅時，會使焊點表面失去光澤，流動性變差。（4）鋁（Al）。鋁也是有害的金屬，即使熔進0.005％的鋁，也會使焊錫出現麻點，黏結性和流動性變差。（5）鉍（Bi）。含鉍的焊料熔點下降，當添加10％以上的鉍時，會使焊錫出現變脆的傾向，冷卻時易產生龜裂。（6）鐵（Fe）。鐵難熔于焊料。它使焊料的熔點升高，從而難以熔解。當焊料中熔進0.005％的鋅時，會使焊點表面失去光澤，流動性變差。4.常用焊錫（1）焊錫絲。焊錫絲是手工焊接用的焊料。焊錫絲是管狀的，由焊劑與焊錫制成一體，在焊錫管中夾帶固體焊劑。焊劑一般選用特級松香為基質材料，并添加一定的活化劑，如鹽酸二乙胺等。錫鉛的成分不同，熔點就不同。如Sn63Pb37的熔點為183℃，Sn62Pb36Ag2的熔點為179℃。焊錫絲的直徑有0.23mm、0.4mm、0.56mm、0.8mm、1.0mm等多種規(guī)格。（2）抗氧化焊錫?？寡趸稿a是在錫鉛合金中加入少量的活性金屬，使氧化錫、氧化鉛還原，并漂浮在焊錫表面形成致密覆蓋層，從而保護焊錫不被繼續(xù)氧化。這類焊錫適用于浸焊和波峰焊。（3）含銀的焊錫。含銀的焊錫是在錫鉛焊料中添加0.5%~2.0％的銀，可減小鍍銀件中的銀在焊料中的質量分數，并可降低焊料的熔點。（4）焊膏。焊膏是表面安裝技術中的一種重要的貼裝材料，是由焊錫粉、助焊劑以及其他添加物混合而成的膏體。焊膏是糊狀物，能方便地用絲網、模板或點膏機印涂在印制電路板上。焊粉是焊接金屬粉末，其直徑為15~20pm，目前已有Sn-Pb、Sn-Pb-Ag、Sn-Pb-In等類型。有機物包括樹脂或一些樹脂溶劑混合物，用來調解和控制焊膏的黏性。所使用的溶劑有觸變膠、潤滑劑、金屬清洗劑。其中觸變膠不會增加黏性，但能減少焊膏的沉淀。焊膏適合片式元件用再流焊進行焊接。由于可將元件貼裝在印制電路板的兩面，所以節(jié)省了空間，提高了可靠性，有利于大量生產。在過去幾十年中，中國焊錫絲行業(yè)在技術水平和生產規(guī)模上都取得了顯著的發(fā)展?！吨袊稿a絲行業(yè)現狀深度調研與未來前景研究報告（2022—2029年）》顯示，目前國內焊接條、絲市場國產化程度較高，2021年本土企業(yè)錫業(yè)錫材、強力控股、千島金屬、同方電子、億鋮達工業(yè)等占據市場55%市場份額，外資企業(yè)僅占約20%市場份額。隨著我國產品質量逐年提升，國內企業(yè)的市場份額正在進一步提升。（二）助焊劑助焊劑的作用是清除金屬表面的氧化物、硫化物、油和其他污染物，并防止在加熱過程中焊料繼續(xù)氧化。同時，助焊劑還具有增強焊料與金屬表面的活性、增加浸潤的作用。1.對助焊劑的要求（1）有清洗被焊金屬和焊料表面的作用。（2）熔點低于所有焊料的熔點。（3）在焊接溫度下能變成液狀，具有保護金屬表面的作用。（4）有較小的表面張力，受熱后能迅速均勻地流動。（5）熔化時不產生飛濺或飛沫。（6）不產生有害氣體和有強烈刺激性的氣味。（7）不導電，無腐蝕性，殘留物無副作用。（8）助焊劑的膜要光亮、致密、干燥快、不吸潮、熱穩(wěn)定性好。2.助焊劑的種類助焊劑一般可分為無機助焊劑、有機助焊劑和樹脂助焊劑三大類。（1）無機助焊劑。無機助焊劑包括無機酸和無機鹽。無機酸有鹽酸、氟化氫酸、溴化氫酸、磷酸等。無機鹽有氯化鋅、氯化銨、氟化鈉等。無機鹽的代表是氯化鋅和氯化銨的混合物（氯化鋅75％、氯化銨25％）。它的熔點約為180℃，是適用于釬焊的助焊劑。由于其具有強烈的腐蝕作用，所以不能在電子產品裝配中使用，只能在特定的場合使用，并且焊后一定要清除殘渣。（2）有機助焊劑。有機助焊劑由有機酸、有機類鹵化物以及各種胺鹽樹脂等合成。這類助焊劑由于含有酸值較高的成分，所以具有較好的助焊性能，可焊性好。這類助焊劑具有一定程度的腐蝕性，殘渣不易清洗，焊接時會產生廢氣污染，這限制了它在電子產品裝配中的使用。（3）樹脂助焊劑。這類助焊劑在電子產品裝配中應用較廣，其主要成分是松香。在加熱的情況下，松香具有去除焊件表面氧化物的能力，同時焊接后形成的膜層具有覆蓋和保護焊點不被氧化腐蝕的作用。由于松脂殘渣為非腐蝕性、非導電性、非吸濕性的物質，焊接時沒有污染，且焊后容易清洗，成本又低，所以這類助焊劑至今還被廣泛使用。松香的缺點是酸值低，軟化點低（55℃左右），且易氧化，易結晶，穩(wěn)定性差，在高溫時很容易脫羧碳化而造成虛焊。目前出現了一種新型的助焊劑——氫化松香，我國已開始生產。它是由普通松脂提煉而來的，在常溫下不易氧化變色，軟化點高，脆性小，酸值穩(wěn)定，無毒，無特殊氣味，殘渣易清洗，適用于波峰焊接。3.助焊劑的主要性能無機助焊劑：一般無機助焊劑化學作用強，腐蝕作用大，錫焊性好，但對電路元件有破壞作用，焊后必須清洗干凈。樹脂助焊劑：松香系列助焊劑在印制電路板焊接中較常用。在應用時分為前涂覆和后涂覆。在焊接前涂覆在印制電路板上，既可以防止銅箔表面氧化，又便于印制電路板的保存。后涂覆是在焊接元件時與焊錫一起使用。（三）阻焊劑阻焊劑是一種耐高溫的涂料。在焊接時可將不需要焊接的部位涂上阻焊劑保護起來，從而使焊接只在需要焊接的焊點上進行。應用阻焊劑可以防止橋接、短路等情況發(fā)生，減少返修，提高勞動生產率，節(jié)約焊料，提高焊接質量。由于阻焊膜的覆蓋，焊接時印制電路板受到的熱沖擊小，使板面不易起泡、分層。阻焊劑廣泛用于浸焊和波峰焊。1.阻焊劑的種類按成膜方法，阻焊劑可分為熱固化型、紫外線光固化型及電子束漫射固化型等幾種。（1）熱固化型阻焊劑。熱固化型阻焊劑的成膜材料有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、氨基樹脂、醇酸樹脂等。它們可以單獨使用，也可以混合使用。通常把它們制成液體通過絲網漏印在板上，然后加溫、固化形成一層阻焊膜。熱固化阻型焊劑的優(yōu)點：價格低，黏結強度高。（2）紫外線光固化型阻焊劑。紫外線光固化型阻焊劑由光固化樹脂、稀釋劑、光敏劑、顏料、填料等組成。光固化樹脂黏度大，經稀釋劑稀釋后才能使用，紫外線光固化型阻焊劑的性能在很大程度上依賴于稀釋劑的性能。紫外線光固化主要借助加入光敏劑完成。加入填料的目的在于提高阻焊劑的硬度和機械強度，同時還可以降低成本。著色的目的是使操作人員易于分辨、檢查印制電路板焊接缺陷和保護視力，習慣上配制成綠色。紫外線光固化型阻焊劑與一般熱固化型阻焊劑比較具有如下優(yōu)點：固化時間短（目前國內一般干燥固化的時間為1~3min，國外為數秒鐘），適合自動化流水線生產；固化不依靠溶劑揮發(fā)，因此對空氣的污染較?。还袒瘯r間短，可避免印制電路板因受熱沖擊而變形翹曲；設備簡單，價格低，維護費用少，占地面積小。（3）電子束漫射固化型阻焊劑。電子束漫射固化型阻焊劑與紫外線光固化型阻焊劑的基本原理相同，但其固化時無須光引發(fā)劑，在一定能量的電子束漫射激發(fā)下便可形成固化阻焊膜。2.阻焊劑的優(yōu)點（1）防止焊錫橋接造成短路。（2）使焊點飽滿，減少虛焊，而且有助于節(jié)約焊料。（3）由于板面部分被阻焊劑膜覆蓋，焊接時板面受到的熱沖擊小，所以不易起泡、分層。3.對阻焊劑的要求阻焊劑是通過絲網漏印方法印制在板上的，因此要求它黏度適宜，不封網，不潤圖像，以滿足漏印工藝的要求。阻焊劑應在250~270℃的錫焊溫度中經過10~25s不起泡、脫落，與覆銅箔仍能牢固黏結，具有較好的耐溶劑化學藥品性，能經受焊前的化學處理，有一定的機械強度，能承受尼龍刷的打磨拋光處理。三、電子元件的焊接（一）常用工具常用工具電烙鐵、焊料、助焊劑、金屬鉗、吸錫器、焊臺、萬用表等，如圖所示。（二）焊接步驟1.清除焊接部位的氧化層焊接前，應對元件引腳或印制電路板的焊接部位進行焊前處理?？捎脭噤彈l制成小刀，刮去金屬引線表面的氧化層，使引腳露出金屬光澤，如下圖所示。印刷電路板可用細砂紙將銅箔打光后，涂上一層松香酒精溶液。2.元件鍍錫在刮凈的引線上鍍錫，可將引