1.4 手工焊接技术
1.4.1 焊接基础
利用加热或其他方法，使两种金属间原子的壳层相互作用或原子相互扩散、互熔，依靠原子间的内聚力使两种金属永久地牢固结合，被称为焊接。
焊接一般分为熔焊、钎焊、接触焊三大类。
熔焊即熔化焊，又可分为气焊、电焊，是一种最常见的焊接方法。所谓熔焊，是指在焊接过程中，将焊接接头在高温等的作用下至熔化状态，由于被焊工件是紧密贴在一起的，因此在温度场、重力等的作用下，不加压力，两个工件熔化会发生混合现象。待温度降低后，熔化部分凝结，两个工件就被牢固的焊在一起了，完成焊接，如图1.19所示。由于在焊接过程中固有的高温相变过程，使焊接区域产生了热影响区。固态焊接和熔焊正相反。固态焊接没有金属的熔化。熔焊可以分为电弧焊、电渣焊、气焊、电子束焊、激光焊等。最常见的电弧焊又可以进一步分为手工电弧焊（焊条电弧焊）、气体保护焊、埋弧焊、等离子焊等。
图1.19 熔焊原理示意图
钎焊可分为软焊（焊料熔点低于450℃）、硬焊（焊料熔点高于450℃），在固体母材之间，熔入比母材金属熔点低的焊料，依靠毛细管的作用，使焊料进入母材，浸润工件金属表面，发生化学变化，使母材与焊料结合为一体。计算机CPU比较脆弱，为防止外力挤压，在CPU顶端一般放置一块金属板。金属板与CPU之间有一块空隙，长久以来，用来填充空隙的材质是硅脂，因为硅脂属于可导热的材料，可以帮助CPU有效导热、散热。一般硅脂的导热系数为2W/m·K左右。随着技术的进步，硅脂的散热效果已经远远跟不上CPU发展的需要。钎焊工艺由于采用低熔点的金属材料，其导热系数为60W/m·K左右，为解决这个问题提供了新的思路，大多数AMD的CPU或APU都采用这个工艺。但从成本考虑，英特尔采用钎焊一段时间后又改为硅脂，直到九代酷睿才重新采用钎焊工艺，如图1.20所示。
图1.20 钎焊及其应用
接触焊又称无锡焊接，是一种不需要钎料和焊剂，即可获得可靠连接的焊接技术。其焊接原理是通过对被焊件施加冲击、强压或扭曲，使接触面发热，界面分子相互渗透，形成界面化合物结晶体，从而将被焊件连接在一起。常用的接触焊接种类有压接、绕接、穿刺和螺纹连接等。由于接触焊不需要钎料和焊剂，因此不会产生有害气体对环境和操作人员产生伤害，无需清洗，成本低。
采用锡铅焊料进行焊接称为锡铅焊，简称锡焊。锡焊方法简便，整修焊点、拆换元器件、重新焊接都较容易，所用工具简单，具有成本低、易实现自动化等优点。在电子装配中，锡焊是使用最早、适用范围最广、当前仍占较大比重的一种焊接方法。
近年来，随着电子工业的快速发展，焊接工艺也有了新的发展。锡焊普遍使用了应用机械设备的浸焊和实现自动化焊接的波峰焊，不仅降低了劳动强度，而且提高了生产效率，保证了产品的质量。无锡焊接在电子工业中也得到了较多的应用，如熔焊、绕接焊、压接焊等。
1.4.2 锡焊机理
锡焊机理可以由浸润、扩散、界面层结晶与凝固三个过程来表述。
（1）浸润
浸润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及结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊母材表面形成一个附着层，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。浸润过程是形成良好焊点的先决条件。
浸润是熔融焊料在被焊面上的扩散，伴随着扩散，还发生液态和固态金属间的相互扩散。
焊料浸润性能的好坏一般用浸润角θ表示。它是指焊料外圆在焊接表面交接点处的切线与焊件面的夹角。从0°～180°，θ越小，浸润越充分。
（2）扩散
由于金属原子在晶格点阵中呈热振动状态，因此在温度升高时，会从一个晶格点阵自动转移到其他晶格点阵，这个现象被称为扩散。锡焊时，焊料和工件金属表面的温度较高，焊料与工件金属表面的原子相互扩散，在两者界面间形成新的合金。正是由于扩散作用，形成了焊料和焊件之间的牢固结合。
（3）界面层的结晶与凝固
焊接后，焊点降温到室温，在焊接处形成由焊料层、合金层和工件金属表层组成的结合结构。在焊料和工件金属界面上形成合金层，被称为界面层。冷却时，界面层首先以适当的合金状态开始凝固，形成金属结晶，而后结晶向末凝固的焊料生长。
形成界面层是锡焊的关键。界面层的成分既不同于焊料，又不同于焊件，而是一种既有化学作用（生成金属化合物，如Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu31Sn8等），又有冶金作用（形成合金固熔体）的特殊层。如果没有形成界面层，仅仅是焊料堆积在母材上，则称为虚焊。界面层的厚度因焊接温度、时间不同而异，一般在1.2～10μm之间。理想的界面层厚度是1.2～3.5μm，强度最高，导电性能好。界面层小于1.2μm，实际上是一种半附着性结合，强度很低；大于6μm，则使组织粗化，产生脆性，降低强度。
良好的焊接必须具备以下几个条件。
（1）良好的可焊性
可焊性，即可浸润性，是指在适当的温度下，工件金属表面与焊料在助焊剂的作用下能形成良好的结合，生成合金层的性能。铜是导电性能良好且易于焊接的金属材料，常用元器件的引线、导线及接点等都采用铜材料制成。其他金属，如金、银的可焊性好，但价格较贵，而铁、镍的可焊性较差。为提高可焊性，通常在铁、镍合金的表面上先镀一层锡、铜、金或银等金属，以提高可焊性。
（2）清洁的焊接表面
工件金属表面如果存在氧化物或污垢，会严重影响与焊料在界面上形成合金层，造成虚、假焊。轻度的氧化物或污垢可通过助焊剂来清除，较严重的要通过化学或机械的方式来清除。
（3）适当的助焊剂
助焊剂是一种略带酸性的易溶物质，在焊接过程中可以溶解工件金属表面的氧化物和污垢，提高焊料的流动性，有利于焊料的浸润和扩散，在工件金属与焊料的界面上形成牢固的合金层，保证了焊点的质量。助焊剂种类很多，效果也不一样，使用时必须根据材料、焊点表面状况和焊接方式选用。
（4）足够的焊接温度和时间
热能是进行焊接必不可少的条件。热能的作用是熔化焊料，提高工件金属的温度，加速原子运动，使焊料浸润工件金属界面，并扩散到工件金属界面的晶格中，形成合金层。温度过低，会造成虚焊。温度过高，会损坏元器件和印制电路板。合适的温度是保证焊点质量的重要因素。手工焊接的关键是选用具有适当功率的电烙铁和掌握焊接时间。电烙铁功率较大时应适当缩短焊接时间，电烙铁功率较小时可适当延长焊接时间。焊接时间过短，会使温度太低；焊接时间过长，会使温度太高。根据焊接面积的大小，经过反复多次实践，才能把握好焊接工艺的这两个要素。一般情况下，焊接时间不应超过3s。
1.4.3 焊接质量分析
焊点是电子产品中元器件连接的基础，产品越复杂，使用的元器件越多，焊点越多。焊点质量出现问题可导致设备故障。因此，高质量的焊点是保证设备可靠工作的基础。
1.良好焊点的标准
①焊点表面：光滑，色泽柔和，没有砂眼、气孔、毛剌等缺陷。
②焊料轮廓：印制电路板焊盘与引脚间应呈弯月面，浸润角15°＜θ＜45°。
③焊点间：无桥接、拉丝等短路现象。
④焊料内部：金属没有疏松现象，焊料与焊件接触界面上形成3～10μm的金属间化合物。
良好焊点形貌如图1.21所示。
图1.21 良好焊点形貌
2.焊点的质量要求
焊点的质量要求有下列几个方面：
①电气接触良好：良好的焊点应该具有可靠的电气连接性能，不允许出现虚焊、桥接等现象。
②机械强度可靠：保证在使用过程中，不会因正常的振动而导致焊点脱落。
③外形美观：一个良好的焊点应该是明亮、清洁、平滑的，焊锡量适中，呈裙状拉开，焊锡与被焊件之间没有明显的分界。
3.焊点的检查步骤
焊点的检查通常采用目视检查、手触检查和通电检查。
（1）目视检查
目视是指从外观上检查焊接质量是否合格，焊点是否有缺陷。目视检查的主要内容有：是否有漏焊；焊点的光泽好不好，焊料足不足；是否有桥接、拉尖现象；焊点有没有裂纹；焊盘是否有起翘或脱落情况；焊点周围是否有残留的焊剂；导线是否有部分或全部断线、外皮烧焦、露出线芯的现象。
（2）手触检查
手触检查主要是用手指触摸元器件，看元器件的焊点有无松动、焊接不牢的现象，用镊子夹住元器件引线轻轻拉动，有无松动现象。
（3）通电检查
通电检查必须在目视检查和手触检查无错误的情况之后进行，这是检验电路性能的关键步骤，见表1.1。
表1.1 通电检查
1.4.4 焊接操作姿势
加热助焊剂挥发出的化学物质对人体有害，焊接时，一般电烙铁离鼻子的距离应不少于30cm，通常以40cm为宜，并要保持空气流通。
电烙铁握法有三种，如图1.22所示。
①反握法：用五指把电烙铁的柄握在掌内，适用于大功率电烙铁焊接散热量大的被焊件，动作稳定，长时间操作不宜疲劳。
图1.22 电烙铁握法
②正握法：适于中等功率电烙铁或带弯头电烙铁的操作。
③握笔法：适用于小功率电烙铁，在操作台上进行印制板焊接散热量小的被焊件，如焊接收音机、电视机的印制电路板等。
焊锡丝根据连续锡焊和断续锡焊的不同分为两种拿法，如图1.23所示。
图1.23 焊锡丝的拿法
焊锡丝一般要用手送到焊接处，不要用电烙铁头上的焊锡焊接，这样很容易造成焊料的氧化、助焊剂的挥发。
1.4.5 电烙铁头的清洁处理
电烙铁头是用紫铜制作的，在温度较高时容易氧化，而且在使用过程中极容易被焊料浸蚀而逐渐失去原来的形状，因此需要加以修整。为了提高电烙铁的可焊性，延长使用时间，不管是初次使用的新电烙铁头，还是经修整后的旧电烙铁头，都要及时进行清洁处理并上锡。
方法如下：在电烙铁通电发热的情况下，用砂纸或挫刀将电烙铁头头的氧化层磨掉，迅速投入事先准备好的松香助焊剂中，并用湿布擦拭，清除电烙铁头表面的氧化物和污垢，给电烙铁头上锡，使电烙铁头粘有一些焊料。如末达到预期目的，可反复一二次。如出现电烙铁头不粘锡，则可用活性松香助焊剂在锡槽中上锡。如电烙铁头上焊料太多，则可用湿布擦掉，决不可用敲击或甩掷的错误方法。
1.4.6 元器件镀锡
元器件引线一般都镀有一层薄薄的钎料，时间一长，其表面将产生一层氧化膜，影响焊接。因此，除少数镀有银、金等良好镀层的引线外，大部分元器件在焊接前都要重新镀锡。
镀锡，实际上就是锡焊的核心——液态焊锡对被焊金属表面浸润，形成一层既不同于被焊金属，又不同于焊锡的结合层。这一结合层将焊锡同待焊金属这两种性能、成分都不同的材料牢固地结合起来。实际的焊接工作只不过是用焊锡浸润待焊零件的结合处，熔化焊锡并重新凝结的过程。
镀锡的方法有很多种，常用的方法主要有电烙铁手工镀锡、锡锅镀锡、超声波镀锡等。
电烙铁手工镀锡是指直接使用电烙铁对电子元器件的引线镀锡，如图1.24所示，操作不熟练时，最好用镊子夹持元器件，以免烫伤手指。其优点是方便、灵活；缺点是镀锡不均匀，易生锡瘤，工作效率低，适用于少量、零散作业。
图1.24 电烙铁手工镀锡
电烙铁手工镀锡时的注意事项：
①电烙铁头要干净，不能带有污物和使用氧化了的锡。
②电烙铁头要大一些，有足够的吃锡量。
③应根据不同元器件选择电烙铁的功率及温度。电阻、电容温度可高一些，一般可达到350～400℃。晶体管温度不能太高，以免烧坏，一般控制为280～300℃。实践证明，镀锡温度超过450℃时，就会加速铜的熔解和氧化，导致锡层无光、表面粗糙等。
④应选择合适的助焊剂，常使用松香酒精水。
⑤镀锡时，引线要放在平整干净的木板上，其轴线应与电烙铁头的移动方向一致。电烙铁头移动速度要均匀，不能来回往复。
⑥多股导线镀锡时，要先剥去绝缘层，并将多股导线拧紧后再镀锡。
⑦镀锡时，元器件要360°旋转，使焊锡布满整个引线。
1.4.7 五步焊接法
焊接操作一般分为准备施焊、加热焊件、填充焊料（焊锡丝供给）、移开焊锡丝、移开电烙铁五步，称为五步法，如图1.25所示。
图1.25 五步焊接法
准备施焊：准备好焊锡丝和电烙铁，将干净的电烙铁头粘上焊锡（俗称吃锡），如图1.26所示。
加热焊件：用电烙铁接触焊点，注意电烙铁与水平面大约成60°角，便于熔化的焊锡从电烙铁头上流到焊点，并保持电烙铁均匀加热焊件各部分，如图1.27所示。
图1.26 准备施焊
图1.27 加热焊件
焊锡丝供给：当焊件加热到能熔化焊料的温度后，将焊锡丝置于焊点，焊锡丝开始熔化，浸润焊点，如图1.28所示。
移开焊锡丝：当熔化一定量的焊锡后，将焊锡丝移开，如图1.29所示。
图1.28 焊锡丝供给
图1.29 移开焊锡丝
移开电烙铁：当焊锡完全浸润焊点后，移开电烙铁，注意移开电烙铁的方向，应该是大致45°的方向，如图1.30所示。
上述过程对一般焊点而言需要2～3s。对于热容量较小的焊点，例如印制电路板上的小焊盘，有时用三步法操作，即将上述步骤2、3合为一步，4、5合为一步。实际上细微区分还是五步，所以五步法有普遍性，是掌握手工电烙铁焊接的基本方法，特别是各步骤之间的停留时间，对保证焊接质量至关重要。
电烙铁接触焊点的方法如图1.31所示。
图1.30 移开电烙铁
图1.31 电烙铁接触焊点的方法
1.4.8 手工焊接分类
本书所述焊接是指电子制作中常用的金属导体与焊锡之间的熔合。焊锡选用熔点约为183℃的铅锡合金。
手工焊接方法因焊接点的连接方式而定，见表1.2。通常焊接点有四种连接方式，相应有四种手工焊接方法：绕接—绕焊，勾接—勾焊，搭接—搭焊，插接—插焊。
表1.2 手工焊接方法
绕焊是将待焊元器件的引出线或导线等线头绕在被焊件接点的金属上，一般绕1～3圈后再焊接，以增加焊接点的强度。绕焊焊接点强度高，拆焊较困难，一般应用于可靠性要求较高的产品中。
勾焊基本上与绕焊相同，仅是勾与绕的工艺有所不同。勾接是将被连接的导线或元器件引出线勾在接点的眼孔中，转线0.5～1圈，使引出线不易脱落。勾焊焊接点强度较高，机械强度不如绕焊，但便于拆焊，因而勾焊适用于不便绕接，但有一定机械强度要求的产品中。
搭焊是将导线或元器件引出线搭接在焊接点上后焊接。搭接与焊接同时进行。搭焊焊接点强度较差，焊接简便，节省焊接工时，拆焊最方便，因而搭焊适用于调试中的临时焊接，可用于对焊接要求不高的产品，是为节省焊接工时而采用的焊接方法。
插焊是将导线或元器件引出线插入洞孔形的接点中后焊接。插焊按引线弯脚可分为直脚焊和弯脚焊。插焊焊接方便，速度快，焊料省，便于拆焊，机械强度尚可。插焊常采用三步焊接法，焊接后，剪去多余的引出线头，如图1.32所示。
图1.32 插焊焊接过程
伴随着无引脚或引脚极短的片状元器件（也称SMD元器件）的出现，形成了表面安装技术，也称SMT技术。它打破了在印制电路板上“通孔”安装元器件后再焊接的传统工艺，直接将SMD元器件平卧在印制电路板表面进行焊接。
1.4.9 手工拆焊
拆焊又称解焊，是指把元器件从已经焊接的安装位置上拆卸下来。当焊接出现错误、损坏或维修电子产品时，就要进行拆焊。拆焊是一个非常麻烦的事情。拆焊过程中的过度加热和弯折极易造成元件损坏，焊盘脱落。
拆焊一般遵循如下工艺步骤：
①去除电路板上的任何表面涂覆物；
②将电烙铁头粘锡，有利于热传导，增加电烙铁头与焊点之间的表面张力；
③涂覆助焊剂，去除焊点表面的氧化层，液态助焊剂可提高热传导；
④拆除芯片；
⑤清洁焊盘和电路板上残留的焊锡膏和助焊剂。
拆卸主要使用的工具有电烙铁、吸锡枪、镊子、铜编织线、医用空心针管、专用拆焊电烙铁等。专用电烙铁用来拆卸集成电路、中频变压器等多引脚元器件。图1.33为焊接风枪二合一拆焊台。
图1.33 焊接风枪二合一拆焊台
1.通过热熔接触移除元器件
（1）两脚元器件拆焊
两脚元器件移除方法1——快速手动：
①加热元器件的一边直到焊锡熔化；
②快速加热另一边，在第一边冷却之前熔化焊锡；
③用电烙铁拔除元器件。
两脚元器件移除方法2——去锡丝：
①在元器件两边用铜编织线去除焊锡；
②用镊子扭动元器件，破坏下面的连接。
两脚元器件移除方法3——热镊子：
用热镊子同时加热元器件的两个引脚，直到移除元器件。
两脚元器件移除方法4——轮流加热法：
用镊子夹住元器件中间部位，用电烙铁头对几个元器件电极轮流加热，同时稍用力转动镊子，一旦能转动，即可取下元器件，如图1.34所示。
图1.34 轮流加热（分点拆焊）法
（2）IC拆焊
移除IC最简便的方法1——细线：
①剥下一段细细的28～30AWG线（线—套）；
②用铜编织线尽可能多地去除IC引脚上的焊锡；
③将细线送到引脚下，定位到附近的过孔或焊盘；
④沿着每个焊盘加热，慢慢将细线拉出，剩余的焊锡会被熔化，细线将在焊盘上滑动并微弯，避免IC引脚与焊盘接触。
⑤对所有的IC引脚重复该过程后即可移除。
移除IC最简便的方法2——专用工具：
用专用电烙铁头同时对各个引脚加热后，用镊子把IC取下。
（3）微型元器件拆卸
先用铜编织线包住元器件所有电极，如图1.35所示，接着用电烙铁对其中的一个电极加热，等焊锡熔化后，稍用力拖拉铜编织线即可把微型元器件取下。
图1.35 微型元器件拆卸（等电位铜编织线）
2.通过热风移除元器件
热风在移除元器件时是非常好用的，尤其是移除多引脚元器件。
①将热风枪设置较低温度，在元器件周围预热。
②逐步增加温度，移近元器件。
③在元器件下插入镊子等，待焊锡开始熔化时，可以看见元器件在移动。
④慢慢绕着元器件移动，直到看见焊锡熔化后，增加速度，有助于保证焊锡全部熔化。
⑤利用镊子等工具移除元器件。
3.拆焊的原则
拆焊的步骤一般是与焊接的步骤相反的，拆焊前，一定要弄清楚焊接点的特点，不要轻易动手。拆焊的原则如下：
①不损坏拆除的元器件、导线、原焊接部位的结构；
②不损坏印制电路板上的焊盘与印制导线；
③对已判断为损坏的元器件，可先将引线剪断，再拆除，可减少其他损伤的可能性。
④在拆焊过程中，应尽量避免拆动其他元器件或变动其他元器件的位置，如确实需要，要做好复原工作。
4.拆焊的操作要点
①严格控制加热的温度和时间：因拆焊的加热时间和温度较焊接时要长、要高，所以要严格控制温度和加热时间，以免将元器件烫坏或使焊盘翘起、断裂，宜采用间隔加热法。
②拆焊时不要用力过猛：在高温状态下，元器件封装的强度都会下降，尤其是塑封元器件、陶瓷元器件、玻璃端子等，过分的用力拉、摇、扭都会损坏元器件和焊盘。
③吸去焊点上的焊料：拆焊前，用吸锡工具吸去焊料，有时可以直接将元器件拔下，即使还有少量焊锡连接，也可以缩短拆焊的时间，减少元器件和印制电路板损坏的可能性。
在没有吸锡工具的情况下，可以将印制电路板或能移动的部件倒过来，用电烙铁加热焊点，利用重力原理，让焊锡自动流向电烙铁头，也能达到部分去锡的目的。
④拆焊时，不允许用手去拿这些元器件，以避免电极氧化或发生烫伤事故。