电路板焊接材料及焊接工艺探析_陈露.pdf

电路板焊接材料及焊接工艺探析陈露，苗杰，丁鹏，石平太（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300456）摘要：近年来，随着石油工业的不断发展，带精密电子元器件的设备在石油钻井行业愈发普及，电子集成电路板作为部分高精尖地面设备的核心部件，保证其焊接质量有重要的意义。鉴于此，通过对电子电路焊接原理进行阐述，具体介绍常用的焊料、焊剂、清洗剂，以及电子电路焊接常用工艺和常用焊接设备，为未来石油钻井行业带精密电子元器件的设备的设计、生产装配、生产工艺设计提供借鉴。关键词：电路板；焊接工艺；焊接材料中图分类号：TG44；TG42文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0086-021背景技术近年来，随着石油工业的不断发展，带精密电子元器件的设备在石油钻井行业愈发普及，不仅应用于泵工况、精密电子压力计等相关井下工作筒，部分高精尖地面设备，比如变频器、中控系统的等核心部件也为电子集成电路板。目前电子电路板器件安装的通用方法为在电子电路板表面贴装电子元件，和传统工艺相比，它可以使电路板布局更加紧凑，降低电子电路板安装不同电子器件所需的表面积，提高生产效率，便于实现大规模批量生产，电气元件排布和布线更紧密1。2电子电路板焊接原理及焊料、焊剂、清洗剂介绍目前电子电路板安装方式一般采用锡焊方式来进行，锡焊技术一般采用锡合金这种金属作为焊接时所需的焊接物料，充分利用金属在到达熔点后会熔化的特性，通过将待焊接的金属部件与锡合金中的锡原子熔融后扩散并相互结合，在点焊的位置形成存在浸润的金属结合层2。从外部看，电子电路板熔融后的锡箔和各个器件焊接后的引线表面都比较光滑，而实际上，浸润的金属结合层表面存在有肉眼难以观察的凹凸间隙，熔融后的锡焊材料利用流体力学中的虹吸原理，沿着各个空隙扩散，最终将各个器件的引线与电子电路板上的焊点黏合牢固，保证了良好的导电性。焊接的关键要素有焊料、焊剂和清洗剂。焊接采用的锡焊材料通常有 Sn60 焊料、Sn63 焊料、HL-SnPb39 型锡铅焊料三种。三种焊接材料的合金配比各不相同，Sn60 焊料代表其 w（Sn）为60%，Sn63 焊料代表其 w（Sn）为 63%，其中 Sn63 焊料是通过试验证明效果最好的含锡金属配比焊料，当 w（Sn）超过 63%之后，其附着性及熔融后的凝固性会变差。HL-SnPb39 型锡铅焊料和常规的 Sn60 焊料及 Sn63焊料相比，其导热性及焊接后的气密性更好，耐热性也更为优良。常见焊接工艺如图 1 所示。焊剂的种类主要有松香焊接剂和水溶性焊接剂两种，其中，松香焊接剂主要对锡合金、铅合金焊接效果较好，不含松香的焊接剂对铜和银的焊接效果较好。当金属部件暴露于空气之中时，未存在保护的金属表面可能会出现氧化层，金属表面发生氧化之后，在电路板组装焊接时，氧化物会影响焊点的可靠性，助焊剂的作用则是去除金属表面的氧化物和其余杂质，对金属表面进行化学清洁，同时助焊剂还可以便于保持焊料表面的湿润性，便于确认熔融后的焊锡材料在待焊接连接的金属表面上的包覆程度。松香焊接剂是最常用的焊接剂之一，除了将从松树中提取的松香作为焊接剂的主要材料，在松香焊接剂中，还存在有不同种类的酸作为焊接剂的活性剂成分。根据酸的 pH 值和活性大小，进一步将松香型焊接剂区分为 3 个类别：1）R 型松香焊接剂：其特性比较温和，活化剂的含量比较少，只能对待焊接金属的表面进行简单的氧化处理，由于其活性较低，在处理后，一般不会留下过多的残留物；2）RMA 型松香焊接剂：该活化剂的活性较高，在焊接过程中，能够对电子电路板的焊盘和孔、组件的引脚进行处理，这种焊接方式虽然也会留下一些残留物，但是残留物对设备的影响较小，处理简单；3）RA 型活化型松香焊接剂：和 R 型松香焊接收稿日期：2022-12-22第一作者简介：陈露（1989），男，陕西平利县人，毕业于北京化工大学测控技术与仪器专业，电气工程师，主要从事海洋油田人工举升电气自动化设计应用工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.033图 1常见焊接工艺图示行业纵横2023 年第 5 期剂、RMA 型松香焊接剂相比，其活性较高，在焊接完成后，需要采取一定的措施对残留物进行处理，一般可以采用去离子水（DI）对残留物进行处理。焊接的清洗剂选用原则一般为要求对电子电路板没有腐蚀，同时污染较小，可以采用工业酒精、异丙醇（IPA）、去离子水（DI）、三氯三氟乙烷等作为清洗剂，主要目的是去除电子电路板表面残留的焊接剂。3焊接工具和设备常用的焊接设备一般为电烙铁和波峰焊机、再流焊机等，根据实际需求选用合适合规的电烙铁，能够切实提高焊接质量和焊接效率，在电子电路焊接中，一般采用能够实现低压控温的电烙铁，电烙铁的烙铁头材质可以选用镀镍、镀铁等材料，同时也可以采用紫铜材料。波峰焊工艺原理（见图 2、图 3）：将锡焊材料加热，采用特殊的装备和特殊工艺，通过泵让熔融的焊料直接接触待焊接的位置，对电路板进行波峰焊时，首先将焊料熔融为熔化的焊料，通过电动泵或者电磁泵对熔化的焊料进行定点定向喷流，形成数个波峰，使焊接电路板通过这些波峰，实现电气电子元件在电路板上的焊接。焊接材料的波峰除了可以采用电动泵或电磁泵实现以外，也可以采用向焊接池中注入氮气来产生。其具体工艺流程：将电子元器件插入到电子电路板对应的孔内，在电路板靠近熔融池的一侧涂覆上助焊剂，在对电子元器件和电路板进行预热之后，启动熔融池内的电动泵、电磁泵或氮气气源，创造出焊接波峰，让电子电路板通过这些焊接波峰并充分接触，冷却后切除多余引脚即可。其需要注意的是，波峰焊对电子元器件的耐温等级有一定要求，熔融态的铅锡金属温度可达到 220240。再流焊机和再流焊工艺一般应用在电脑和机箱板卡的焊接中，在再流焊剂内部存在一个加热电路，通过内部加热电路对空气或氮气进行加热，将空气或氮气加热到一定温度后，把气体吹到电子电路板上，电子电路板此时已经贴好元器件，且在元器件安装位置及元器件引脚的待焊接位置周围，已经提前涂覆了焊料，焊料在高温气体的作用下，熔融后与电路板连接，将元器件和引脚紧紧地固定在底板上，实现元器件与电路板的黏结。和手工焊接、波峰焊接相比，其温度较低，焊接流程较为容易控制。再流焊工艺如图 4 所示。随着电子电路产业发展，针对片状元件，传统的焊接方法已不再适用。最初，只在混合集成电路板组装中采用了回流焊工艺，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感、贴装型晶体管及二极管等。随着 SMT整个技术发展日趋完善，多种贴片元件（SMC）和贴装器件（SMD）相继出现，作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展。4结语目前电子电路板安装方式一般采用锡焊方式来进行，锡焊技术一般采用锡合金这种金属作为焊接时所需的焊接物料，充分利用金属在到达熔点后会熔化的特性，通过将待焊接的金属部件与锡合金中的锡原子进行熔融后扩散并相互结合，在点焊的位置形成存在浸润的金属结合层。常用的焊接设备一般为电烙铁和波峰焊机、再流焊机等，波峰焊工艺原理是通过将锡焊材料加热，采用特殊的装备和特殊工艺，通过泵让熔融的焊料直接接触待焊接的位置，在电路板进行波峰焊时，首先将焊料熔融为熔化的焊料，通过电动泵或者电磁泵使熔化的焊料定点定向的喷流，形成数个波峰，通过将焊接电路板通过这些波峰，实现电气电子元件在电路板上的焊接。再流焊机和再流焊工艺一般应用在电脑和机箱板卡的焊接中，再流焊剂内部存在一个加热电路，通过内部加热电路对空气或氮气进行加热，当空气或氮气加热到一定温度后，将气体吹到电子电路板上，实现电气元件的焊接，随着 SMT 整个技术发展日趋完善，多种贴片元件（SMC）和贴装器件（SMD）相继出现，作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展，并在石油钻井领域的各种井下工作筒核心电子元器件的制造中得到了广泛应用。图 3波峰焊原理图示 2图 2波峰焊原理图示 1图 4再流焊工艺电路板电热炉丝离心泵熔融焊料防氧化油层传送方向焊料波峰受焊的电路板焊好的焊点电磁焊料泵焊料缸熔融的焊料PSMC&SMD冷却区再流区预热区加热板 风扇传送带传送方向PCB铅锡焊膏陈露，苗杰，丁鹏，等：电路板焊接材料及焊接工艺探析（下转第 93 页）872023 年第 5 期4邱云龙.循环流化床烟气脱硫技术D.沈阳：东北大学，2011.5吴迪，孙冰冰，吕建明，等.唐山中厚板材有限公司 2210 m2烧结机配套烟气净化装置的工艺选择与应用J.冶金管理，2019（3）：104-105.6李鹏，胡进.烧结烟气循环流化床-半干法脱硫工艺优化J.河北冶金，2017（7）：72-75.7卢熙宁.半干法脱硫后的烧结烟气低温 SCR 脱硝催化剂的研发D.北京：北京科技大学，2015.8邱云龙.循环流化床烟气脱硫技术D.沈阳：东北大学，2011.9赵利明，陈海波.SCR 烟气脱硝技术在宝钢股份 4#烧结机的应用J.烧结球团，2018，43（6）：24-28；37.10李顺心，吴礼云，刘恩辉，等.SCR 脱硝技术应用于烧结烟气对环境保护税影响分析J.冶金动力，2021（1）：91-94.11雷淑琳，邢金栋，李振东.烧结烟气脱硫脱硝技术分析J.河北冶金，2019（S1）：52-54.（编辑：武倩倩）Research Progress of CFB Desulfurization+Medium Temperature SCR Denitration Processfor Sintering Flue GasXie Chunshuai1,Yan Zhanhai1,Wang Tao1,Dai Bing2（1.Iron-making Plant,HBIS Group Hansteel Company,Handan Hebei 056015；2.HBIS Group HansteelDesign Institute,Handan Hebei 056015）Abstract:The iron and steel industry is an important basic industry in China,and it is also a major high pollution industry.Among them,the sintering process,an important link in the steel production process,is accompanied by the production of a large number of air pollutants,sulfur dioxide(SO2)and nitrogen oxides(NOx).With the implementation of ultra-low emission standards in the iron and steel industry,thesintering process urgently needs a process technology with mature technology,stable operation and high environmental benefits for flue gastreatment.This paper mainly summarizes the combination of sintering flue gas treatment process of circulating fluidized bed semi drydesulfurization+bag dust removal+SCR denitration.The research shows that the desulfurization and denitration process combination canmeet the produc