PCB手工焊接温度问题探讨

222Electronics Process Technology

电子工艺技术

2011年7月第32卷第4期

PCB手工焊接温度问题探讨

成钢

（兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000）

摘　要：电子元器件装联过程中焊接温度对产品的可靠性有着很大的影响。焊接温度不但影响着元器件的寿命和可靠性，更重要的是决定了焊点的形成和内在质量。高可靠焊接对焊点的焊接温度有着严格的要求，但是受到各种因素的影响，在手工焊接中温度控制比较困难。从焊接理论出发，在对焊点温度的实测试验基础上，对该问题进行了分析，给出了焊接时的指导建议。

关键词：电路板；元器件；焊接；温度

中图分类号：??TN605　文献标识码：A　文章编号：1001-3474（2011）04-0222-05

Discuss on PCBA Manual Soldering Temperature

CHENG Gang

(Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China)

Abstract: Soldering Temperature has prodigious influence to product reliability in the process of circuit component assembly. Soldering temperature affects not only the component life, but also determines the solder joint forming and internal quality. High reliability solder joint needs high strict temperature, but the temperature control more difficult because of the all kinds of factors. Analyze reasons of the problem from the theory of soldering and the testing foundation of soldering temperature monitor. Then, give out the guidance of soldering.

Key words: PCB; Component; Soldering; Temperature

Document Code: A Article ID:1001-3474(2011) 04-0222-05

清洗等[1,2]。其中焊接温度的控制是航天电子产品生产中必须要进行控制的要素之一。

焊接时的温度直接影响着焊接时助焊剂的活化程度、焊料的熔化和凝固结晶等，焊接热对元器件的性能也会造成一定程度的热影响。

元器件焊装是电子产品生产的最重要过程之一。元器件在印制电路板上的安装一般采用“软钎焊”工艺。即在焊接的过程中需要熔入第三种物质，用加热的方式使两件金属物体结合起来，所加熔的第三种物质称为“焊料”，焊料熔化温度低于450??℃的称为“软钎焊”。焊装过程的质量控制直接影响到产品的可靠性。特别是对于航天电子产品，对手工焊接提出了更高的要求。焊接过程不但要求将元器件固定在电路板上，而且要求焊点必须牢固和光滑，通孔插装元器件的焊接要求??“单面焊接，双面成型”。

手工焊接技术是每一个电装操作人员必须掌握的一项基本功。焊接过程的要求包含许多方面：焊料、助焊剂的选用、电烙铁等工具的配备和使用、焊接过程中的步骤方法、焊接温度的控制和焊点的

1 焊接过程分析

电子产品生产中，元器件在印制板上的焊装通常采用软钎焊，采用低温锡焊来进行焊接。GJB3243-98《电子元器件表面安装要求》和QJ3086-99《表面和混合安装印制电路板组装件的高可靠性焊接》等标准对高可靠性的电装焊接材料有着明确的规定，一般局限于Sn63Pb37、Sn60Pb40和Sn62Pb36Ag2等几种含铅的共晶焊料，以缩短焊料从液态转变为固态的时间，改善焊料的金相组织，减

作者简介：成钢（1967- ），男，毕业于西北工业大学，高工，副总工艺师，主要从事航天电子产品电装工艺研究。

少晶须的发生。

成钢: PCB手工焊接温度问题探讨

适的焊接工艺参数。

在焊接过程中，将熔化的焊锡附著于很洁净的金属表面，此时焊锡成分中的锡和金属变成金属化合物，相互连接在一起。锡与其他金属较铅富有亲附性，在较低温容易构成金属化合物。总之，焊接利用熔化的焊锡做为介质加热而使Ａ、Ｂ二金属物接合，进而由熔化的焊锡与金属的表面产生合金层。

优质的焊点是产品可靠性的保证。焊点的形成过程主要包括了三个要素：

（1）净化被焊金属表面。使焊料和被焊金属的原子必须接近到足以使它们相互充分吸引的距离。而阻止原子相互吸引和接近的是金属表面的氧化物和污垢等，因此，无氧化物和无污垢的洁净表面对焊接来说是绝对必要的。

（2）将被焊金属加热到焊料熔化温度。金属被加热后降低了分子间的内聚力，在焊锡分子和线路板金属铜表面之间产生的附着力作用下，焊锡液克服了分子内聚力的作用，使焊锡液沿铜表面发生漫流，达到完全润湿。手工焊接时，当热量从烙铁头向被焊金属传导时，如果接触面积、接触压力和接触角等因素稍有变化，则两种金属面就会呈现出不同的温度状态，有一方温度不够焊料的熔化温度，那么温度条件就没有被满足，则不能达到完全润湿。

（3）金属扩散生成金属间化合物的合金。原子运动加剧使之产生扩散现象而且温度越高扩散深度也越大，也就是说金属原子的扩散量也在随着时间的延长而增大，当金属被加热到一定的温度后，这个温度一般应比焊料熔化温度高出40??℃以上。在焊料与被焊接金属充分接触的条件下，温度升高时，在晶格点阵中呈热振动状态的金属原子，会从一个晶格点阵自动地转移扩散到其他晶格点阵，正是由于这种扩散作用，形成了焊料和焊件之间的牢固结合。当焊锡原子和金属铜原子间在接触面上发生扩散，在一定的时间内会生成一定量的合金结合层。原子间的扩散形成合金后，组成了稳定的可靠焊接层。待冷却后形成了一个金属整体，锡焊过程即完成。形成结合层是锡焊的关键，如果没有形成结合层，仅仅是焊料堆积在母材上，则成为虚焊。这是焊接中必须避免的问题。

不管是烙铁手工操作或机器回流焊接，三个要素是不可缺少的重要条件。焊接需要对热量进行控制。焊接所需的热量是焊接温度和焊接时间乘积的函数。如果焊接温度和焊接时间控制不当，都有可能引起焊接缺陷。因此，要克服焊接缺陷，在保证元器件引线和印制板焊盘可焊性的同时，关键就是要确定合适的焊接温度和焊接时间，也就是确定合

在焊接过程中使用过低的温度将影响焊锡的流动性。若温度过高又会伤害线路板的铜箔与基材的连接强度，或者造成焊点表面不平整和无光泽等外观缺陷，为防止内部过热损坏，大部分的元器件也不允许长期加热。以上两种情况会造成冷焊或包焊情况的发生。因此在焊接中选择合适的焊接温度是非常必要的。

而焊接温度又取决于烙铁头的温度（功率）和在电路板焊接焊件上停留的时间，两者呈正比关系。焊接处的热量是通过热源，即电烙铁的热量传递而来的[3]。同样的烙铁，加热不同热容量的焊件时，想达到同样的焊接温度，可以通过控制加热时间来实现。但在实践中又不能仅仅依此关系决定加热时间。例如，用小功率烙铁加热较大的焊件时，无论烙铁停留的时间多长，焊件的温度也升不上去，原因是烙铁的供热容量小于焊件和烙铁在空气中散失的热量。

热传导强弱与施加压力大小成正比，为了实现较好的热传递，需要将烙铁头与被焊件接触时略施压力，但不能对被焊件表面造成损伤为原则。同时在实际焊接时，利用助焊剂形成热桥，可以很大程度提高热传导效率，同时满足了对焊接表面的清洁和焊点表面的防氧化保护需要。

2 焊接参数要求

关于焊接时的温度和时间问题，在许多工艺标准规范里面给出了焊接温度和焊接时间，或者给出了电烙铁的功率大小。QJ3173-2003《航天电子电气产品再流焊接技术要求》再流焊时间为6??s～10??s；再流焊温度可为210??℃～230??℃，最高不超过235??℃[4]。QJ3117-99《航天电子电气产品手工焊接工艺技术要求》规定[5]：“印制电路板组装件的焊接一般采用30??W～50??W的电烙铁。微型器件及片状元器件的焊接建议采用10??W～20??W的电烙铁；大型接线端子和接地线的焊接建议采用50??W～70??W电烙铁。对于电子元器件的焊接建议烙铁头的温度为280??℃，但任何情况下不得超过320??℃。”??QJ3011-98《航天电子电气产品焊接通用技术要求》规定：“手工焊接温度一般应设定在260??℃～300??℃范围内，焊接时间一般不大于3??s，对热敏元器件和片状元器件不超过2??s，若在规定的时间未完成焊接，应待焊点冷却后再复焊。”

对于采用回流焊或者波峰焊工艺的焊接过程，焊接温度靠设备来进行保证，焊接温度控制相对容易，焊接时间也可以设定。而对于手工使用电烙铁进行焊接时，由于电烙铁本身的热容问题，加之

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05

15

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电子工艺技术

印制板上焊盘的大小与结构、焊料的用量、环境温度和元器件引线直径等多种因素的影响，必然会造成焊接时焊点部位的实际温度与理想温度之间的差异。在实际生产中，使用了温控烙铁和智能烙铁，烙铁头的温度可以进行调节和控制，但是烙铁头的温度和焊接温度之间的差异是无法彻底解决的。

温度θ/℃

3 焊接温度试验验证

为了取得实际手工焊接时的焊接温度数据，设计了不同焊接条件下的焊接温度试验，利用温度记录仪对温度进行检测。通过对不同型号烙铁的空载温度和实际焊接温度进行实际测量，反映出了电路板结构、焊盘大小和电烙铁规格等因素对焊接温度的影响。

试验采用温度采集器检测的方式，使用SMP-206温度记录仪，端部的K型热电偶直径0.5??mm，直接与焊盘接触测量焊盘及焊料的温度变化；烙铁空载时的测温采用HKKO-191烙铁测温仪；烙铁采用了SP-200型智能烙铁，SP-200的烙铁头规格分别选用了SSC-537A、SSC-638A和SSC-738P型；电路板选用了FR4材质的四层覆铜板和双面覆铜板（厚度为1.6??mm或2.0??mm）。要求在焊接面焊接，焊点在焊接面和元件面都呈锥形焊点形态。焊接情况记录详见表1～表3。焊接过程对应的温度变化曲线记录如图1～图7。

表1 SSC-537A电烙铁头焊接情况记录表

温度θ/℃

[6]

时间t/s

图1 4层电路板焊接温度曲线

3002752502252001751501251007550250

05

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时间t/s

图2 双层电路板焊接温度曲线

印制板厚度

δ/mm焊接元件焊盘参数D/mm焊接时间t/s焊接结果实测最高温度θ/℃温度变化

2.0，??4层板2.0，??4层板RJ24电阻2.03焊透215如图1所示

1??W电阻2.0，??接地焊盘

3未焊透200

1.6，??双层板RJ24电阻2.23焊透220

1.6，??双层板RJ24电阻2.2，??接地焊盘

3未焊透180

从实测情况可以看出，使用SSC537A烙铁头时，室温下测得的空载温度为265??℃；在焊接3??s后，焊接部位的温度变化已经趋于平衡，在双面板上焊接RJ24电阻（引线直径0.8??mm）的最高温度只有220??℃，如图1所示。四层板上的焊点最高温度只有215??℃，如图2所示。焊点大部分焊透，1??W电阻的焊点未焊透。这说明，采用SSC537A烙铁头无法可靠地对双层或多层板进行通孔插装元器件的焊接。

从图3可以看出，当使用SSC638A烙铁头时，室

如图1所示如图2所示如图2所示

表2 SSC-638A电烙铁头3 s焊接情况记录

印制板厚度δ/mm1.6，??双层板

RJ24电阻焊接元件焊盘参数D/mm焊接时间t/s

焊接结果

实测最高温度θ/℃

温度变化

2.2，??接地焊盘

3基本焊透215如图3所示

1.6，??双层板

1??W

2.23焊透220如图3所示

1.6，??双层板

RJ24

2.23焊透274如图3所示

2.0，??4层板2.0，??4层板导线19×0.18??mm导线19×0.26??mm

2.23焊透225如图4所示

4.03基本焊透210如图4所示

2.0，??4层板RJ24电阻

4.03焊透225如图5所示

2.0，??4层板RJ24电阻

4.03未焊透210如图5所示

温下测得的空载温度为324??℃；在双面板上焊接3??s后，接地的大焊盘焊接部位的温度变化已经趋于平衡，吸热与散热基本相等，而小直径的焊盘温度还处在上升阶段，按照规定，焊接过程可以结束。但是焊接部位的最高温度达到270??℃。在4层板上焊接导线时，受到导线直径的影响，温度上升速度和最

高温度明显不足，焊点质量下降。直径较大的焊盘对于焊接温度和焊接质量的影响也比较明显，如图4、图5所示。随着焊接时间的延长，焊接部位的温度继续上升，焊接10??s后，温度开始趋于稳定，最高温度可达到254??℃，如图6所示。此时，焊接温度虽然已超过10??s，但是高温被限制在250??℃左右，此温

成钢: PCB手工焊接温度问题探讨

度满足大部分元器件耐焊接热的性能要求，对元器件的性能不会造成严重影响。

3002752502252001751501251007550

250

10

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50

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80

在使用SSC738P型烙铁头时，室温下测得的空载温度为376??℃；在印制板上焊接时，温度上升明显加快，焊接情况记录见表3。温度变化曲线如图7所示。

表3 SSC-738P电烙铁头焊接情况记录表

印制板厚度

温度θ/℃

δ/mm焊接元件焊盘参数

2.0，??4层板2.0，??4层板2.0，??4层板2.0，??4层板RJ24电阻2.2

RJ24电阻2.2

RJ24电阻2.2

RJ24电阻大面积接地

时间t/s

图3 双层电路板焊接温度曲线

2502252001751251007550250

05152535455565758595105

D/mm

10101010焊接时间t/s

焊透焊透焊透焊透焊接结果

实测

＞300279＞300219最高温度

θ/℃

温度变化如图7所示如图7所示如图7所示如图7所示

????

300275250225200

温度θ/℃

温度θ/℃

150

1751501251007550250

18

38

58

78

98118138158

时间t/s

图4 4层电路板焊接温度曲线

3002752502252001751501251007550250

??

时间t/s

图7 在双面板上的焊接温度曲线

从图7中可以看出，使用温度较高的7系列烙铁头，在4层板的焊接中，温度上升较快，从室温上升到280??℃的时间只需要3??s左右，5??s时的温度即可接近300??℃，在焊接大面积地时，5??s后，焊接位置温度才能从室温到达180??℃，15??s后才能到达220??℃附近，仍呈上升状态。可见对于大面积地的焊接，烙铁的储备功率不足，而对于普通焊盘，7系列烙铁头升温

05152535455565758595105

温度θ/℃

快，温度较高，对时间的控制要严格。

时间t/s

图5 4层电路板焊接温度曲线

275250225200

4 结论

通过试验验证和结果分析可以看出，在手工条件下，在印制板上对元器件进行焊接时，焊接的温度受到印制板结构、焊盘大小、元器件规格和烙铁型号等多方面因素的影响，其中最主要的就是选择烙铁头的型号规格，控制烙铁本身的温度；烙铁头

20 s

温度θ/℃

1751501251007550250

焊接5 s的温度

05152535455565758595105115

10 s

的空载温度与实际的焊接温度差别较大，在使用时应注意其差别。对于通孔插装元器件的焊装以6系列的烙铁头为主，烙铁头温度适当，对焊接时间的控

制可适当宽松一些，以提高焊接质量，而且对元器件本身的影响不大。在标准规范中给出了焊接温度和焊接时间，但是，焊接的温度控制较为困难，需

时间t/s

图6 SSC638烙铁头在4层板焊接的温度变化曲线

　　术，2010，30（6）：327-329

电子工艺技术

要将烙铁温度和焊接时间两个量进行合理调整和配合，才能满足焊接规范要求。参考文献：

[1]　黎海金，章能华，宋嘉宁.??手工焊接对电烙铁温度的要求[J].　　电子工艺技术，2010，31（2）：101-105

[2]　陈曾生.??SMC/SMD的手工焊接工艺技术[J].??电子工艺技术，　　　2009，30（5）：279～286

[3]　郎向华.??热能精确传导无铅手工焊接的关键[J].??电子工艺技　

[4]　中国航天科技集团公司五院第五O四研究所??QJ3173-2003??航　　天电子电气产品再流焊接技术要求[S].??北京:??国防科学技术工　　业委员会，2003年.

[5]　中国航天工业总公司二OO厂??QJ3117-99??航天电子电气产品手　　工焊接工艺技术要求[S].??北京:??国防科学技术工业委员会，　　　1999.

　　收稿日期:2011-06-15

（上接第211页）2.5??清洗工位

（1）无铅产品清洗前，做好此工位的桌面卫生清洁；

（2）使用无铅专用的清洗辅助工具，在无铅专用的清洗剂容器和牙刷上需标示“无铅”字样，有铅产品切换为无铅产品时要用新的无纺布，不得混用无纺布；

（3）无铅制程中使用的溶剂和酒精必须要符合RoHS要求；

（4）??特别注意此工位严禁同时清洗有铅和无铅两种工艺类型的产品。2.6??周转及包装工位

在有铅产品切换为无铅产品时，清洁所用到的周转托盘、周转箱和周转车等周转工具。

要求现场工程师配合进行无铅产品工序检查，在无铅产品生产工序检查表中做相应记录，确认符合方可进行首板生产。

（5）质量部巡检员负责无铅产品整个生产过程的监督，杜绝有铅向无铅的污染。

4 小结

无铅制造势在必行，但目前仍处于一个过渡阶段，无铅材料、印制板、元器件、检测及可靠性等方面标准均不完善甚至缺少,对实施无铅制造带来了很多困难。从符合RoHS指令及无铅产品可靠性方面考虑，EMS企业最好将无铅制程与有铅制程划分区域、分线进行，但由于资金缺少或有铅产品还占有很大市场份额等种种原因，部分中小型EMS企业不得不采用无铅有铅制程共线的方案。在这种复杂的情况下，EMS企业必须从工艺控制细节方面下功夫，不断完善改进制程工艺控制，严格管理，确保无铅产品质量及RoHS符合性，平稳地向无铅制造过渡。参考文献：

[1]　上官东凯.??无铅焊料互联及可靠性[M].??北京：电子工业出版　　　社，2008.??

[2]　孙守红.??无铅器件逆向转化有铅器件工艺[J].??电子工艺技术,??　　　2010，31（5）：271-274.

[3]　付鑫，章能华，宋嘉宁.??有铅和无铅混装工艺的探讨[J].??电子　　工艺技术，2010，31（2）：98-100.

[4]　史建卫.??无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施[J].??电子工艺技　　术，2008，29（2）：116-119.

[5]　顾蔼云.??全程实施电子产品无铅生产[J].??电子测试，2007，　　14（9）：8-14.　　收稿日期:2011-05-26

3 无铅制程关键工艺控制

在无铅产品制造过程中，关键是物料不混用、辅料不用错、炉温有测量和生产准备有检查。工艺控制措施一般为二方或三方确认、再确认及过程有效监督。

（1）无铅产品使用的焊膏、锡丝需由首件检验员、现场工程师确认后，丝印员方可使用。

（2）无铅产品与有铅产品的物料必须隔离放置，且无铅器件不得用有铅器件代用，若有特殊情况，需征得产品工程师及顾客意见。

（3）无铅产品的回流焊温度曲线测试和回流焊炉参数设置由现场工程师负责，并保持记录。生产无铅产品前，必须由现场工程师进行回流焊温度曲线测试，并进行正确的参数设置，打印炉温曲线后，必须经过技术主管审批后方可使用。产品首件检验员需对现场工程师的测试过程进行监督。

（4）质量部首板检验员在首板生产之前需查看产品工艺类型要求，若是无铅产品需确认制造部使用的辅料以及各工位用到的工具是否符合要求，并