手工焊接电路的实用技巧

1.印刷电路板

印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)是重要的电子部件,是电子电路的载体,不仅提供电子元器件的电气互连,而且对电子元器件起到机械固定的作用。

将高分子复合材料合成树脂和增强材料组成的绝缘层板作为基板,用粘合、过热挤压的工艺,将导电率较高、焊接性能良好的纯铜材料牢固覆于基板表面,就形成了覆铜板。

根据具体需要,利用腐蚀、雕刻等工艺将覆铜板上多余的铜箔去除,余下的部分形成电路连接,就初步得到印刷电路板,又称印制电路板。

实际使用的印刷电路还要经过一系列的工艺过程,如通过钻孔、沉铜、电镀、加厚等过程进行金属化过孔,这在双面和多层印刷电路板中至关重要。通过丝印层加工在电路板上绘出元器件封装的外轮廓并印上元器件名称、参数等,提高电路板的可读性。通过涂覆绝缘树脂形成阻焊层,以保护电路避免氧化和焊接短路;通过机械切割将电路板加工成客户所需的外形尺寸。

如果印刷电路板只有一面有敷铜,被称单面板。单面板的印制导线和焊盘都集中在敷铜面,焊接点也在敷铜面;组成电路的元器件则集中在板的另一面,两面分称焊接面和元件面,如图3.1.4所示,图中左侧为元件面,右侧为焊接面。

两面敷铜的印刷电路板称为双面板,如图3.1.5所示。双面板的两面都布有导线并且可以利用贯穿电路板的导孔(过孔)连接,解决了导线相互交错问题,布线面积也比单面板扩大了一倍,所以大大减少了电路板设计时的限制,可以实现比较复杂的电路。双面板两面都可以焊接,但为了方便,双面板也经常将大部分元件集中在其中一面。

图3.1.4　单面板的两面

图3.1.5　双面板的两面

如果多个双面板叠加,彼此之间用绝缘层绝缘并粘合,就可以形成多层板。随着电子技术的发展和电子产品向复杂化、小型化、微型化发展,多面板的应用越来越多。

在电子产品研制阶段,或电子爱好者制作电路时,由于无法构成批量,基于成本因素不可能制作印刷电路板,这样就需要通用电路板或称万能板。常见的万能板如图3.1.6所示。在万能板上组装电路时,不仅要合理规划元器件的位置,将各元器件焊接到板上,还要用导线焊接各元器件之间的连线。

图3.1.6　常见万能板

2.工具和材料

(1)电烙铁

电烙铁是手工焊接的主要工具。按照加热的方式分,电烙铁有直热式、感应式、气体燃烧式等;按功能分有单用式、两用式、调温式等;各种电烙铁根据功率不同,又有20 W、30 W、35 W、50 W、100 W等不同的规格。

手工焊接常用的电烙铁为直热式。根据加热体的位置的不同,直热式电烙铁又分为外热式、内热式和恒温式三大类,如图3.1.7(a)～(c)所示。加热体位于烙铁头外面的称为外热式。位于烙铁头内部的称为内热式。恒温式电烙铁通过内部温度传感器和开关进行恒温控制并可调节恒温温度,实现恒温焊接。电烙铁如果配有专门的调温部件,通常被称为焊台,如图3.1.7(d)所示。焊接阻容元件、晶体管、集成电路、印制电路板的焊盘或导线时,采用30～45W的外热式或20W的内热式电烙铁即可,电烙铁接通电源后,由镍铬电阻丝绕制而成的加热体温度升高,烙铁头被加热,烙铁头温度达到200～300℃后,可熔化焊锡进行焊接。

图3.1.7　各种电烙铁

(2)吸锡器和其他工具

将焊接在电路板上的电子元器件拆卸下来的过程被称为拆焊或解焊,是焊接的相反过程。在拆焊的过程中,经常要用到吸锡器,如图3.1.8(a)所示。吸锡器的作用是吸除所拆焊点的焊锡。

另外,还可能用到其他辅助工具,如烙铁架、尖嘴钳、剪刀、斜嘴钳、剥线钳、镊子、切刀等。烙铁架在焊接过程中放置电烙铁;剥线钳〔如图3.1.8(b)所示〕、尖嘴钳〔如图3.1.8(c)所示〕、剪刀、镊子用于准备导线,整理待焊元器件的管脚等;斜嘴钳〔如图3.1.8(d)所示〕用于切剪焊接后元件管脚多余部分;切刀则主要用于刮除待焊接导线和元器件引脚的氧化层,使之易于焊接。

图3.1.8　吸锡器和其他几种常用工具

(3)焊料与助焊剂

焊料是熔点低于被焊金属的易熔金属,焊接时焊料被加热熔化,在被焊金属表面形成合金液而与被焊金属连接在一起。焊料按成分的不同,有锡铅焊料、铜焊料、银焊料等。一般在电子产品装配焊接中,经常使用的是铅锡焊料,通常做成丝状,俗称焊锡丝,如图3.1.9(a)所示。

助焊剂是指焊接时添加在焊点上,起到清除被焊材料表面氧化物和污渍,防止被焊材料再氧化,保证焊接质量的添加剂。助焊剂有树脂、有机和无机三类,从植物的分泌物中提取的松香就是树脂类的助焊剂,如图3.1.9(b)所示。

图3.1.9　焊锡丝和松香

3.焊接前的准备工作

(1)检查印刷电路板

检查印刷电路板的图形、位孔以及孔径是否与图纸符合,有无断线、缺孔的现象。板的表面有无污染或变质,表面处理是否合格。在检查电路板的过程中,应避免手指接触电路板上裸露的焊盘而造成污染。如果焊盘被污染或存在氧化现象,应使用有机溶剂或者砂纸打磨的方式清洁焊盘,以防止焊接时不易被焊料浸润而引起虚焊。

(2)元器件的准备

焊接前应对照原材料清单对元器件进行仔细清点和检查,以保障焊接安装的顺利有序。清点过程中观察元器件外观,如有明显缺陷应予以更换或进一步测量确定其性能正常。阻容元件应确保参数正确;二极管和晶体管、集成电路要通过测量保障性能完好。

焊接前还应用切刀或砂纸将元器件引线的氧化层刮除或打磨掉,并进行预镀锡,然后参考电路板上留出的元件引脚间距,用镊子或尖嘴钳将元器件引脚加工成便于安装的形状。加工时注意应从距引脚根部2 mm左右处开始圆滑的弧状弯曲,避免折成为直角。直角弯折容易导致引线断裂或内部产生裂纹,影响其导电性能。

处理好的元器件还应该按照焊接顺序依次摆放,以避免出错并提高工作效率。元器件焊装顺序应遵循如下原则:按照元器件在电路板上的高度,先低后高;按照元器件的重量,先轻后重;按照元器件耐热程度,先耐热后不耐热。(www.xing528.com)

(3)电烙铁使用注意事项

新的电烙铁在使用前一般都需要进行处理。如果烙铁头的形状不符合使用者的要求,需要先把烙铁头锉成适当的形状,然后再接通电源。通电后烙铁头温度升高至能熔化焊锡时,将松香涂在烙铁头上,等松香冒烟后再涂上一层焊锡,如此进行二至三次,使烙铁头布满焊锡以防氧化。如果缺少此步骤或动作比较慢,烙铁头将产生一层氧化层,这样融化的焊锡就无法附着在烙铁头上,俗称“不吃锡”。如果烙铁头“不吃锡”,则焊接操作将无法进行。在这种情况下应该断掉电源,待烙铁彻底冷却后,拆下烙铁头再用锉将其氧化层锉去,重新镀上焊锡。

为安全起见,电烙铁不用时应及时断电。另外,长时间通电而不使用容易使电烙铁芯加速氧化而烧断,同时烙铁头也会因长时间加热而氧化,不容易“吃锡”。

4.手工焊接电路的要点

(1)电烙铁的拿法

焊接时电烙铁要拿稳对准,以免烫伤、损坏被焊件。电烙铁有三种拿法:正握法、反握法和握笔法,如图3.1.10所示。

其中握笔法类似于写字时手拿笔的姿势,比较方便灵活,便于初学者掌握。但握笔法长时间操作容易疲劳,烙铁也较容易出现抖动现象,适用于小功率电烙铁焊接小规模印制电路板,或电子产品的维修;而反握法焊接时动作稳定,长时间操作不宜疲劳,适用于大功率烙铁焊接热容量大的被焊件;正握法则适用于带弯头的中等功率的电烙铁。

图3.1.10　电烙铁的拿法

(2)焊锡丝的拿法

焊接时一手拿电烙铁,一手拿焊锡丝。焊锡丝的拿法有两种:连续焊接时拿法和断续焊接时拿法,如图3.1.11所示。连续焊接时用拇指和食指拿住焊锡丝,顶端留出3～5 cm的长度,焊接过程中可以借助其他手指连续向前送料。

焊锡丝可能含有一定比例的铅,因此操作时可戴手套或注意操作后洗手。

图3.1.11　焊锡丝的拿法

(3)手工焊接的五步操作法

手工焊接的操作可以划分为五个步骤,简称五步操作法。如图3.1.12所示,图中从左往右,分别为步骤1～步骤5。

图3.1.12　手工焊五步操作法图示

步骤1:准备施焊

左手拿焊锡丝,右手持电烙铁,电烙铁已经通电预热,可以随时施焊。烙铁头洁净无焊渣等氧化物,表面镀有一层焊锡。待焊接元件已处理好并安置于待焊接位置。

步骤2:加热焊件

将烙铁头放在被焊接的两焊件连接处,使两个焊件都与烙铁头相接触,同时加热两个焊件焊接面至一定温度,时间为1～2 s。

注意:此步骤中不要用烙铁头对焊件过度施加压力,过度施压并不能加快传热,却加速了烙铁头的损耗,更严重的是对被焊接的元器件造成不易察觉的损伤,埋下隐患。

步骤3:送入焊锡丝

焊件的焊接面被加热到一定温度时,焊锡丝应从烙铁对面接触焊件,焊件的高温使焊锡丝融化并浸润焊接面。

注意:不要把焊锡丝送到烙铁头上!

步骤4:移开焊锡丝

当焊锡丝熔化一定的量,使焊接面布满液态焊锡后,立即向左上45°方向移开焊锡丝。

图3.1.13　单面板和双面板的焊点

注意:焊锡熔化的量要适中,过量焊锡不但造成浪费,还增加了焊接时间,降低了工作速度,并容易造成焊点与焊点之间的短路。而焊锡过少则焊件之间不能形成牢固结合,影响焊点的质量。在印刷电路板上焊接时,原则上熔化的焊锡应刚好布满焊盘,而双面板则焊锡还要充满孔的缝隙,所以同样大小的焊盘,双面板比单面板需要更多的焊锡,而双面板的焊点比单面板的焊点电气连接更可靠,机械连接强度更高,质量更好。二者的区别如图3.1.13所示,图中灰色部分为焊锡形成的合金层。

步骤5:移开烙铁

焊锡丝移开后,融化的焊锡应同时也浸润焊件的施焊部位。此时应迅速将烙铁头贴刮着被焊接的焊件(元件引脚或导线)移离焊点,这样可以使焊点保持适当量的焊料。从第三步开始到第五步结束,时间1～2 s。如果时间太长容易使焊件和焊盘因温度过高而损坏。

注意:烙铁移开后至焊锡凝固之前,应保持焊件静止,如果焊接时用镊子或钳子等工具帮助固定焊件,一定等焊锡凝固后才松开固定工具,因为焊锡的凝固过程是结晶的过程,在金属结晶期间受到外力(焊件移动或抖动)会改变结晶的条件,形成大粒结晶,造成所谓的“冷焊”,使焊点内部结构疏松,机械强度降低,导电性变差。

5.焊接后的检查和处理

元器件焊接完毕后,要仔细检查确认各个元件焊接正确,如发现有误应及时拆焊。确认无误后,可以用斜嘴钳剪断多余的引线。注意剪线时握住斜嘴钳用力剪下即可,不可有拉、拽的动作,以免对焊点产生破坏作用。

检查所有的焊点,修补焊点缺陷。电路板焊接过程中可能粘有细小的锡珠,也可能有焊锡熔化后拉出的锡丝,这些都要彻底清除,否则将会引起电路的短路。