一把电烙铁闯天下,工程师有自己的"降龙十八掌"!

科技   2025-01-01 09:06   广东  
PCB板子焊接有问题,比如元器件脱落造成设备不能工作是很多工程师的噩梦,这样的案例很多,每个人碰到的情况都不一样,新手往往不知道如何下手,所以了解焊接知识是非常必要的。
电子电路是通过反复试制和实验而不断得以完善的。在这个过程中,手动焊接是不可或缺的技术。其技术水平很大程度上影响着成品的质量。在某些情况下,还可能需要给客户交付手工制作的电路板,或者可能会修改客户提供的电路板。

焊接需要使用相应的工具进行(图1)。在本文中,将为大家介绍一系列推荐用于焊接和返工的工具,其中包括用来熔化焊料的“电烙铁”、接合材料“焊料”及用来切断元器件引线的斜口钳等工具。
-7种必备工具
-插装型电子元器件的焊接
-贴片式元器件的焊接
-表面贴装型IC的焊接


(图1)焊接和返工用的工具

7种必备工具

其1:电烙铁


电烙铁和烙铁架配套使用会更方便

日用五金店通常会售卖各种类型的电烙铁。正统的电烙铁主要有两种:
1. 镍铬丝加热器型
2. 陶瓷加热器型
陶瓷加热器型比镍铬丝加热器型稍微贵一些。

推荐使用“带温度调节功能的陶瓷型”产品

镍铬丝加热器型无法保持适当的温度。如果预算充足,强烈建议使用带温度调节功能的陶瓷加热器型产品。
如果有温度调节功能,就可以始终在易于焊接的温度下进行焊接作业。即使在需要一边看着图纸一边思考、断断续续地实施焊接作业的时候,也可以毫无压力地重新开始焊接。

相比用刻度盘连续调节温度的功能,保持恒定加热温度的功能更重要。

如果拥有两个电烙铁,元器件也没那么可怕

拆除贴片式元器件时,会希望有两个电烙铁。这样就可以将烙铁头放在贴片式元器件的两个焊盘上来加热。

需要一个可防止覆铜图案热量吸收的40W级镍铬丝加热器型电烙铁

在可吸收电烙铁热量面积较大的覆铜图案上焊接或拆除元器件时,如果有一个热容量较大(约40W)的镍铬丝加热器型电烙铁会方便很多。
请始终保持烙铁头处于清洁状态,这样就可以持续使用一年以上。在使用电烙铁的过程中,发热的部分(尤其是烙铁头)会氧化并变黑。
其2:烙铁架和清洁器

虽然便宜的产品也不是不能用,但如果使用热量容易散失的烙铁架,即使是具有温度调节功能的好电烙铁,也无法保持其温度,难得的高性能会被破坏。
镍铬丝型和陶瓷型都有其专用的烙铁架,也都会配有清洁器。
其3:清洁器

清洁器有两种:
1.用水润湿后使用的黄色海绵
2.不用水的钢丝球
我使用的是有重量的海绵型清洁器,可以防止清洁烙铁头时烙铁架移动。需要用水润湿后使用。
其4:斜口钳

斜口钳是将元器件的引线插入电路板后用来切断引线的必备工具。一百日元店里也可以买到。工具制造商生产的“精密斜口钳”可在日用五金店购买。
一把好的斜口钳会有尖锐锋利的钳嘴,易于切割,即使元器件的引线粘在电路板上,也能很好地切断。钳嘴的刃部非常容易卷刃(崩牙),因此请勿用来切割硬的金属丝(图2)。
(图2)钳刃已经崩牙(缺口)的斜口钳
其5:吸锡器、吸锡线

两者都是拆除元器件和去除多余焊料时的必备工具。
吸锡器是带通孔的印刷电路板返工作业中不可或缺的工具。其性能和易用性与制造商没有太大关系。
吸锡线在拆除表面贴装型元器件时经常会用到,但相关制造商并不多。由于较宽的吸锡线需要热容量较大的电烙铁,因此选用宽度较窄的吸锡线更好。吸锡线是消耗品。
其6:焊料

焊料分无铅型和有铅(含铅)型两种。在实验中,建议使用作业性较好的有铅焊料。
请务必选择印刷电路板专用的含有“助焊剂”的药芯焊丝(图3)。请不要选用钣金加工用的焊料。
(图3)Φ0.6药芯焊丝的横截面

如果要使用有铅型焊料,那么混合比例为60%铅+40%锡的产品比较容易买到,而且也易于使用。
粗细方面,细的为Φ0.3,粗的为Φ1.0。我使用的是Φ0.6的产品,也可以用来焊接表面贴装型元器件。也有很多人会区分使用Φ0.8和Φ0.3尺寸的产品。
其7:镊子

这也是一种必备工具。一百日元店里也可以买到。总之用起来顺手、好用即可。
不锈钢材质、无磁性、头部较尖的产品比较易于使用。捏合时,尖端的左右两侧必须完美贴合,这是本产品的必须条件。我认为没有必要选择昂贵的完全无磁性的钛合金镊子。
其他工具

最好根据需要同时也准备好放大镜、螺丝刀、剥线钳等工具。

插装型电子元器件的焊接

下面介绍在印刷电路板上安装IC插座时的焊接步骤(图4)。
(图4)安装前的IC插座和印刷电路板

首先,将IC插座安装在印刷电路板上(图5)。
(图5)将IC插座插入电路板

用烙铁头加热几秒钟,将印刷电路板的焊盘和器件引线预热(图6)。圆锥形烙铁头尖端的温度不会上升很多,因此将烙铁头贴在腰部(侧面)。如果焊接不顺利,可以使用平头螺丝刀型烙铁头试一下。
(图6)用烙铁头将电路板焊盘和器件引线加热几秒钟

请始终保持烙铁头处于清洁状态。如果烙铁头氧化了,就会难以熔化焊料。即使烙铁头的一部分氧化,也需要更换新头。
在不移动电烙铁的情况下,将锡丝靠近焊盘和器件引线中间的位置(图7)。
(图7)将烙铁头和焊丝靠近焊盘和器件引线的中间位置

一边观察熔化的焊料被吸入加热后的焊盘和器件引线的情况,一边继续送入焊丝(图8)。在此期间,不要移动电烙铁,让焊料自然流动。由于焊丝中所含助焊剂的作用,熔化的焊料会自然扩散。请勿用烙铁头向周围涂抹焊料。
(图8)一旦焊盘和引线开始吸入焊料,就继续送入焊丝

如果焊丝送入过快,焊料会形成球状飞散。助焊剂会迅速升温并破裂,小球状的焊渣飞散。
当通孔中充满焊料、烙铁头处的焊料像小山一样隆起时,供料量就足够了(图9)。
(图9)当通孔中充满焊料、焊料隆起时,应拉出焊丝

拉起焊丝停止供料。在此期间也不要移动电烙铁。
最后,将电烙铁笔直向上提起(图10)。如果焊料温度适当,就会立即冷却凝固,而不会附着在烙铁头上。如果焊料呈富士山形状且有光泽,表明焊接成功(图11)。有铅焊料会形成光泽表面,而无铅焊料通常不会形成光泽表面。
(图10)将电烙铁笔直提起
(图11)焊料呈山形且有光泽,表明焊接成功

如果冷却变硬后的焊料出现棱角,可能是烙铁头温度不合适,或者助焊剂失去活性。此时应该去除焊料、调整温度、清洁烙铁头后重试。
如果有多个IC插座,请勿在一次操作中一次性焊接所有引脚。先焊接一个引脚。然后目视确认插座是否牢固。如果插座未紧密地固定在电路板上,而是呈悬空状态,而焊料已经冷却并固化,此时请轻轻用力,使插座垂直于电路板表面(图12)。需要用手指向插座施加压力,同时用电烙铁加热并熔化焊料,使插座能够移动。确认插座不再悬空后,再继续焊接其余引脚。
(图12)如果IC插座未紧密贴合在电路板上,需要一边熔化焊料一边用手指向下按压,使其紧密贴合

贴片式元器件的焊接

下面介绍将图13所示的贴片式元器件焊接到印刷电路板上的方法。
图13)常用的1608尺寸电阻器、电容器、LED

图14为焊接前的印刷电路板。
(图14)焊接前的安装用焊盘和贴片式元件

首先,给一侧焊盘施以少量焊料(图15)。对于贴片式元器件而言,少量的焊料就足够了。焊料不要堆得像小山一样隆起。
(图15)给一侧焊盘施以少量焊料

尺寸为1608(1.6×0.8mm)以上的贴片式元器件焊接起来并不难。
将烙铁头放在已有焊料的焊盘上并加热,使焊料熔化。同时,用另一只手中的镊子将贴片式元件移动到合适的位置(图16)。
(图16)用电烙铁加热,熔化已有的少量焊料,用一只手中的镊子给贴片式元件定位

依次拿开与贴片式元件接触的电烙铁和镊子(图17)。
(图17)定位后,先拿开电烙铁,再拿开镊子

暂时固定贴片式元件后,焊接另一侧的焊盘(图18)。达到图19所示的状态就焊接完成了。
(图18)将烙铁头和焊丝放在没有焊料的另一侧焊盘上并加热
(图19) 另一侧焊盘施以焊料后的状态

最后,将焊料添加到已用少量焊料暂时固定的引脚上(图20)。
(图20) 在为了定位已经施以少量焊料的引脚上再次添加焊料

图21表示贴片式元器件的适当焊料量。理想情况下,焊盘和引脚端面应完全润湿,形成凹形圆角。
制造商通常使用回流焊设备来焊接贴片式元器件。使用回流焊设备时,附着贴片式元器件上的焊料量非常少,手工作业很难达到同样的状态。
这就需要大量练习,积累使用电烙铁焊接的贴片式元器件的大量Footprint数据。操作很简单也很可靠。Footprint并不是越大越好。在使用回流焊方式安装时,越大焊料月不好附着。
最好准备两种Footprint,一种用于量产,一种用于手工焊接。
(图21)贴片式元器件的适当焊料量,焊盘和引脚端面充分润湿,形成凹形圆角

表面贴装型IC的焊接

表面贴装型IC(图22)也按照与贴片式元器件相同的步骤进行安装。图23所示的是安装IC之前的焊盘。
(图22)表面贴装型IC的外观(8引脚SOC)
(图23)焊接前的8引脚表面贴装型IC用的焊盘

在第一个引脚的焊盘上施以少量焊料(图24)。达到图25所示的状态就OK了。
(图24)给第一个引脚的焊盘施以少量焊料
(图25)第一个引脚施加焊料后的状态

用电烙铁熔化焊料,用镊子夹住IC调整安装位置(图26),然后拿走电烙铁(图27)。
(图26)加热并熔化第一个引脚上已经施加的少量焊料,用镊子将IC移动到合适的位置
(图27)将镊子和电烙铁从IC处拿开,IC暂时固定

然后,继续焊接其余的引脚(图28)。
(图28)按顺序焊接其余引脚

需要确保不会与相邻的引脚桥接(图29)。如图30所示,从侧面也进行目视确认。
(图29)焊接完成(俯视图)
(图30)焊接完成(侧视图)
您需要积极主动地尝试不同的工具。熟练之后,无需辅助工具即可顺利操作了(图31)。
(图31)操纵导线、焊丝和烙铁对导线进行预焊

参考文献
[1] 善养寺薰:[VOD]看视频一起进入印刷电路板开发KiCad的世界【玩转KiCad 6】,ZEP Engineering。
[2] 善养寺薰:[VOD]看视频一起进入印刷电路板开发KiCad的世界【KiCad 6的101个专业级技巧】,ZEP Engineering。

来源:rohm 作者:善养寺薰

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