助焊剂可以降低焊料和环境间的表面张力,帮助润湿。正如助焊剂本身会扩散到表面一样,焊料合金也必须如此。好的助焊剂会降低金属和熔化的焊料之间的表面张力。以前表面活性剂是一种润湿剂,帮助助焊剂扩散。现在助焊剂是焊料合金的润湿剂。 活化剂通过蚀刻表面来 "启动 "焊料流动,表面活性剂通过润湿表面来促进焊料流动的继续。一个坚实可靠的焊接的关键是正确的助焊剂应、焊料合金、温度范围和加热方法以及正使用的基本金属相匹配。更高的要求可能要加上惰性气体保护或者真空,例如某些工业。
V. K. Semenchenko, Surface Phenomena in Metals and Alloys (Oxford U.P., London, 1962).
为了成功地进行焊接和钎焊,必须去除材料表面和填充金属预制件表面的氧化层;在加热过程中,还必须保护暴露的表面不被氧化。
机械搅拌是破坏氧化层的另一种可能性。超声波可用于协助镀锡和焊接;超声波换能器可安装在烙铁上,在焊槽中,或在波峰焊中。氧化物的破坏和清除涉及到熔化的焊料和基本金属表面之间的空化效应。超声波助焊剂的一个常见应用是被动部件的镀锡(主动部件不能很好地应对所涉及的机械应力);甚至铝也可以通过这种方式进行镀锡。然后可以用传统的方法对零件进行焊接。铜合金的无焊剂钎焊可以用自流式填充金属来完成。这种金属含有一种能够与氧气反应的元素,通常是磷。一个很好的例子是铜磷合金系列。
一般助焊剂由四个主要部分组成。
简言之, 助焊剂可以去除氧化,帮助传热,清洁并准备好接头以接受焊料,并促进均匀的焊料流动。
许多不同的助焊剂含有金属卤化物,这是金属与卤素的结合。
卤素是周期表中的一个组别,由五个化学上相关的元素组成:氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)和砹(At)。这些卤化物是活化剂。由于助焊剂的熔点很低,它将在焊料凝固之前液化。金属卤化物通常会促进腐蚀,这将有助于帮助氧化物的溶解,使污染物从接头处流走。然后,焊料将流入接头处,形成一个强大的纽带,实际上与所涉及的金属熔合。这就是为什么像铅和锡这样的金属被用来焊接像铜这样的金属,因为它们与金属形成了一种结合,形成了一层薄薄的合金金属。
化学课有一句话 "同类相溶"。
一些合金在过热到高于其熔点数度时能够溶解其表面的氧化物;Sn-Cu1和Sn-Ag4需要熔点过热18-19℃,Sn-Sb5只需要熔点过热10℃,但Sn-Pb37合金需要高于其熔点77℃才能溶解其表面的氧化物。
氧化物需要腐蚀来去除。然而,重度腐蚀不会因为使用焊剂而从金属上去除,因为焊剂非常温和,不像铜管焊接中使用的焊剂那样具有酸性。
根据经验,如果被焊接的材料非常脏,氧化层又非常厚,可能会导致污染物被困在焊料下面,而助焊剂中的溶剂无法将其清除。这可能导致焊料飞溅和沸腾,从而导致 "虚焊"。
助焊剂最好在完成工作后将其从电路板上清洗掉。
有些助焊剂具有腐蚀性,它们的残留物可能会在电路板制造完成后的很长一段时间内继续发挥其作用并对其造成伤害。助焊剂都有各自的清洗需求。
对于那些腐蚀性较强的助焊剂,清洗是必不可少的。
电路板制造的一些过程,如PCB上经过波峰焊的屏蔽区,有可能隐藏着助焊剂的残留。如果不进行清洗,随着时间的推移,这些残留的助焊剂会给电路板带来严重的问题。然而,除了较活跃的助焊剂的腐蚀问题外,即使是免清洗助焊剂的残留物也会干扰PCB测试、光学检测设备和一些敏感的电子元件。一般来说,最好是尽可能地清洗助焊剂的残留物。
当金属暴露在空气中时,氧化物会在未受保护的表面形成。在电子产品中,这些氧化物会阻碍电路板组装过程中良好焊点的形成。为了帮助焊接过程,助焊剂被用来通过去除氧化物以及任何其他杂质来化学清洗金属表面。助焊剂还有助于促进焊料的润湿,从而确定熔化的焊料将如何流动到被连接的表面。
用于焊接电子产品的助焊剂分为三类。
松香,水溶性(或有机酸),和免清洗。
由松香以外的有机材料制成的水溶性助焊剂在焊接时非常活跃。这对准备焊接的表面非常有效,但事后需要彻底清洗和检查,以防止助焊剂污染或电路板损坏,如果不及时清除。免清洗助焊剂由于其低水平的活性而不需要清洗,但结果是,它在准备焊接表面方面也不那么有效。
松香助焊剂的基础材料主要由从松树汁液中提取的松香组成。它还含有不同种类的酸作为活化剂,通过去除金属上的氧化物促进熔融焊料的润湿。这些酸的活性水平被进一步分为松香助焊剂的三个类别。
松香:这是松香助焊剂最温和的形式,它含有最少的活化剂,只用于清洁的金属表面。由于其活性水平低,这种松香助焊剂在焊接时不会产生任何有害的残留物。
RMA (松香温和活性): 这类助焊剂含有较高水平的活化剂,足以在焊接过程中清洗PCB焊盘和孔,以及元件引脚。这种助焊剂会留下一些残留物,通常不是一个问题。
RA(松香激活):这种松香助焊剂含有最高水平的激活剂用于清洗,它也会在焊接后留下最多的残留物。
除了松香和活化剂之外,助焊剂还将包含其他溶剂和添加剂,以协助焊接和保护金属免受腐蚀。
根据电路板的需要,松香助焊剂可用于自动化PCB组装。对于波峰焊来说,助焊剂通常是在电路板经过熔化的焊料波之前喷在上面。在焊料回流炉中加工的电路板使用由微小的焊料颗粒和粘性助焊剂组成的焊膏,在回流前将元件固定在原位。
松香助焊剂在手工焊接中经常使用,可以在卷轴式焊丝的核心中找到。松香核心焊剂通过确保助焊剂在焊接应用中以一致的数量分布来帮助用户。然而,如果更大的区域需要更多的助焊剂,可以用刷子、棉签或特定的助焊剂涂抹器涂抹液体或浆糊。松香助焊剂也可以在市面上的点胶笔中找到,以增加便利。
一旦焊接完成,你可能会发现电路板上有残留的松香助焊剂--特别是如果你使用的助焊剂含有较高的活性物质。较轻的松香助焊剂残留物通常会在焊接后留在电路板上,除非出于美观的原因需要将其去除。由活性较高的松香或有机水溶性助焊剂留下的残留物可能更具腐蚀性,应予以清除。通常使用去离子水来完成这一工作。记住在焊接过程中不要过度使用助焊剂,否则你要清理的残留物会比预期的多。
由于氧化铝的钝化层的形成,铝及其合金很难被焊接。
助焊剂必须能够破坏这个氧化铝层,并促进焊料的润湿。可以使用一些金属的盐或有机络合物;盐必须能够渗透到氧化层的裂缝中。然后比铝“高贵”的金属离子发生氧化还原反应,溶解铝的表面层,并在那里沉积。这另一种金属的中间层可以用焊剂来润湿。例子是由三乙醇胺、氟硼酸和氟硼酸镉组成。另一种是由氯化锌或氯化锡、氯化铵和氟化物(如氟化钠)组成的无机焊剂。
正确使用的过程中松香助焊剂会在焊剂合金润湿扩散到焊件表面以后被合金推开。如果没有恰当的处理焊件表面,焊剂合金没能润湿扩散到焊件表面当然会留下 "VOID", 也就是虚焊,影响导电。
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0026271416300440 Flux effect on void quantity and size in soldered joints https://link.springer.com/article/10.1007/s11668-014-9801-y Computed-Tomography-Based Analysis of Voids in SnBi57Ag1 Solder Joints and Their Influence on the Reliability http://www.sz-gsd.com/Article/show/3/752.html SMT回流焊常见缺陷解决方法大全