實用電子學/焊接
焊接是指使用低熔點導電物質（焊錫）將元件電連線在一起。它通常用於將電線連線到元件的引線（如開關），或將各種型別的元件連線到印刷電路板。用於施加焊錫的主要工具是烙鐵，這是一種金屬尖端加熱到遠高於焊錫熔點的裝置。它用於熔化焊錫，使其流入接頭。
焊接是一項需要學習的技能，需要練習才能熟練掌握。關於如何製作良好的焊接接頭，有很多技巧、竅門和指南，本模組旨在向您展示這些技巧。
焊接的第一條也是最重要的規則是仔細選擇您的工具。焊錫和烙鐵都必須根據應用進行選擇。下面前兩部分將介紹不同型別的焊錫和烙鐵，以及如何選擇合適的工具。
焊錫是一種金屬化合物，具有低熔點，通常約為 200°C。焊錫的成分根據型別而異，但通常含有鉛或錫或兩者。最常見的型別如下所示。它有線狀、棒狀或顆粒狀。棒狀和顆粒狀用於焊錫鍋；對於正常焊接，您需要焊錫線。
焊錫線是一種非常靈活的銀色線，通常以卷軸形式供應，卷軸大小以重量衡量。常見的重量有 250 克、500 克、1 千克或 2 千克。一卷 500 克通常售價約 6 英鎊或 12 美元。它非常柔軟，可以用鋼絲鉗輕鬆剪斷，較細的直徑可以手工折斷（但這不推薦，原因將在下面解釋）。
焊錫線有多種寬度，以“標準線規”（SWG）表示。SWG 數字越大，線越細。常見的線規有 18 和 22，但也有一些其他規格。
18 號焊錫適用於焊接大型元件和粗電線，因為可以快速提供大量的焊錫。但是，對於更精細的工作，18 號焊錫太粗了。焊接標準雙列直插式封裝（DIP）的引腳是 18 號焊錫可以焊接的極限。
22 號焊錫比 18 號焊錫細，應該用於大多數電子工作，因為它可以更好地控制焊錫的供應量，並且由於過度施加焊錫或線材寬度而意外導致橋接間隙的可能性大大降低。
對於使用SMT（表面貼裝）元件進行的非常精細的工作，可以使用更細的線規，如 26 號。
60/40 焊錫由 60% 的錫和 40% 的鉛組成。它的熔點約為 190°C，具體取決於確切的成分。建議烙鐵頭溫度至少為 300°C。它也非常柔軟，這意味著如果接頭在冷卻過程中移動，不太容易形成裂縫。
63/37 焊錫由 63% 的錫和 37% 的鉛組成。它的熔點為 183°C，略低於更常見的 60/40 混合物。這種焊錫的主要優勢不是更低的熔點，而是它的共晶特性。非共晶焊錫，如 60/40 焊錫，在固態和液態之間有一個半固態狀態。如果接頭在這個階段移動，會導致所謂的冷焊點。共晶焊錫，如 63/37，沒有這個半固態狀態，因此被認為更容易使用，因為它產生的不良接頭更少。但是，這些焊錫通常比非共晶焊錫更貴。
它由一半的錫和一半的鉛混合而成。切勿將 50/50 焊錫用於電子產品 - 它用於管道。（有一些品牌[Worthington 50/50 含鉛 #331887]，用於電子產品，並且專門不用於管道）。否則，您可能會遇到接頭失效的情況，因為 50/50 焊錫沒有 60/40 焊錫相同的特性，熔點更高，延展性更低。此外，它不太可能像松香芯焊錫那樣包含助焊劑。
含鉛焊錫正在根據新的歐盟指令（特別是RoHS和WEEE指令）逐步淘汰，並被錫銻合金焊錫取代。鉛焊錫徹底被淘汰可能還需要很多年，但即使現在，許多商店也不再銷售鉛焊錫。無鉛焊錫的熔點高於鉛焊錫，並且使用更具腐蝕性的助焊劑。這意味著烙鐵必須專為無鉛焊錫而製造，以提供合適的溫度 - 它的熔點約為 230°C - 並且烙鐵頭需要不同的塗層才能耐受助焊劑。使用專為鉛焊錫設計的烙鐵可能會導致幹接頭和烙鐵頭壽命縮短。
無鉛焊錫的價格通常比鉛焊錫高 20%-50%。
有許多不同的合金，可以在維基百科文章中找到它們的特性。
助焊劑是一種化合物，用於提高焊接接頭的質量。它透過三種方式做到這一點：
- 它透過化學方法去除被焊接表面的氧化物。
- 它防止表面在被清潔後被空氣氧化。
- 它增加了施加焊錫時表面的“潤溼性”。
潤溼性是指焊錫在被連線的表面上的流動程度。如果沒有助焊劑，可能會形成幹接頭，導致連線不良。有關幹接頭的描述，請參見下文。
松香芯焊錫內部有充滿松香助焊劑的通道。由於助焊劑的熔點低於焊錫，嵌入的助焊劑會在焊錫流入接頭之前自動清潔接頭。對於電子產品，應始終使用松香芯焊錫。鉛焊錫和無鉛焊錫都可以是松香芯的。切勿將酸芯焊錫用於電子產品 - 它只適用於管道和鈑金工作，酸性殘留物會腐蝕和損壞電氣接頭。酸性助焊劑在室溫下保持化學活性，而松香助焊劑在接頭冷卻後會變成惰性無害物質。
焊接後，接頭周圍可能會出現一層助焊劑。這通常是一層燒焦的褐色層（通常發生在接頭過熱時），或一層光亮的透明層。這通常不是問題，但您可能希望用浸泡在酒精或甲醇中的棉籤將其擦掉，以使外觀更專業。
助焊劑也以“筆式”塗抹器形式提供。這允許在使用松香芯焊錫焊接之前將其塗抹到需要非常好的助焊劑的表面，例如 SMT 焊盤和未助焊的焊錫編織線，以確保其可靠性。
關於烙鐵
[edit | edit source]焊錫烙鐵有多種形狀、尺寸和功率等級。大多數烙鐵由連線到手柄的加熱元件製成，並使用可互換的尖頭來處理接頭。
功率等級和溫度控制
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功率等級決定了烙鐵的溫度以及加熱速度。高功率等級意味著如果正在焊接具有較大熱質量的接頭，烙鐵頭不會冷卻太多。但是，高功率等級用於精細工作可能會使接頭過熱，從而損壞元件或電路板。
通常，約 18 W 的額定功率適合精細工作，而 25 W 到 50 W 的額定功率適合更重的電氣焊接，例如在主電源照明上。
廉價的焊錫烙鐵具有固定的功耗 — 它們依靠熱量向周圍環境的散發來實現所需溫度下的熱平衡。這些對於大多數業餘電子工作來說已經足夠了。這種簡單的烙鐵價格約為 20 英鎊到 30 英鎊（30 美元到 50 美元）。
對於更高階的工作，尤其是涉及易於過熱的微型元件的工作，需要溫度調節或可變溫度焊錫烙鐵。這些通常以焊接站的形式出售，包括一個焊錫烙鐵和一個單獨的電源。該站監控焊接尖端的溫度並相應地調節功率輸出。有些站使用磁性開關，該開關以迴圈方式開啟和關閉電源，利用居里效應；焊接尖端設計為在特定溫度下失去其鐵磁特性，通常為 370°C（700°F）、425°C（800°F）或 480°C（900°F），在尖端冷卻並恢復其磁性特性之前，關閉加熱器電源。這種烙鐵的尖端溫度可能會在一個約 4°C（約 7°F）的範圍內波動。這種站臺經常用於製造環境中。對於實驗室使用，可提供配備尖端熱敏電阻以監控溫度的站臺，並且可以透過旋轉控制持續改變溫度。尖端溫度也可以由基座單元上的 LED 讀數顯示。更昂貴的站臺還配備了用於去焊目的的熱風槍。您可以預期為工業級焊接站支付高達 500 英鎊（800 美元）的價格。
焊接槍，執行在交流電源上，具有快速加熱和冷卻的優點，可以向接頭提供大量熱量。它們非常適合一般的電氣工作，但不適合精細的電子工作，因為它們笨重，阻礙了尖端的準確定位，並且支撐變壓器的重量會導致操作者快速疲勞。這些工具的尖端選擇僅限於幾種樣式，通常是鈍的，用於較大的接頭。此外，尖端在執行時會產生強烈的電磁場，這會損壞敏感的半導體。
焊接筆，由電池或可填充的丁烷罐加熱，可以在沒有交流電源的情況下用於現場的小型維修工作，但它們不適合連續使用。
選擇焊接尖頭
[edit | edit source]選擇焊錫烙鐵最重要的部分是烙鐵上有一個合適的尖頭。較大的尖端具有較高的熱質量，在處理大型接頭時可以更好地保持其溫度，但它們在許多應用中物理上太大，因為尖端會一次接觸到多個接頭。小型尖端更容易用於大多數工作，但它們在接觸大型接頭時往往會冷卻下來。
一些尖端的形狀是斜切錐體，有多種尺寸可供選擇。它們通常被稱為斜面或斜尖。典型的尺寸可能從 1 毫米到 5 毫米左右不等。這種多功能尖端形狀的優勢在於，切面可以用於將大量熱量傳遞到接頭上，但當使用切面的邊緣時，它就像一個用於小型接頭或敏感元件的精細尖端，極大地降低了熱傳遞率。
焊接技術
[edit | edit source]良好的焊接完全取決於技術和實踐。至關重要的是所有部件都已正確準備，否則將導致不良接頭。
準備
[edit | edit source]首先，必須準備好焊料。如前所述，您使用的焊料應具有助焊劑芯。當從焊料捲上拉出焊料時，您可能會將柔軟的錫/鉛合金拉伸到助焊劑之外，留下沒有助焊劑的純金屬尖端。這將很難貼上到任何東西上，並且可能會導致問題。為了避免這種情況，請始終使用側切鉗從焊料末端切割幾毫米，或用熱焊錫烙鐵熔化一小塊。
接下來準備您的烙鐵。您需要一個焊錫烙鐵架，既可以防止烙鐵引燃任何東西，也可以防止烙鐵意外掉落到地板上。每個好的架子都有一個用於一塊纖維素海綿的托盤。將其保持溼潤，並用於清潔烙鐵尖端。在使用烙鐵之前，始終弄溼您的海綿 — 這樣做可以極大地改善您的焊接效果。蒸餾水是最好的，但您也可以使用自來水。
首先，等到您的烙鐵達到溫度。在烙鐵足夠熱之前使用它只會延長時間，因為您將不得不修復透過將烙鐵強行插入接頭而造成的損壞。一旦它加熱起來，就清潔末端。通常，當您拿起烙鐵時，它的末端會發黑，並覆蓋著已燒到尖端上的舊助焊劑。這不會作為助焊劑使用，並且會損害烙鐵傳熱的效能。在尖端新增一些焊料（它可能會由於燒焦的塗層排斥它而形成一個球體），然後將其擦到溼海綿上。重複此操作，直到烙鐵的尖端光亮，呈銀色。每次從架子上取下烙鐵時，以及在握住烙鐵時偶爾也要這樣做，像這樣清潔尖端。在您進行第二次和以後的擦拭時，通常只需要擦拭一次即可清潔末端。在開始焊接之前，始終確保尖端上沒有多餘的焊料。
通孔元件
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通孔安裝 (THM) 元件是引線突出 PCB 並從另一側焊接在元件上的元件。
當 PCB 僅在一側有銅線時，電路板的兩側通常稱為“焊接側”和“元件側”。
在將 THM 元件放置在 PCB 上時，將引線插入孔中，然後按下器件使其平放在 PCB 的頂面上。通常，將引線從電路板的另一側向外彎曲有助於防止器件在將電路板翻過來焊接時掉落。這通常僅適用於具有兩到三條引線的器件，例如軸向引線電阻器或電晶體。
通常，當焊接器件時，引線沒有彎曲以機械地固定它，它可能會輕微“下垂”並從孔中掉落一到兩毫米。為了防止元件在焊接後彎曲，您可以先焊接一個或兩個引線以暫時固定它。然後，在從另一側將元件推向電路板時，重新加熱接頭，並讓焊料凝固。完成剩餘引線的焊接，如果需要，返回到原始接頭新增焊料。此技術對於 DIP 封裝和類似的多引線封裝特別有用。
SMT 元件
[edit | edit source]表面貼裝技術 (SMT) 一直在逐漸取代具有電線的舊元件。一些特殊的工具和技術用於焊接和去焊 SMT 元件。
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安全
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在焊接時，始終佩戴安全眼鏡或護目鏡，鏡片為塑膠或鋼化玻璃，以保護您的眼睛免受飛濺的熱液態焊料。
焊錫烙鐵的尖端設計為非常熱，超過 370°C（700°F）。避免讓尖端接觸皮膚、衣服或任何可能融化、燒焦或燃燒的東西。在烙鐵通電時，使用合適的烙鐵架。這些提供了方便的放置烙鐵的地方，並防止任何東西接觸到熱的尖端。廉價焊錫烙鐵附帶的小型塑膠和金屬線架可能是危險的，因為它們會使尖端暴露在外，並且烙鐵很容易從架子上滾落。
焊錫中的助焊劑（以及額外新增到接頭的助焊劑）在接觸烙鐵的熱量時會沸騰和燃燒。雖然松香助焊劑產生的煙霧毒性並不強，但會刺激肺部和呼吸道，長期接觸會導致健康問題。可以透過以下方式避免吸入助焊劑煙霧：不要在工作區“盤旋”，設定風扇使你的臉部“迎風”工作，或者使用專門為焊接臺設計的排煙裝置。始終在通風良好的地方焊接，防止煙霧積聚。最好選擇有窗戶且可以開啟的房間。
焊錫中的鉛通常不會熱到足以蒸發並變成空氣中的顆粒。然而，在接觸焊錫後，手上會殘留鉛，因此必須用肥皂和水洗手。鉛有毒，會引起各種健康問題。兒童和孕婦應避免接觸鉛，因為鉛會導致嚴重的生長發育問題。
- "302: 分立佈線 - 跳線" — NASA關於在PCB元件中新增分立佈線的建議
- "303: 分立佈線 - 死蟲" — NASA關於在PCB元件中新增元件的標準
- NASA-STD 8739.3 — 焊接電氣連線
- NASA常用行業工藝標準列表
- "嵌入式電子入門 - 第6講 - 焊接基礎" — 詳細的焊接步驟和圖片
- "迴流焊教程" — 迴流焊教程