本书基于对现代电子装联软钎焊技术原理分析,阐明了焊接过程中润湿铺展与溶解扩散两个主要过程对焊点形成的重要性,对典型群焊技术(再流焊、波峰焊)、局部焊接技术(掩膜焊、选择焊、激光焊、热压焊等)及手工焊接技术工艺特点、工作原理、制程设计与步骤、质量控制、常见焊接缺陷等进行了介绍;针对PCBA可制造性设计(DFM),从PCB加工制作、元器件选型与布局、焊盘设计、布线设计、PCBA安装设计等方面进行了介绍,基于焊点可靠性分析,对焊点界面组织特征及接头形态设计提出要求,验证了其与工艺参数之间的关联性及对可靠性的影响,为高质量、高可靠电子组装提供了依据和思路。
史建卫,中兴通讯股份有限公司高级工程师,无铅电子制造省部产学研创新联盟副秘书长,中国电子学会会员,全国焊接标准化技术委员会钎焊分技术委员会委员,中兴通讯电子制造职业学院兼职讲师。
第1章 现代电子装联软钎焊技术 1
1.1 概述 2
1.2 焊接与钎焊 2
1.2.1 焊接 2
1.2.2 钎焊及其分类 3
1.2.3 软钎焊技术所涉及的学科领域及其影响 3
1.2.4 软钎焊技术的基本分类 4
1.3 现代电子装联软钎焊技术的新发展 6
1.3.1 “微焊接”技术 6
1.3.2 无铅化焊接技术 8
思考题 11
第2章 现代电子装联软钎焊原理 13
2.1 软钎焊特点与常用术语 14
2.1.1 软钎焊连接机理 14
2.1.2 软钎焊工艺步骤 14
2.1.3 软钎焊加热方式 15
2.1.4 可焊性与润湿性 15
2.1.5 接触角与润湿角 16
2.2 润湿 16
2.2.1 固体金属表面结构 17
2.2.2 液态钎料表面现象 17
2.2.3 润湿及分类 19
2.2.4 杨氏方程(Young‘s Equation) 20
2.2.5 助焊剂作用下润湿过程中的热动力平衡 21
2.2.6 润湿形式 22
2.2.7 润湿性影响因素 23
2.2.8 润湿性评定方法 27
2.2.9 常用去膜技术 28
2.3 钎料填缝过程 29
2.3.1 弯曲液面附加压力 29
2.3.2 拉普拉斯方程(Young-Laplace) 31
2.3.3 弯曲液面对饱和蒸汽压的影响 31
2.3.4 液态钎料毛细填缝过程 32
2.3.5 液态钎料的平衡形态 36
2.4 溶解与扩散 37
2.4.1 物质间的互溶条件与界面张力关系 37
2.4.2 基体金属的溶解过程 37
2.4.3 钎料与基体金属之间的扩散 43
2.5 界面反应组织 47
2.5.1 界面层结合模式 47
2.5.2 界面层金属间化合物的形成与生长 49
2.6 钎焊接头性能及接头设计 53
2.6.1 钎焊接头性能 53
2.6.2 钎焊接头强度 53
思考题 57
第3章 现代电子装联软钎焊应用材料 59
3.1 钎料合金概述及其工艺性要求 60
3.1.1 钎料合金概述 60
3.1.2 钎料合金的选择与使用 66
3.2 助焊剂概述及其工艺性要求 69
3.2.1 助焊剂概述 69
3.2.2 助焊剂的选择与使用 72
3.3 钎料膏概述及其工艺性要求 74
3.3.1 钎料膏概述 74
3.3.2 钎料膏的选择与使用 75
3.4 其他钎料形态概述 76
3.4.1 钎料丝 76
3.4.2 预成型焊片 77
3.5 无铅化兼容性问题 78
3.5.1 无铅化PCB焊盘表面镀层工艺要求 78
3.5.2 无铅化元器件焊端/引脚表面镀层工艺要求 81
3.5.3 从润湿性评估无铅钎料与PCB表面保护层之间的兼容性 83
3.5.4 从润湿性评估无铅钎料与元器件表面镀层之间的兼容性 89
思考题 91
第4章 再流焊接技术 93
4.1 再流焊接工艺特点 94
4.2 再流焊接温度曲线 94
4.2.1 温度曲线的基本特征 94
4.2.2 典型温度曲线类型 96
4.2.3 加热因子 96
4.2.4 带宽与工艺窗口 98
4.2.5 温度曲线设置影响因素 100
4.2.6 温度曲线测试及优化 100
4.3 再流焊接传热技术 103
4.3.1 热传导 104
4.3.2 热辐射 105
4.3.3 热对流 105
4.4 红外再流焊接技术 106
4.4.1 红外再流焊接加热原理 106
4.4.2 红外再流焊接技术特点 106
4.4.3 红外再流焊炉结构 107
4.5 热风再流焊接技术 109
4.5.1 热风再流焊接加热原理 109
4.5.2 热风再流焊接技术特点 110
4.5.3 热风再流焊炉结构 110
4.6 红外+热风复合加热再流焊接技术 112
4.6.1 红外+热风复合再流焊接加热原理 112
4.6.2 红外+热风复合再流焊接技术特点 113
4.6.3 红外+热风复合再流焊炉结构 113
4.7 汽相再流焊接技术(VPS) 114
4.7.1 汽相再流焊接加热原理 115
4.7.2 汽相再流焊接技术特点 116
4.7.3 汽相再流焊炉结构 117
4.8 再流焊炉设计参数及应用 118
4.9 无铅再流焊接工艺技术 119
4.9.1 无铅再流焊接工艺技术特点 119
4.9.2 无铅化对再流焊接温度曲线的影响 120
4.9.3 无铅化对再流焊炉的影响 120
4.9.4 有铅+无铅混装再流焊接温度曲线设置 129
4.10 再流焊接常见缺陷及防治措施 130
4.10.1 焊点脱焊 131
4.10.2 钎料膏再流不完全 131
4.10.3 润湿不良 132
4.10.4 墓碑 132
4.10.5 钎料珠 133
4.10.6 钎料球 134
4.10.7 桥连 134
4.10.8 元器件开裂 135
4.10.9 其他 135
思考题 136
第5章 波峰焊接技术 137
5.1 概述 138
5.1.1 波峰焊接的定义 138
5.1.2 波峰焊接的工艺特点 138
5.2 波峰焊接中的热、力学现象 138
5.2.1 波峰焊接入口点的热、力学现象 138
5.2.2 热交换和钎料供给区的热、力学现象 139
5.2.3 波峰退出点的热、力学现象 139
5.2.4 波峰焊接过程中的温度特性 140
5.3 波峰焊接工艺窗口 141
5.3.1 助焊剂涂覆 141
5.3.2 预热温度 142
5.3.3 钎料槽温度 144
5.3.4 传输速度 146
5.3.5 传输角度 147
5.3.6 波峰高度 148
5.3.7 压波高度 148
5.3.8 冷却速度 149
5.4 波峰焊接设备结构及其性能评估指标 149
5.4.1 波峰焊接设备系统组成 149
5.4.2 波峰焊接设备性能评估指标 149
5.5 波峰焊接工艺过程控制 156
5.5.1 工艺过程控制的意义 156
5.5.2 基材可焊性的监控 157
5.5.3 波峰焊接设备工序能力系数(Cpk)的实时监控 157
5.5.4 助焊剂涂覆的监控 158
5.5.5 波峰焊接温度曲线的监控 159
5.5.6 波峰焊接中钎料槽杂质污染的危害 159
5.5.7 防污染的对策 160
5.6 波峰焊接常见焊点缺陷及防治措施 163
5.6.1 虚焊 163
5.6.2 冷焊 164
5.6.3 拉尖 164
5.6.4 桥连 165
5.6.5 金属化孔填充不良 167
5.6.6 针孔和吹孔 168
5.6.7 钎料珠和钎料球 169
5.6.8 芯吸现象 170
5.6.9 缩孔 171
思考题 171
第6章 局部焊接技术 173
6.1 掩膜波峰焊接技术 174
6.1.1 掩膜波峰焊接技术特点 174
6.1.2 掩膜板材料分类及特性 174
6.1.3 掩膜板设计技术要求 176
6.2 选择性波峰焊接技术 176
6.2.1 选择性波峰焊接技术特点 176
6.2.2 选择性波峰焊接技术工艺流程 177
6.2.3 选择性波峰焊接设备技术要求 178
6.3 其他局部焊接技术简介 179
6.3.1 激光焊接技术简介 179
6.3.2 热压焊接技术简介 179
6.3.3 电磁感应焊接技术简介 180
思考题 180
第7章 手工焊接技术 181
7.1 手工焊接工艺特点 182
7.2 手工焊接物理化学过程 183
7.3 手工焊接工具 185
7.3.1 电烙铁概述 185
7.3.2 智能电烙铁的工作原理 188
7.3.3 无铅化对电烙铁性能的影响 189
7.3.4 电烙铁的维护保养 190
7.4 手工焊接工艺操作规范 190
7.4.1 手工焊接工艺过程 190
7.4.2 手工焊接工艺操作要领 191
7.5 手工焊接工艺质量控制 194
7.5.1 手工焊接工艺参数要求 194
7.5.2 电烙铁的选择与使用 194
思考题 198
第8章 PCBA可制造性设计(DFM) 199
8.1 电子产品分类及其质量标准要求 200
8.1.1 电子产品分类 200
8.1.2 电子产品质量标准要求 200
8.2 可制造性设计(DFM)对电子产品质量的意义 201
8.3 可制造性设计(DFM)概述及主要内容 201
8.3.1 可制造性设计概述 201
8.3.2 可制造性设计内容 202
8.4 PCBA组装方式设计 202
8.4.1 电子产品的可生产性等级 202
8.4.2 电子产品的组装方式分类 203
8.4.3 电子产品的组装方式选用原则 204
8.5 PCB可制作性设计 204
8.5.1 布线设计的注意事项 204
8.5.2 布线设计的基本原则 205
8.5.3 电源线与地线设计要求 205
8.5.4 导线设计要求 205
8.5.5 阻焊膜设计要求 207
8.6 PCBA可组装性设计 209
8.6.1 基准点标记 209
8.6.2 工艺边及传送方向 211
8.6.3 元器件选型 211
8.6.4 元器件布局 213
8.6.5 元器件间隔 216
8.6.6 元器件焊盘设计工艺性要求 217
8.6.7 SMT工艺中的元器件焊盘设计示例 218
8.6.8 THT工艺中的元器件焊盘设计示例 220
8.6.9 其他 224
思考题 224
第9章 焊点接头设计及其可靠性 225
9.1 电子装联可靠性 226
9.1.1 机械可靠性 226
9.1.2 电化学可靠性 227
9.2 焊点的界面质量模型及焊点接头模型 228
9.2.1 软钎焊接焊点质量对电子产品可靠性的影响 228
9.2.2 理想焊点的界面质量模型 228
9.2.3 焊点的接头模型 229
9.3 焊接接头结构设计对焊点可靠性的影响 230
9.3.1 焊接接头的几何形状设计与强度分析 230
9.3.2 焊接接头的几何形状设计与电气特性 233
9.4 焊接接头机械强度的影响因素 236
9.4.1 钎料量对接头剪切强度的影响 236
9.4.2 与熔化钎料接触时间对接头剪切强度的影响 237
9.4.3 焊接温度对接头剪切强度的影响 237
9.4.4 接头厚度/间隙对焊点剪切强度的影响 238
9.4.5 接头强度随钎料合金成分和基体金属的变化 239
9.4.6 接头的蠕变强度 240
9.5 焊接接头三要素与焊点可靠性 241
9.5.1 焊点可靠性的影响因素 241
9.5.2 可焊性对焊点可靠性的影响 243
9.5.3 可焊性的存储期试验及其方法 244
9.6 焊点可靠性评估方法 247
思考题 248
参考文献 249
跋 251
总 序
当前,各种技术的日新月异及这个时代的各种应用和需求迅速推动着现代电子制造技术的革命。各门学科的深度融合,例如,物理学、化学、电子学、行为科学、生物学等,提供了现代电子制造技术广阔的发展空间,特别是移动互联网技术的不断升级换代、工业4.0技术推动着现代电子技术的高速发展。同时,现代电子制造技术将会在机遇和挑战中不断变革。例如,人们对环保、生态的需求,随着中国人口老龄化的不断加剧,操作工人的短缺和生产的自动化,以及企业对生产效率提高的驱动,将会给现代电子制造技术带来深刻变革。伴随着完全不同的时代特征、运行环境和实现条件,现代电子制造的发展也必须建立在一个崭新的历史起点上。这就意味着,在这样一个深刻的、深远的时代转折时期,电子制造业生态和电子生产制造体系的变革,为增强制造业竞争力提供了难得的机遇。
作为全球电子产品的生产大国,电子制造技术对中国无疑是非常重要的。而中兴通讯作为中国最大的通信设备上市公司,30年来,其产品经历了从跟随、领先到超越的发展历程,市场经历了从国内起步扩展到国外的发展历程,目前已成为全球领先的通信产品和服务供应商,可以说是中国电子通信产品高速发展的缩影。在中兴通讯成功的因素中,技术创新是制胜法宝,而电子制造技术也是中兴通讯的核心竞争力。
无论是“中国智造”,还是“中国创造”,归根到底都依赖于懂技术、肯实干的人才。中兴通讯要不断夯实自身生产制造雄厚的技术优势和特长,以更好地推动和支撑中兴通讯产品创新和技术创新。为此,2013年,中兴通讯组建了电子制造职业学院,帮助工程师进修学习新知识和新技术,不断提升工程师的技术能力。为提升学习和培训效果,我们重点下功夫编写了供工程师进修学习的精品教材。为此,公司组织了以樊融融教授为首的教材编写小组,这个小组集中了中兴通讯资深的既有丰富理论又有实践经验的专家队伍,这批专家也可以说是业界顶尖的工程师,这无疑保证了这套教材极高的水准。
《现代电子制造系列丛书》共分为3个系列,分别用于高级班、中级班、初级班,高级班教材有4本,中级班教材有6本,初级班教材有2本。本套丛书基本上覆盖了现代电子制造所有方面的理论、知识、实际问题及其答案,体现了教材的系统性、全面性、实用性,不仅在理论和实际操作上有一定的深度,更在新技术、新应用和新趋势方面有许多突破。
本套丛书的内容也可以说是中兴通讯的核心技术,现在与电子工业出版社联合将此丛书公开出版发行,向社会和业界传播电子制造新技术,使现在和未来从事电子制造技术研究的工程师受益,将造福于中国电子制造的整个行业,对推动中国制造提升能力有深远的影响,这无疑体现了“中兴通讯,中国兴旺”的公司愿景和一贯的社会责任。
中兴通讯股份有限公司董事长
前 言
随着电子产品向多功能、微型化、高密度、环保方向发展,电子装联越来越变得重要,如何将现代电子产品可靠、高效、低廉、定制化地完成组装,已经成为现代电子装联的新课题。
现代电子装联是随着封装、印制电路板、组装材料和组装技术共同发展起来的,在这一过程中,我们面临的高密度组装及其可靠性问题必须得到重视,而且基于生产过程的工艺管理为电子装联成功与否提供了保障。
正是基于以上考量,我们根据现代电子装联在新形势下的要求,提出了编制针对专业技术人员的系列教材,以满足现代电子装联的各项要求。
《现代电子装联软钎焊技术》首先基于对现代电子装联软钎焊技术原理的分析,阐明了焊接过程中的润湿铺展与溶解扩散两个主要过程对焊点形成的重要性;其次对再流焊接技术、波峰焊接技术及手工焊接技术等的工艺特点、工作原理、制程设计与步骤、质量控制、常见焊接缺陷等进行了论述;再次针对PCBA可制造性设计(DFM)进行了介绍,为自动化组装实现高焊接质量、高直通率保驾护航;最后基于焊点可靠性分析,对焊点界面的组织特征及接头形态设计提出了要求,并验证了其与工艺参数之间的关联性及对可靠性的影响,为高质量、高可靠电子组装提供了依据和思路。
本书共分为9章,分别是:第1章,现代电子装联软钎焊技术;第2章,现代电子装联软钎焊原理;第3章,现代电子装联软钎焊应用材料;第4章,再流焊接技术;第5章,波峰焊接技术;第6章,局部焊接技术;第7章,手工焊接技术;第8章,PCBA可制造性设计(DFM);第9章,焊点接头设计及其可靠性。
本书的第1、2、3、4、7、8、9章由史建卫编写,第5、6章由温粤晖编写。
本书在编著过程中得到了中兴通讯股份有限公司董事长的大力支持、关心和鼓励,并在百忙之中为本系列丛书作序。同时,该公司执行副总裁邱未召先生和高级顾问马庆魁先生也亲历亲为本书的按时出版提供了指导,笔者十分感谢!
作为前辈和老师,有着八十岁高龄的樊融融研究员亲自审核了全书,并为该书提出了很多好的指导、意见和建议,笔者深表感谢!
在本书的编写过程中,还得到了制造中心工艺部汪芸部长、邱华盛总工程师的关心和支持,在此表示感谢!
笔者在完成这一书稿的过程中得到了制造工程研究院工艺研究部刘哲总工程师、贾忠中资深工艺专家、制造中心工艺部孙磊资深工艺专家的指导与协助,以及吴仙仙、曾慧两位同志在文字处理方面的帮助,在此也表示由衷的感谢!
本书在编写过程参考了一些专业书籍和网上的相关资料,在此表示衷心感谢!
作者
2015年7月于中兴通讯股份有限公司
我拿到这本书时,脑子里浮现的是它会详细介绍各种精密焊接设备的操作和维护。比如,现在市面上流行的回流焊炉、波峰焊机、选择性焊机、甚至是激光焊接设备,它们各自的工作原理、优势劣势、以及在电子装联中的具体应用场景。我期待书中能有关于这些设备的参数设置、工艺优化、以及日常维护保养的详细指南,帮助读者更好地掌握这些先进的生产工具。此外,我还想着这本书可能会涉及一些关于焊接过程中的环境控制,比如湿度、温度、甚至是洁净度的要求,这些对于保证焊接质量同样至关重要。我也希望能看到一些关于焊接后清洗工艺的内容,以及不同清洗剂的性能对比和选择依据,确保最终的电子产品能够达到预期的性能和可靠性。
评分收到这本书,我原本的设想是它会深入剖析当前市场上那些最热门的电子产品,比如智能穿戴设备、无人机、或者是新能源汽车的电子控制单元,它们在实际生产过程中,是如何通过高精度的软钎焊接工艺来保证产品的性能和寿命的。我设想着书中会有大量的实际案例分析,展示不同类型电子元件(比如BGA封装、CSP封装、或者是一些异形元件)在焊接时遇到的具体问题,以及针对这些问题,业内是如何运用各种先进的焊接技术来克服的。例如,对于那些对热敏感的元器件,应该如何选择合适的焊接温度和加热方式;对于那些需要高可靠性连接的场合,又应该如何进行焊接质量的控制和检测。我还期望书中能有关于不同焊接材料(焊膏、焊线、助焊剂)的特性对比,以及它们在特定应用场景下的最佳选择,从而帮助读者理解如何在复杂的电子装联环境中做出最经济、最有效的焊接决策。
评分拿到这本书,我第一反应是它会涵盖大量关于不同行业标准和规范的内容。要知道,电子产品的生产,尤其是那些涉及到安全性的领域,比如医疗器械、航空航天、或者汽车电子,对焊接工艺的规范性要求非常高。我期待书中能有详细介绍ISO、IPC等相关国际标准,以及国内的行业标准,这些标准对焊接材料的选择、操作流程、焊接质量评定、以及返修等都有明确的规定。我希望书中能详细讲解这些标准的具体要求,并且提供一些实际操作的指导,让读者能够理解如何在遵循这些规范的前提下,高效地完成电子装联的软钎焊接工作。另外,关于焊接过程中的一些常见缺陷,比如虚焊、假焊、桥接、以及焊料的蠕变等,我也希望书中能有详细的成因分析和预防措施,帮助读者提高焊接质量,减少不良品率。
评分这本书,怎么说呢,我拿到手的时候,以为它会讲很多关于“现代化”电子产品组装的一些新颖方法,比如自动化流水线上的精密操作,或者那种机器人手臂可以完成的超细微焊接,又或者是那种非接触式的加热技术。你知道的,现在电子产品更新换代那么快,很多以前需要手工完成的工作,现在都快被机器取代了。我特别期待里面能有一些关于3D打印技术如何与电子装配结合,或者说,在微型电子元件上实现更高效、更可靠的连接的先进解决方案。毕竟,我们现在手机里、电脑里那些密密麻麻的电路板,里面的每一个连接都至关重要,一个小小的焊点出了问题,可能整个设备就报废了。所以我本以为这本书会深入探讨这些前沿的、具有未来感的装联技术,甚至可能包含一些行业内的最新发展趋势,比如在5G通信、人工智能设备等领域,对焊接技术提出了哪些新的挑战和要求。
评分坦白说,拿到这本书,我原本期望看到的是关于焊接工艺的“软实力”的探讨,也就是如何通过优化整个装联流程来提升焊接的整体效率和可靠性。我设想书中会涉及一些精益生产的理念,比如如何通过合理的工位设计、物料配送、以及人员培训来减少不必要的浪费,提高生产效率。我也希望书中能有关于焊接过程中的自动化和智能化的一些前瞻性内容,比如如何利用机器视觉来检测焊接质量,或者如何通过数据分析来优化焊接参数。更进一步,我还想着书中可能会涉及一些关于人员的技能培养和认证的内容,毕竟,在很多情况下,高素质的操作人员仍然是保证焊接质量的关键。比如,如何培训新手快速掌握焊接技能,以及如何对资深焊工进行更高级别的技能提升。
评分很好
评分好评!
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评分很好很不错值得买的书
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