1 背景技術(shù)

在石油工業(yè)的持續(xù)進步中，精密電子設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，它們不僅在井下作業(yè)如泵工況和精密電子壓力計中發(fā)揮著重要作用，也成為地面高精尖設(shè)備如變頻器和中控系統(tǒng)的核心部件。目前，電子電路板上電子元件的安裝普遍采用表面貼裝技術(shù)，這一方法相比傳統(tǒng)工藝，能夠使電路板布局更為緊湊，減少安裝空間，提升生產(chǎn)效率，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，使得電氣元件的排布和布線更加密集。

2 電子電路板焊接原理及焊料、焊劑、清洗劑介紹

電子電路板的安裝主要采用錫焊技術(shù)，利用錫合金作為主要焊接材料，發(fā)揮金屬熔化后的特性，通過熔融的錫原子與待焊接金屬部件的擴散和結(jié)合，在焊接點形成金屬結(jié)合層。盡管焊接后的錫箔和器件引線表面看起來光滑，但實際上金屬結(jié)合層表面存在微小的凹凸間隙，熔融的錫焊材料通過虹吸原理在這些間隙中擴散，確保器件引線與電路板上的焊點牢固結(jié)合，提供良好的導(dǎo)電性。焊接過程中，焊料、焊劑和清洗劑是關(guān)鍵要素。

常用的錫焊材料包括Sn60焊料、Sn63焊料和HL-SnPb39型錫鉛焊料，它們的合金配比不同，Sn60焊料代表其w（Sn）為60%，Sn63焊料代表其w（Sn）為63%，其中Sn63焊料因其優(yōu)異的附著性和凝固性而被廣泛認(rèn)可。當(dāng)w（Sn）超過63%之后，其附著性及熔融后的凝固性會變差。HL-SnPb39型錫鉛焊料和常規(guī)的Sn60焊料及Sn63焊料相比，HL-SnPb39型焊料在導(dǎo)熱性、氣密性和耐熱性方面表現(xiàn)更佳。常見焊接工藝如圖1所示。

圖1 常見焊接工藝圖示

焊劑的種類主要有松香焊接劑和水溶性焊接劑兩種，其中，松香焊接劑主要對錫合金、鉛合金焊接效果較好，不含松香的焊接劑對銅和銀的焊接效果較好。當(dāng)金屬部件暴露于空氣之中時，未存在保護的金屬表面可能會出現(xiàn)氧化層，金屬表面發(fā)生氧化之后，在電路板組裝焊接時，氧化物會影響焊點的可靠性，助焊劑的作用則是去除金屬表面的氧化物和其余雜質(zhì)，對金屬表面進行化學(xué)清潔，同時助焊劑還可以便于保持焊料表面的濕潤性，便于確認(rèn)熔融后的焊錫材料在待焊接連接的金屬表面上的包覆程度。

松香焊接劑是最常用的焊接劑之一，除了將從松樹中提取的松香作為焊接劑的主要材料，在松香焊接劑中，還存在有不同種類的酸作為焊接劑的活性劑成分。根據(jù)酸的pH值和活性大小，進一步將松香型焊接劑區(qū)分為3個類別：

1)R型松香焊接劑:其特性比較溫和，活化劑的含量比較少，只能對待焊接金屬的表面進行簡單的氧化處理，由于其活性較低，在處理后，一般不會留下過多的殘留物；

2)RMA型松香焊接劑:該活化劑的活性較高，在焊接過程中，能夠?qū)﹄娮与娐钒宓暮副P和孔、組件的引腳進行處理，這種焊接方式雖然也會留下一些殘留物，但是殘留物對設(shè)備的影響較小，處理簡單；

3)RA型活化型松香焊接劑：和R型松香焊接劑、RMA型松香焊接劑相比，其活性較高，在焊接完成后，需要采取一定的措施對殘留物進行處理，一般可以采用去離子水(DI)對殘留物進行處理。

焊接的清洗劑選用原則一般為要求對電子電路板沒有腐蝕，同時污染較小，可以采用工業(yè)酒精、異丙醇（IPA）、去離子水（DI）、三氯三氟乙烷等作為清洗劑，主要目的是去除電子電路板表面殘留的焊接劑。

3 焊接工具和設(shè)備

焊接設(shè)備包括電烙鐵、波峰焊機、再流焊機和激光焊錫機等，根據(jù)需求選擇合適的電烙鐵能顯著提升焊接質(zhì)量和效率。在電子電路焊接中，通常采用低壓控溫的電烙鐵，烙鐵頭材質(zhì)多樣，包括鍍鎳、鍍鐵和紫銅材料。

圖2圖3 波峰焊原理圖示

波峰焊工藝工藝原理（見圖2、圖3）：通過加熱錫焊材料，使用特殊裝備和工藝，讓熔融的焊料通過泵送直接接觸待焊接位置。電路板波峰焊首先將焊料熔融為熔化的焊料，通過電動泵或者電磁泵對熔化的焊料進行定點定向噴流，形成數(shù)個波峰，使焊接電路板通過這些波峰，實現(xiàn)電氣電子元件在電路板上的焊接。焊接材料的波峰除了可以采用電動泵或電磁泵實現(xiàn)以外，也可以采用向焊接池中注人氮氣來產(chǎn)生。

其具體工藝流程：將電子元器件插人到電子電路板對應(yīng)的孔內(nèi)，在電路板靠近熔融池的一側(cè)涂覆上助焊劑，在對電子元器件和電路板進行預(yù)熱之后，啟動熔融池內(nèi)的電動泵、電磁泵或氮氣氣源，創(chuàng)造出焊接波峰，讓電子電路板通過這些焊接波峰并充分接觸，冷卻后切除多余引腳即可。其需要注意的是，波峰焊對電子元器件的耐溫等級有一定要求，熔融態(tài)的鉛錫金屬溫度可達到220~240°C。

圖4 再流焊工藝

再流焊機和再流焊工藝一般應(yīng)用在電腦和機箱板卡的焊接中，在再流焊劑內(nèi)部存在一個加熱電路，通過內(nèi)部加熱電路對空氣或氮氣進行加熱，將空氣或氮氣加熱到一定溫度后，把氣體吹到電子電路板上，電子電路板此時已經(jīng)貼好元器件，且在元器件安裝位置及元器件引腳的待焊接位置周圍，已經(jīng)提前涂覆了焊料，焊料在高溫氣體的作用下，熔融后與電路板連接，將元器件和引腳緊緊地固定在底板上，實現(xiàn)元器件與電路板的黏結(jié)。和手工焊接、波峰焊接相比，其溫度較低，焊接流程較為容易控制。再流焊工藝如圖4所示。

隨著電子電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，針對片狀元件，傳統(tǒng)的焊接方法已不再適用。最初，只在混合集成電路板組裝中采用了回流焊工藝，組裝焊接的元件多數(shù)為片狀電容、片狀電感、貼裝型晶體管及二極管等。隨著SMT整個技術(shù)發(fā)展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件(SMD)相繼出現(xiàn)，作為貼裝技術(shù)一部分的回流焊工藝技術(shù)及設(shè)備也得到相應(yīng)的發(fā)展。

圖5 激光錫球焊工藝

激光錫球焊是近幾年新導(dǎo)入的焊接方式，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件正在向小型化與集成化方向發(fā)展，內(nèi)部焊點越來越密集，對焊點質(zhì)量提出了更高的要求?；亓骱冈陔娮臃庋b與組裝工藝中應(yīng)用廣泛。然而，小型化的趨勢限制了回流焊的應(yīng)用。激光焊接技術(shù)具有局部加熱、非接觸加熱、快速升溫和降溫、良好的可控性和對各種材料體系的高度適應(yīng)性等優(yōu)點，適用于小型化電子器件的焊接方法，現(xiàn)已在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

激光錫球焊系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、CCD照相系統(tǒng)、供球系統(tǒng)、氮氣控制系統(tǒng)和焊接工作臺。激光錫球焊是激光熔化焊咀里的錫球，在保護氮氣的吹動下，落在焊點合接處形成冶金連接。相比波峰焊接和回流焊接，它有如下特點:

1) 錫球焊接是無鉛無松香非接觸式焊接，這是微電子行業(yè)很重要的環(huán)節(jié)，沒有靜電放電破壞，沒有粉塵污染,無需二次清洗。

2) 錫球焊接是局部加熱，避免了對周圍元件的熱損傷。

3) 錫球焊接機是基于激光技術(shù)和機器視覺技術(shù)的自動化設(shè)備，定位精確，焊接一致性好，自動化程度高于另外兩種焊接方式的現(xiàn)有機型，操作員人為的影響程度也遠(yuǎn)低于后者，可有效縮短生產(chǎn)周期。

4 結(jié)語

電子電路板的焊接技術(shù)正朝著更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展，特別是在石油鉆井領(lǐng)域，對精密電子元器件的需求推動了焊接工藝的進步。新型焊接材料如無鉛、低殘留焊料，以及更環(huán)保的助焊劑，不僅提升了焊接質(zhì)量，也減少了對環(huán)境的影響。激光錫焊技術(shù)的出現(xiàn)為焊接工藝帶來了革命性的變化，提供了高精度、低損傷的焊接解決方案。隨著電子設(shè)備的小型化和集成化，激光焊接技術(shù)將成為未來焊接工藝的發(fā)展趨勢，為石油鉆井等特殊行業(yè)提供更可靠的電子設(shè)備。

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