序言
由于很多公司開始面對無鉛焊接的工藝挑戰(zhàn)，手工焊接以及相關技術已經(jīng)被認為是制造中的關鍵因素，需要更過的研究與發(fā)展。
手工焊接一般發(fā)生在生產(chǎn)線的末端，這時的 PCB板已經(jīng)具有很高的內(nèi)在價值，所以手工焊接的過程控制是否正確對生產(chǎn)率與成本的高低有重要的影響。
本文討論涉及手工焊接的過程控制的幾個重要因素并討論如何適應滿足完成無鉛焊接的需要。
過程控制
現(xiàn)在許多生產(chǎn)商對衡量手工焊接質量的標準主要靠檢查烙鐵頭的溫度。隨著無鉛焊接溫度比傳統(tǒng)焊接溫度的提高，焊接熔點的提高，需要一種更為全面的衡量標準參數(shù)。
IPC 要求在一個固定時間段，手工焊接根據(jù)經(jīng)驗要達到最佳的焊點連接溫度。它不是強調絕對的焊接溫度，而是強調焊點的熱交換效率。諸如烙鐵頭的形狀尺寸，焊接時的功率輸出與焊接的時間長短都對焊點的熱交換效率有影響， 所以這些因素在檢測，控制與分析無鉛焊接過程時都應該考慮進去。
所以，手工焊接過程可以分為以下幾步：
（A） 烙鐵頭應該清理干凈，上錫，選擇合適的形狀以保持和焊點/焊盤最
大的接觸面積
（B） 烙鐵頭與焊點的接觸點的溫度應該在焊錫絲熔點以上40c 保持2-5
秒，在此期間助焊劑產(chǎn)生作用并揮發(fā)，焊錫絲熔化。
（C） 焊錫絲熔化以后，開始覆蓋焊點焊盤與通孔。
（D） 烙鐵頭離開焊點，熔化的焊錫凝固。
焊接處的溫度 
對任何手工焊接過程，焊接點形成的正確溫度對于形成優(yōu)質的焊點都是至關重要的，通過檢查焊接點金屬層的厚度與內(nèi)部金屬結構可以清楚地分析出焊接中傳遞給焊點的熱量是否正確。
焊接表面可以反映出焊點焊盤在電路板上形成是否良好。
控制焊點處金屬層厚度對于形成可靠的連接是很重要的。焊點內(nèi)部金屬形成速率與焊接溫度與焊接時間有關。如果烙鐵提供的熱量過大，會增大焊點金屬層的體積，從而導致焊點產(chǎn)生易脆的缺陷。提供的熱量過小，會使焊點熔化不足。

焊點金屬層厚度會反映出焊點的質量
（左側：溫度過低，中間：溫度合適，右側：溫度過高）
如下圖，焊腳處的焊點形狀與外觀可以反映出焊點的質量，不幸的是無鉛焊接
焊腳與有鉛焊接的焊腳外觀很不一樣

助焊劑的考慮
烙鐵傳輸?shù)臒崃空�確與否也影響到助焊劑的運用。
普通的助焊劑由以下成分組成，它們的沸點如下：
酸 (Adipic, Glutaric) 200C-260C
酒精 (Ethanol, Propanol) 78C-180C
水 100C

酒精與部分酸的沸點低于普通的手工焊接溫度。所以為了避免防止助焊劑在過早地揮發(fā)，使助焊劑有充分的時間起作用，保證焊接烙鐵不要提供焊點過多的熱量和過高的溫度是很重要的。 
助焊劑的選擇對于形成良好的焊點也是重要的。隨著焊接溫度的提高，氧化的速度也提高，由于無鉛焊接具有較弱的親和力，需要助焊劑有較“強”的作用，所以焊錫絲中的助焊劑含量應該從普通的1%提高到2%（體積百分比）。 
較強的助焊劑的使用，需要更多的對PCB板的殘余焊接物的清洗，因為很多企業(yè)已經(jīng)采用非清洗焊錫膏，增加對殘余焊接物的清洗勢必增加相應的環(huán)境問題。

加熱曲線
為了形成良好的焊接，保證在熔點溫度以上40c 的時間在2-5 秒， 我們需要烙鐵提供相當?shù)臒崃俊４蟛糠制髽I(yè)采用無鉛焊接時，選擇的焊錫絲是采用SAC合金（Tin/3.8 Silver/0.7 Copper eutectic ）。它的熔點為217C, 焊接溫度則應為257C, 選擇SAC合金則為260C.
按照以上說述，可以得到以下的理論曲線：

當烙鐵頭和焊錫絲與焊點接觸時，我們從上圖可以看到溫度迅速上升，在這段時間助焊劑揮發(fā)并起作用。當溫度升到熔點以上時，焊點開始熔化。然后維持大約4秒，烙鐵移開，焊點凝固。
注意上面的曲線，在從液相變?yōu)楣滔鄷r，曲線有一個凹段。
但是在實際操作上，操作者很少能夠將烙鐵停留到焊點2秒以上，所以實際的曲線是下面的，在短時間內(nèi)，加熱有一個峰區(qū)，很多的熱量在此傳遞給焊點。

比較上面2個曲線，可以看到焊點實際達到的溫度比推薦的熔點以上40C要高，但時間要短。然而，如果考慮到烙鐵傳遞的熱量為溫度與時間的函數(shù)，二者的熱量應該做到差不多才對。
從下圖可以看到2個曲線在熔點217c 以上的面積是相等的。

為了更說明問題，我們做這樣一系列的曲線在4層PCB板通孔上試驗獲得，一個K型熱電偶穿過通孔，通孔的選擇是考慮到最少有的手工焊接情況，以適應無鉛焊接的普遍情況。這時候，將焊接管腳插入4個同樣的孔進行手工焊接。
我們進行以下比較試驗：
第一組試驗是采用常用的鑿型烙鐵頭，烙鐵頭溫度為395C, 采用60/40 Sn/Pb有鉛合金焊錫和Sn/Ag/Cu無鉛合金焊錫重復試驗。
第二組試驗采用無鉛焊錫Sn/Ag/Cu在2個不同的烙鐵頭溫度395C and 335C下進行比較試驗。
從第一組的實驗結果看出，曲線的峰值溫度和在助焊劑作用區(qū)溫度升高的斜率都是非常相似的。不過你可以看到采用無鉛焊接比有鉛焊接在時間上有0.2-0.5秒的滯后，這很可能是由于無鉛焊接Sn/Ag/Cu 合金比有鉛焊接Sn/Pb合金有較弱的焊錫親和力。

第二組試驗比較2個不同的焊接溫度下的情況。可以看到，較低的烙鐵頭溫度有比較長的焊接形成時間，到達最高溫度也比較低盡管溫度差并不大。令人感興趣的是，在助焊劑作用區(qū)溫度升高的速度對于較低溫度的烙鐵頭反而比較快，雖然整個的焊接時間是相似的。

由此我們可以得出以下幾個結論：
1. 由于無鉛焊接的 Sn/Ag/Cu 合金焊錫的焊接親和力較弱，焊接的時間有一點延長。
2. 助焊劑的活化作用與焊點的最高溫度受合金成分的影響很小。
3. 焊點的最高溫度受烙鐵頭溫度的影響比較大，如果你選擇了合適的烙鐵頭尺寸，并且在焊點處有良好的熱傳導，這一影響在焊接的開始時間會有所減小。
客戶必須在焊接時間，消耗成本，正確的焊接數(shù)量之間選擇最佳的平衡點。提高焊接溫度可以改善無鉛焊接的合金焊錫親和力比較弱的缺點，并且試焊接的時間縮短，但是這樣做的危險性是有可能損壞PCB板和芯片，同時會影響助焊劑的作用效果。
另一個選擇是設法增加和維持較高的熱傳導效率，這樣既可以減少損壞PCB板和芯片的危險，又可以使焊接成本保持盡可能低的水平。
最佳的熱傳導。
標準的烙鐵頭是由以下成分構成：

注：chrome( 鉻)nieckel( 鎳)iron ( 鐵)copper (銅) tin ( 錫)
采用銅的原因是它有良好的熱傳導特性，鐵的作用是可以防止銅的耗散并保護銅的外形，最外側的涂層（必須是無鉛焊材料）使烙鐵的焊接具有好的沾錫特性-形成好的熱傳導特性。對這涂層的保護對于形成最佳的熱傳導極為關鍵。(鉻與鎳的作用是防止在焊接中焊錫滲入烙鐵頭內(nèi)部)另外一個重要的選擇是挑選正確的烙鐵頭幾何形狀，它的大小應當與被焊接的元件相當，平的烙鐵頭比圓的烙鐵頭有更大的接觸面積，從而有更好的熱傳導特性。

烙鐵頭壽命
一般來說，所有的烙鐵頭當采用無鉛焊合金涂敷表面以后，壽命都要有所下降，因為：
1. 錫的含量增大，而錫會腐蝕烙鐵頭中鐵的的涂層。
2. 無鉛合金的熔點較高。烙鐵頭被腐蝕的速度與溫度成比例。
3. 鐵的涂層有較高的氧化率。
4. 助焊劑有更強的腐蝕性。

由于材料本身的特性，烙鐵頭的被腐蝕是無法避免的。
所有的涂層表面都有缺陷存在，如下圖的裂縫所示。

焊錫熔化以后勢必沿這些裂縫往里面滲透。這種損壞被稱為初始的損傷，大部分使用時間（約90%）導致烙鐵頭的這種損傷。

一旦熔化的焊錫穿透鐵的鍍層進入到銅的內(nèi)部，銅材料就會迅速被破壞，烙鐵頭的壽命就終止。10%的使用時間導致烙鐵頭這種損壞

增加貼得鍍層厚度雖然可以增加烙鐵頭的使用壽命，但是將導致烙鐵的熱傳導特性下降，所以并不能以為鍍層厚度越厚越好。

良好的鍍層與對烙鐵頭很好的維護對改善烙鐵頭的熱傳導特性與延長烙鐵頭的使用壽命有重要的影響。

無鉛焊點的外觀
一般來說，無鉛焊點的外觀與有鉛焊點的外觀完全不同。
IPC正在開始制定關于焊點外觀的標準，不過許多公司有他們自己的標準。對于生產(chǎn)者來說，實施這種新的標準與培訓也是同樣重要的，不然操作者與質量檢測人員會抵觸這種新的標準，從而導致不必要的返工。
以下是典型的無鉛焊點的例子。

總的結論
如果要避免因為過高的溫度對元器件的損壞，在手工焊接時必須考慮以下條件：
1. 烙鐵頭的幾何形狀與尺寸要選合適，以保證烙鐵頭對焊點有良好的熱傳導。
2. 焊錫絲中的助焊劑含量與作用強度要選擇合適。增加助焊劑的含量有助于改善熱傳導，但會增加清理的困難。助焊劑的作用強度適當是重要的。
3. 烙鐵頭的溫度要能夠升高的一定的溫度，這對于焊點最后形成的溫度與保證助焊劑的作用強度是很重要的。
4. 現(xiàn)在的烙鐵頭溫度在多數(shù)場合下只要烙鐵頭幾何形狀與尺寸選擇正確是可以應用的，較高的烙鐵頭溫度對于某些熱量需求較高的焊接或許是必要的。

無鉛焊接要比以往的普通焊接要求更加嚴格的工程控制，所以手工無鉛焊不僅對于烙鐵頭溫度有更高的要求，而且對于烙鐵頭的幾何形狀，烙鐵頭輸出的功率以及良好的熱傳導速度也同時有更高的要求。