從設計工程師角度來看焊接的藝術

作者 : Asem Elshimi,Silicon Labs IoT無線解決方案RFIC設計工程師

筆者已經在半導體產業工作很多年,直到前陣子才第一次進行焊接操作。為什麼呢?因為實驗室總有人幫我忙。必須承認,我在焊接方面起步較晚的另一個原因是因為我連最基本的焊接也不懂,當我第一次走進焊接指導老師的實驗室,他對我說:「焊接就像學習彈吉他一樣,需要付出努力並充滿激情。」

筆者已經在半導體產業工作許多年,但直到前陣子我才第一次進行焊接操作。為什麼工作了這麼久才開始焊接?因為實驗室總是有人幫我焊接。必須承認,我在焊接方面起步較晚的另一個原因是因為我連最基本的焊接也不懂,將實驗室的小任務外包可以提高效率,使我們可以專注於更重要的事。當然,這不利於提高焊接技術。

長話短說,焊接是我在Silicon Labs接受新員工培訓的一部分,專案負責人鼓勵我學習如何焊接。毫不誇張地說,足以改變人生的工作經歷開始了。焊接是一門藝,實驗室技術員毫無保留地指導我完成人生的第一個焊接任務,將一個很小的0201元件焊接到重複使用的PCB上。當我第一次走進指導老師的實驗室,他就對我說:「就像學習彈吉他一樣,焊接需要付出努力並且充滿激情。」

圖1 烙鐵頭碰到0402封裝中一個電容一端的焊錫。

圖2 焊接指導老師特別允許我使用配有顯微鏡的工作台。

我就開始了第一個焊接任務。焊接老師給我用來練習的PCB、烙鐵、鑷子(要根據焊接元件的大小來選擇)、吸錫線、焊芯和助焊劑——當然還有一些電子元件。然後,他特別允許我使用配有顯微鏡的工作台。

我完全沒有任何焊接經驗,開始的半小時只能盯著顯微鏡下面的元件發呆。我自言自語道:「我一直就在模擬和測量這些元件。」我腦子裡關於電路元件的那些概念、思想和理論突然與很小的金屬封裝規格連結起來,0201電容即使在顯微鏡下也很難看到,卻是我們有關電容工程知識和實踐的實際表達。

圖3 0201封裝中的2.7nH電感用肉眼很難看到。

我試著在板子上焊接元件,前兩次徹底失敗了。我焊上的焊錫不小心蓋住了元件,使元件的尺寸變大了一倍,看起來一點兒也不漂亮。電阻未平放在電路板上,一側的焊接看起來比另一側還要大,還有許多其他影響美感的問題。

幸運的是,在焊接中(如RF佈局及幾乎所有處理電磁訊號流的任務),漂亮的工作總是更好。理論和實踐都證明對稱和簡潔非常必要,如果焊錫不對稱,焊錫過多的PCB側會改變元件的電氣性能。在微電子領域需要避免這種錯誤。

圖4 如果需要焊接的元件很小,需要買一隻鑷子在焊接中使用。

能夠自信而整齊地將元件放置在PCB上而不損壞它,這需要長時間的實踐。焊接開始時,首先心裡要想著焊接物件,然後選擇要焊的板子,將其放在顯微鏡下,檢查準備焊接元件的焊盤區域。

焊盤乾不乾淨?如果不乾淨,則還需要做一些事。在焊盤上施加助焊劑,之後,一隻手拿烙鐵,另一隻手拿一根吸錫線,並將吸錫線放在不太乾淨的焊盤上,讓烙鐵頭靠近。不時從顯微鏡外察看,確保不會將烙鐵頭朝自己或手臂方向移動。烙鐵頭的溫度為800℉ (426.7℃,有時我很好奇烙鐵頭本身怎麼不熔化)。

將烙鐵頭輕輕放在吸錫線上,並將其壓向電路板。等待焊錫熔化並流向熱源這一勝利時刻——這就是加助焊劑的原因,助焊劑會使焊錫流向更熱的地方。然後抓住吸錫線,收拾乾淨不想要的焊錫。是不是變乾淨了?如果沒有,重複該過程,別害羞,這一過程可以多重複幾次。一種更好的做法是將一些焊錫黏在隨機選擇的焊盤上,一遍又一遍地清潔它,使自己對清潔過程感到舒服。焊盤清潔之後,就可以將元件焊到上面了,這時,需要焊上一些焊錫。是的,在我們剛去除焊盤上的所有焊錫後,要焊上一些新鮮的焊錫(我知道不同的人對此操作可能有不同的意見,我自己更喜歡使用新焊錫,而不是重複使用,因為這樣會整潔一些)。

現在,要開始焊接了。在焊盤上塗一些助焊劑,一隻手握住烙鐵,另一隻手握住焊芯。調整雙手,使其盡可能靠近焊墊,並透過顯微鏡察看,使烙鐵和焊芯非常靠近焊盤。

馬上就會看到焊芯開始在焊盤上形成焊接,這時需要將烙鐵和焊芯移開。這並不容易,在感到滿意之前,可能不得不將這一過程重複一百次——就像為了掌握吉他和絃的基本手法可能需要練習一百次一樣。

現在用鑷子夾住要焊接的元件,用自己感覺舒適的方式握住鑷子,稍後試圖將這個元件推進0.01mm。將這個元件靠近剛剛焊上新鮮焊錫的焊盤,用另一隻手移動烙鐵,讓烙鐵頭碰到焊盤上的焊錫。一旦焊錫熔化,快速而平穩地移動元件(用鑷子夾著的),使其碰到事先焊好的焊錫,沒錯,這一操作也需要大量的練習才能熟練。

現在還需要將元件的另一側焊接到PCB上,這一操作是利用焊芯並快速加熱元件的一側來完成。如果有足夠的助焊劑,焊錫將在瞬間接碰到元件與焊盤。完成了!或者再來一次,使其外觀/工作效果更好。

對PCB和元件進行的操作有很多。將新元件連接到焊盤絕對是第一步,但在焊接中也可能需要拆下一個元件並焊上另一個元件,拆下一個元件而不損壞它並再次焊上也需要技巧。

IC封裝焊接的複雜程度更高。焊接指導老師曾跟我講過一個研發專案如何使用多餘的焊錫來改善匹配網路的特性。

透過學習焊接,我明白了需要學習的東西太多了。每當我自認為已掌握焊接技術時,就會出現新的挑戰,當然,這沒什麼好擔心的,工程師非常樂於接受挑戰。

與工作中可能遇到的大多數其他工程任務不同,學習焊接的最佳方法是透過實踐而不是閱讀相關書籍和文章。雖然書籍可以作為擴展某些技術問題或得到專家經驗的有用資源,但學習焊接的最佳方法是自己動手!

尋求他人的建議也很有幫助。公司的實驗室技術員擁有專業技能,他們可以在一小時內焊接好一些晶片,而且都可稱為藝術品。在回答一些簡單的問題之後,他們通常會分享許多有用的小技巧,這些技巧不是從書上學到的,而是透過反覆實踐得來。

最後,一位聰明的工程師同事建議:「我們每個人必須掌握自己的命運。」換言之,在一個專案中,當你承擔更多的工作時,責任感就會增強,且這個專案就變成了你自己的創作。

換句話說,作為一名設計工程師,它會極大地幫助你學習焊接技術。擁有這項基本技能,下次你就可以更快地查明可疑的開路焊錫,與焊接專家的交流也會變得容易一些,因為你學會了他們的語言,瞭解了他們的超凡能力。

本文作者免責聲明:這不是焊接的技術介紹。取而代之的是,筆者分享了我對PCB焊接的見解和個人經驗,這些都改變了我在IC實驗室工作的時間的看法。

(參考原文:The art of soldering from a design engineer’s perspective,by Asem Elshimi,EDN China Jenny Liao編譯)

 

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