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焊接设备采购及焊接方法

作者:陈广
日期:2021-9-26


昨晚观看孟晚舟回家直播,联想今年接连发生的一件又一件具有划时代意义的事情,深感2021年是不平凡的一年、具有重大转折的一年、注定标榜史册的一年。

今年对于我个人的工作而言,也具有重要意义,这几年一直在学习、探索,思考如何进行物联网专业的教学。这个学期开始终于迈出了实质性的一步,开设《电子电路设计制作》这门课,以及在《网络通信》这门课中使用自己制作的开发板作为上课使用的实验设备。由于20级学生未开设《电子电路设计制作》,所以由我提供现成的PCB,学生买零件及焊接设备自己焊接,然后拿开发板去上课。两门课都需要自己焊接电路板,所以需要专门写一篇文章来讲解焊接设备的购买以及焊接过程中的注意事项。我自己的焊接水平属于入门级别,按理说没有资格写这样的文章,但本人也焊接了不少的电路板,掌握了不少的经验,写出来,多少也会有一些借鉴意义,避免新手踩坑。

焊接设备的采购

工欲善其事,必先利其器,不好的焊接设备一定会让你干活干得痛不欲生,焊接设备不一定要买贵的,但一定要买对的。

电焊设备

进行少量焊接时所使用的焊接设备包括:

图 1:焊接设备

电烙铁

电烙铁是早期使用的焊接设备,而早期的电子原器件基本为直插元件,直插元件的焊盘穿过电路板,铺满整个孔洞并覆盖双面电路板,它的焊盘为立体状,且紧紧箍住电路板,不易脱落,如图2所示:

图 2:焊接设备

直插元件的焊接需要使用较高的温度才能顺利完成焊接,电烙铁一般为温度恒定,不可调节,且温度较高,用来焊接直插元件是完全没有问题的,但如果用来焊接贴片元件,就不太适合了,所以不建议购买。

焊台

这是必须要购买的设备,可以把焊台理解为可以调节温度的电烙铁,可以调节温度非常重要,这样就可以使用不同的温度焊接不同的元件。如图2所示的贴片元件,它是一个0603封装的电阻,大小如平时我们所见的小蚂蚁大小,眼睛看有点吃力。原本我是考虑过全部使用直插元件制板的,但这样无法保证电路板在10cm×10cm之内,即使使用0805的贴片元件也无法保证所有的板都可以控制在10cm×10cm之内,所以最终决定主要使用0603封装的元件。

可以看到,贴片元件的焊盘平铺在板上,完全靠材料的粘力附着在板上,如果烙铁头的温度过高,并在焊盘上停留的时间稍长,很容易导致焊盘脱落,一个小小焊盘脱落,就可能导致整个开发板废掉。对于新手来说,可以调节温度很重要,将温度调低,随便怎么焊,停留多长时间焊盘都不会掉,这样就多了很多的试错机会。

下面我推荐几款焊台,我个人只用过白光的焊台,其它的焊台没试过,所以这里只针对白光焊台的进行介绍。

图 3:焊台
  • 上图A,是T12焊台,原本白光的淘宝店里是有卖的,90块钱。是最常用,也是别人极力推荐的焊台,可以说物美价廉,是新手的不二选择。但现在白光居然不卖了,网上倒是搜出不少,但却是三无产品,价钱也不便宜,不太敢买。这款焊台的优点是调温方便,数显实时温度,使用通用烙铁头,购买更换十分方便。

  • 图B是白光淘宝店卖的T12的升级产品,价钱是涨上去了,铬铁头换成了一体式的,不通用,太坑了!不建议购买。

  • 图C是936焊台,通用烙铁头,旋钮调节温度方便,缺点是没有数码管实时显示温度总是有点心慌,建议购买吧,毕竟价钱最便宜。

  • 图D也是936焊台,通用烙铁头,按钮调温度不太方便,但有数码管实时显示温度,价格适中,建议购买。反正我个人的购买建议就是图C和图D焊台,钱多就买D焊台。

  • 图E是我个人使用的焊台,其实也就是多了一个温度存储功能,可以保存三个温度,按圆形按钮可以直接跳至设置好的温度。缺点是烙铁头不通用,价钱是936烙铁头的2倍!家里有矿的可以考虑购买。

烙铁头

首先介绍常见的烙铁头种类:

图 4:烙铁头种类

一般焊台标配圆头,但现在没什么人使用圆头来焊东西了,所以买焊台的时候还是购买几个其它类型的烙铁头来更换圆头。一般刀头用来焊芯片最为方便,而刀头分大刀头和小刀头,而在焊接贴片元件和直插元件时,使用大刀头不是那么方便。所以,如果你想一个焊头走天下的话,最佳选择是小刀头(如图4所示)。记住!买焊台时,多购买一把小刀头,替换原装的圆头使用。一般情况下,也只能使用一个焊头来焊东西,不要指望焊元件的时候可以更换烙铁头,因为烙铁头很难拔,必须等到焊枪凉下来才能更换,怎么也得花个十来分钟,频繁更换的话根本等不起这个时间。

图 5:小刀头

我个人喜欢使用小马蹄头来焊接贴片原件及直插元件,使用小刀头来焊接芯片和Type-C,在焊电路板时需要在两种头之间来回切换,我的解决办法是多买一个焊接手柄,一个手柄装小刀头,另一个手柄装小马蹄头,换手柄不需要等待焊枪温度降下来。

烙铁头是需要养护的,在完成焊接时,头部上满焊锡,再拨电。下次使用时,使用钢丝网清除头部焊锡再工作。

热风枪

热风枪并不是必备品,可以不买,但有时又不得不用。实在需要使用可以到实验楼3楼物联网工作室,那里备有几台供大家使用。

热风枪可以用来焊接贴片元件。对于贴片元件来说,使用热风枪焊接是首选,原因是可以焊得非常漂亮。焊锡处于液态时,具有拉伸作用,可以将元件的引脚拉伸至焊盘中央。使用方法是在焊盘上滴锡浆,然后将元件放至焊盘,放歪点也没问题,热风枪吹后元件会自动回位,非常神奇。热风枪焊出来的东西看上去整齐划一,焊锡分布均匀。缺点是需要购买高价锡浆,而且锡浆放久了可能会变质,另外使用热风枪时控制不好容易吹跑元件。

我无法忍受自己焊出来的东西非常难看,所以一般会使用热风枪进行焊接。为规避以上缺点,

  • 在焊接芯片时,会先用热风枪先吹一遍,固定并放正芯片,然后再拿刀头拖一遍,将芯片焊劳固。
  • 在焊接贴片元件时,则正好相反,先使用烙铁头将元件焊在焊盘上,主要作用是固定和上锡,所有贴片元件焊完后,一般会焊得七扭八歪,不要紧,最后上助焊膏,然后拿热风枪吹一遍,焊出来的东西保证排列整齐,焊点饱满美观。

这种方法使用时间来换取质量,并非人人适用,我个人较少制板,所以可以使用。

热风枪的第二个作用是拆卸元件。芯片有几十个引脚,如果你想折下来,使用焊台是不可能实现的,贴片元件的拆解需要使用到热风枪。

加热台

加热台(图1所示)并不是必备品。它很好地规避了热风枪的缺点,不会将贴片元件吹跑,实际上它已经接近于批量生产所使用的波峰焊以及回流焊了。如果进行批量生产,而又不想花太多钱购买焊接设备时,它是最好的解决方法,一个10cm×10cm的加热台也就100来块钱。我个人买了一台,由于没买锡浆,所以用得不是很顺手,最后弃用,扔工作室给学生用了。

焊接耗材

焊锡

焊锡很重要,好的焊锡会让你焊得神轻气爽,差的焊锡会让你焊得怀疑人生。好的焊锡很贵,但绝对值得买,对于一般同学而言,买一捆基本可以用一辈子了。

焊锡分为有铅焊锡和无铅焊锡,有铅焊锡流动性好,熔点低(180度),但铅是有毒的,无铅焊锡熔点高(240度),流性稍差,不含铅。对于初学者来说,由于焊接温度不能调太高,所以还是建议使用无铅焊锡,反正也不是长时间在这种环境下工作,所以环保上问题也不是很大。

焊锡的按形态分为:

图 6:焊锡

锡丝是烙铁专用的,所以必须要买,我个人习惯使用0.8毫米直径的锡丝。在购买时一定要买含松香的锡丝,焊接时更为方便,流动性更好。锡丝的好坏主要由三方面决定:

  1. 流动性好
  2. 熔点低
  3. 焊点亮

本人使用过的牌子不多,爱修哥这个牌子还算好用,主要是焊点够亮。

锡浆一般用于批量生产,这需要打板时制作钢网,也就是一块跟电路板一样大小的钢板,在焊盘位置留孔,将钢网和电路板贴在一起,然后刷锡浆,钢网拿开后,锡浆留在电路板上,使用贴片机将电子元件放置在锡浆上方,电路板放入烤炉加热焊接。单件焊接使用热风枪时也可使用锡浆,这时就可以购买针管式锡浆了,焊接时将锡浆点在焊盘上,然后使用热风枪加热焊接。个人不建议购买,焊接成本太高。

助焊膏

图 7:助焊膏

助焊膏必须要买,没有助焊膏,是无法焊好Type-C接口和芯片的。助焊膏的作用和松香一样,都是增加焊锡的流动性,本质上,助焊膏就是液态松香。焊锡长时间的高温会导致松香蒸发干净,这时焊锡流动性会变差,焊点表面变得坑坑洼洼,而不是一个完美的曲面,还会增加虚焊的可能性。此时,涂点助焊膏再焊就可以完美解决问题。注意,如果买的是盒装助焊膏,不要用棉签涂助焊膏,因为这样很容易导致棉丝留在电路板上,应该使用牙签挑一点助焊膏进行涂沫。

焊接辅助工具

镊子

图 8:镊子

镊子是必备品。前面说过,0603封装的电子原件和蚂蚁差不多大小,用手是没法捏住的,只能使用镊子夹住方能准确放置。镊子分为直头和弯头,根据个人喜好买一个即可。

放大镜

图 9:放大镜

放大镜也是必备品,用于查看焊接质量,大镜面很少使用,一般使用的是手柄上的凸透镜,它可以清晰地查看芯片引脚以及Type-C引脚是否有连锡现象。如果有连锡,则需要涂助焊膏,使用烙铁重新拖动焊接。

焊接方法及注意事项

请按以下顺序焊接各类型电子原件:

芯片 ——> 贴片元件 ——> Type-C接口 ——> 直插元件

在购买电子元件时,一般淘宝店会把每种元件放在一个塑料袋内,袋表面上贴有元件相关信息。我们在焊接完一个元件时一定要记得立即将剩余元件放回袋内,不要将多个不同元件同时放在外面并混杂在一起。这是因为贴片电容表面是没有任何标注的,大家都长得一样,如果放混了就没办法分清楚了。

芯片的焊接

芯片的焊盘非常细小,新手绝对不能使用高温焊接,将焊台温度调至250至300度之间。

  1. 首先将芯片各引脚对齐焊盘,这需要耐心,或许会有些困难。注意,芯片上的圆点或三角对着开发板上的圆点或三角放置,不要放反了。
  2. 铬铁粘少量焊锡,用手指或镊子固定住芯片,焊接芯片某个对角上的一个引脚。
  3. 继续观察芯片是否对齐(如看不清可使用放大镜),如没有对齐则继续微调。然后焊接芯片另一对角上的一个引脚。
  4. 继续观察芯片是否对齐(使用放大镜),如果没有对齐,则用烙铁头熔解某一对角上的焊锡继续调整。
  5. 确认引脚对齐后,给芯片某一边引脚上一层助焊膏,在刀头上些许焊锡,延边拖动刀头焊接,然后延引脚方向拖动刀头。
  6. 重复第5步,完成四个边引脚的焊接。
  7. 使用放大镜观察是否有连锡现象,如果有,则涂沫助焊膏,并使用刀头延引脚方向拖动焊接,直到连锡消失。

如果焊了多个引脚后发现芯片放歪了,就去工作室拿热风枪重新焊吧。

焊芯片难度最大的是引脚对齐,如果实在无法对齐,就使用热风枪吧,简单多了:

  1. 在焊盘上涂沫助焊膏,然后使用刀头给焊盘均匀上锡。
  2. 重新涂助焊膏,然后放置芯片,引脚差不多对齐即可,歪点不要紧。由于助焊膏有粘性,所以可以固定住芯片,较为容易调整。
  3. 根据芯片的大小决定是否将热风枪的前端枪嘴拆掉。调至250-280度,对着芯片吹。焊锡熔解后芯片会自动对齐。
  4. 重复之前的第5、6步,使用烙铁头焊接芯片。这一步本来不应该做的,但可能我用的焊锡不太好,直接吹总是会出现虚焊,只能用刀头再焊一遍才行。

上面讲的是LQFP封装芯片(芯片引脚外露)的焊接,如果芯片是QFN封装(引脚在芯片底部且不外露),可以参考以下视频(注意,不要学视频中的使用棉签挑助焊膏,应当使用牙签):

https://www.bilibili.com/video/BV1rQ4y1K79c?from=search&seid=3013595235012953648&spm_id_from=333.337.0.0

LQFP封装的焊接也可以上B站找视频看,多实践,找到合适自己的焊接方法。

需要注意的是AM22E并非芯片,而是模组,本质上它也是一块开发板,将芯片及外围电路焊在里面,然后用铁盖盖住。对齐和焊接都比较容易,但由于其背部有9个引脚,无法直接使用烙铁头焊接,只能使用热风枪和加热台进行焊接,所以这块模组需要拿到工作室统一焊接。

图 10:AM22E芯片

贴片元件的焊接

贴片元件的焊接方法很多,一般是先焊一边固定,然后再焊另一边。手脚慢一点,焊点会非常难看,且容易虚焊。这时上点助焊膏重新点即可。这个可以上B站找视频学习。需要注意的是焊台温度调至280-320度之间,如果手慢,则不要超过300度。另外GND引脚由于铺铜的缘故,需要铬铁头接触较长时间方能焊好。

LED灯焊接需要小心,烙铁头如果接触灯的部分,容易导致灯的损坏,此时需要将温度调至250度,尽量不要将烙铁头接触LED的灯的部分。

Type-C接口的焊接

Type-C接口比芯片更难焊,因为引脚更为密集。当初我焊坏了五、六个接口才掌握方法。焊台温度调至280至300度之间。

  1. 将Type-C固定在开发板上并对齐电路引脚。
  2. 烙铁头上锡,然后在引脚上拖动,连锡先不管,主要是先固定。
  3. 焊接固定座,此时需要将焊台温度调至410度,调这么高主要是因为固定座焊盘接GND(地),而电路板一般会GND铺铜,导致散热非常快,锡的流动性不好。焊完固定座后,一定要记得将焊台温度调回至280至300度之间,忘了这一步很容易导致Type-C焊盘脱落。
  4. 回头继续焊Type-C引脚,上助焊膏,象焊芯片一样焊Type-C引脚。注意使用放大镜观察是否有连锡现象。

继续参考上一个视频,后半部有Type-C的焊接:

https://www.bilibili.com/video/BV1rQ4y1K79c?from=search&seid=3013595235012953648&spm_id_from=333.337.0.0

焊完这些原件后,一般板子上全是助焊膏残留,开发板会非常难看。可以使用洗板水洗板将开发板洗干净。当然这是需要花钱的,不洗也无所谓。但如果要洗,则必需在焊直插元件之前洗,我使用的所有直插元件,如数码管、开关、点阵LED都不能接触洗板水。

直插元件的焊接

直插元件的焊接非常简单,将焊台调至380度,使用刀头同时贴住引脚和焊盘,将锡丝往焊孔里送,直至填满。注意,只要引脚的温度够高,焊锡会自动流入孔内。如果引脚为GND,且开发板铺了铜,则需要将温度调至410度,且烙铁头需要接触较长时间再送锡丝,否则焊锡无法自如流动。建议GND引脚统一焊接。

极性判断

电阻、电容、电感、磁珠和保险丝这些元件是不分正负极的,可以随便焊。但二极管、LED、部分类型的电容是有正负之分的,不能焊反。

二极管

二极管有横线一头为负级

图 11:二极管:1N4148W

图 12:二极管:SS14或SS220

LED

LED背面T字形的“T”中的一横为正,“T”中的一竖为负。LED正面有横的为负,这一点和二极管一致。

图 13:LED

钽电容

钽电容和二极管正好相反,有横线一极为正极。

图 14:钽电容

短路检测

焊接完成后,需要使用万用表测量GND和电源是否短路。注意,这一步一定要做,USB短路不是开玩笑的,我亲眼见过由于USB短路而起火烧坏电脑主板的,注意!烧坏的不是电路板,而是电脑主板。

请按下图所示进行测量,万用表工作室有。必须测量过后再接电脑!

图 15:短路检测

NB-IOT开发板焊接重要注意事项

由于同学没有热风枪,所以芯片无法焊接,需要统一拿到工作室焊接。这里需要注意2个零件必须要在芯片统一焊接后再自行焊接。

图 16:最后焊的两个元件
  1. 先焊接图16白所示的除自锁开关、天线底座外的所有元件。切记,千万不要先焊自锁开关和天线底座!
  2. 将开发板拿去工作室统一进行芯片焊接。
  3. 芯片焊接完成后,自行焊接图16所示的自锁开关和天线底座。

焊接并不难,难的是又快又好地焊接,这需要大量练习。我们并不需要做到又快又好,只需要较好就行了,完全可以用时间换质量,所以只需稍作练习,便可完成。再次强调,一定要注意焊台温度!最后给温度作个总结:

元件类型 温度
芯片 250-300度
贴片元件 280-320度
Type-C接口 280-300度
直插元件 380-410度
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