助焊剂怎么使用（助焊剂实用指南）

40 多年来，我一直在教导完美的焊接很容易——焊锡会起作用。然而，大多数没有参加过我的焊接科学©课程的人并没有发现焊接那么容易，并质疑我的理智。因此，让我补充一下：只要我们使之变得简单，完美的焊接就很容易。困难的部分是学习什么使焊接变得容易。也许没有什么比了解助焊剂的选择和正确使用更重要的了。

互联网上不乏有关通量的文章。不幸的是，大多数（不是全部，而是大多数）免费建议都物有所值。数十家制造商各自销售数十种助焊剂配方，几乎所有这些配方都是客户不知道的专有秘密，而且他们都在上市后的材料中提出可能具有误导性的声明，在某些情况下还具有欺诈性。（当心“中性 pH 值”通量。）任何知道足以区分什么是有效的和什么是垃圾的人可能不需要研究。关于助焊剂的真正有意义的文献（其中一些在互联网上免费，但通常在付费墙后面）是由化学家为化学家编写的，对于实际使用助焊剂的人来说完全无法理解。即使是术语也可能难以理解。以下，用简单的英语，是用户需要了解为何需要助焊剂、助焊剂的成分及其作用以及一般问题的核心。第 2 部分将解释助焊剂类别、如何阅读助焊剂制造商的技术数据表，以及如何确定各种情况下的最佳助焊剂。

这是两部分系列的第一部分，解释了助焊剂的基本原理。第二部分将解释电子助焊剂的各种类型和分类，以及在为特定用途选择助焊剂时应考虑的参数。

助焊剂有什么作用

理解通量需要理解它的作用。与大多数与焊接有关的事情一样，这始于润湿力。

焊料流动称为润湿。当焊料像元件引线一样流过表面时，据说会“润湿”表面。不流动是不润湿的。很多人所说的“冷焊”其实与缺热无关；它只是不润湿的。（我更喜欢我在英国学到的术语：“干式关节”。）

四种自然力决定润湿量。两种力对焊料流动起作用，称为“负润湿力”。他们是：

表面张力：液体表面的原子被液体中的原子吸引。一些液体具有非常低的表面张力，而另一些则具有较高的表面张力。要查看差异，请在玻璃等无孔表面上倒入少量酒精（非常低的表面张力）。然后对水做同样的事情（更大的表面张力）。酒精容易变平和扩散，而水则容易形成珠状。焊料的表面张力比水强得多（无铅焊料比含铅焊料大）并导致焊料形成球体（众所周知的“焊球”）。表面张力是最强大的负润湿力。

摩擦：物体在另一个物体表面上移动时的阻力称为“静摩擦”，但液体中也存在摩擦（“粘度”）。这两种力都对焊料润湿起作用，但不如表面张力那么重要。

第三种力（重力）有助于或阻碍润湿：

重力：把它想象成重量，拉向地面。重力有助于在施加焊料的位置及其下方润湿（例如，如果手工焊接，则进入电镀孔），但会阻止焊料施加点上方的润湿（对抗波峰焊中 PTH 的垂直填充）。

这三个力的总和是负的，即不润湿。润湿需要第四种力量——比其他三种力量的总和更强。该力是纯表面金属和焊料之间的原子间吸引力。请注意对纯（元素）金属的强调。作为良好导电体的金属原子是不稳定的；他们想与其他元素结合以共享电子。生成的化合物没有反应能（通常的术语是“被动”）并且不会吸引焊料。

当焊料涂在纯金属表面时，表面金属和锡（焊料）之间会产生很强的吸引力。吸引力超过了负润湿力，焊料润湿，流到焊盘和引线上或向上通孔。同时，锡和表面金属之间的化学反应会产生一种称为金属间键的化合物。在铜的情况下，生成的金属间化合物由 3 个铜原子和一个锡原子（即 Cu 3 Sn）结合而成，熔点为 1248°F/676°C。

更多关于氧化和脱氧

润湿需要将焊料应用到纯金属上。但是在普通电子产品中发现的金属表面（金 [1] 除外）不是纯金属；它们被惰性化合物——金属氧化物覆盖。为了实现润湿，必须在使用焊料之前去除氧化物。

金属氧化物是由金属原子和氧原子之间的化学反应产生的。只要纯金属表面暴露在氧气中，反应（“氧化”）就会立即开始。在那一刻产生的氧化层足以防止焊料原子和氧化物下方的元素金属之间的必要接触。然而，氧化可能不会随着表面氧化而停止。只要氧原子可以到达氧化物下方的金属原子，进一步的氧化就会继续。

在分子水平上，氧化层并不是像桌面那样连续的薄片；它是多孔的。把它想象成类似于一个窗口屏幕。如果氧化物孔隙大于氧原子，氧气将通过孔隙到达下面的纯金属并产生更多的氧化物。 [1]

氧化物孔隙率取决于金属。氧化铁（锈）具有大孔，而不锈钢（主要由铁组成的合金）的孔比氧分子小。孔隙率的差异解释了为什么铁最终会完全氧化（“生锈”），而不锈钢几乎可以永久存在；不锈钢氧化层保护下面的金属免受氧气的侵害，而氧气很容易通过多孔锈层到达任何剩余的纯铁。

铜和锡可以比不锈钢更彻底地氧化，但最终孔隙会关闭并且氧化停止。同样，从窗纱的角度考虑氧化物是有帮助的。一个单一的屏幕是可渗透的，但堆叠许多屏幕，每个屏幕只有轻微的偏移，最终形成一个不可穿透的屏障。

“可焊性”和“助焊性”

可焊性和助焊性的概念——这两个词看起来可以互换，但实际上具有非常不同的含义——对于理解焊接和助焊剂至关重要。“可焊性”是从一系列零件中去除氧化物的难度，并且是相对的而不是固定的条件。如果 A 部分比 B 部分更容易脱氧，则称 A 具有更好的可焊性。锡比铜具有更好的可焊性，铜比镍具有更好的可焊性。然而，在同一金属的不同部分中，一些可能具有较少的氧化物，因此比其他金属具有更好的可焊性。组件的可焊性通常会随着时间的推移而降低。较新的零件通常比具有相同金属表面的旧零件具有更好的可焊性。

尽管它们可能看起来像同义词（并且经常被混淆），但“可焊性”和“助焊性”的含义非常不同，并且差异很重要。助焊性完全与所使用的助焊剂有关。虽然可焊性是比较的（A 部分比上面的 B 部分具有更好的可焊性），但可焊性是二元的（是的，它是可焊的，或者不是，它不是）并且仅对所使用的助焊剂有意义。如果要使用的助焊剂将在可用时间内使零件脱氧，直到施加焊料，则该零件是可焊接的。如果助焊剂不能在这段时间内去除所有氧化物，则该部件不可焊接。

我们指定为比 B 部分具有更好可焊性的 A 部分可能无法使用我们的助焊剂进行焊接。

去除氧化物的难度（可焊性）由两个因素决定：氧化物的量。较厚的氧化物意味着脱氧将更加困难，因为：

1. 脱氧是一种化学过程，其中酸在与氧化物的反应中被中和。（化学反应会产生水和金属盐。）酸成分可能会在所有氧化物被去除之前耗尽。

即使酸没有被耗尽，在表面氧化物被去除之前，表面氧化物下面的氧化物也不能被去除。在使用焊料之前，可能没有足够的时间去除所有氧化物。 [1] 重要的是要记住，足以消除原子间吸引力的氧化将立即发生，脱氧需要时间。所需的时间可能很短暂，但却是真实的。

[1] 助焊剂在手工焊接中的工作速度必须比表面贴装回流焊或波峰焊快。在手工焊接中，用于激活助焊剂的热量来自烙铁，并且焊料在使用烙铁后很快就会熔化。在机器焊接中，在焊料熔化之前加热几分钟（或者，在波峰焊接中，接触要焊接的区域）。这种长时间的预热意味着活化助焊剂有更大的机会去除较厚的氧化物。然而，如果可焊性问题是金属的类型而不是氧化物的数量，那么工作时间就无关紧要了。

1. 金属类型。锡和铜的氧化物很容易去除。脱氧镍（与氧的键合更强）要困难得多。不锈钢、铝和钛很难脱氧。与普遍的看法相反，并非所有闪亮的银色表面都容易脱氧。脱氧铬是一种闪亮的银色金属，比脱氧不锈钢更硬。

但是，如果在焊料应用之前可以形成新的氧化物，那么去除氧化物是没有意义的。例如，砂纸可以去除氧化物。水管工一直在沙管。[1] 但打磨后的表面会立即形成新的氧化物。新的氧化物层可能只有一个分子厚，但那个微小的层没有表面能，不会发生润湿。去除氧化物是不够的。必须防止形成新的氧化物。

助焊剂可以定义为在可以施加焊料之前去除氧化物并防止形成新氧化物的任何材料。

虽然它可以去除氧化物，但砂纸不能防止再氧化，也不是助焊剂。但是许多材料可以防止再氧化以及去除初始氧化物。其中一些材料可能令人惊讶。例如，氢气用于焊接一些小型高频无线电模块，即使少量的助焊剂残留物也会导致不可接受的高电流泄漏。 [2]

除了稀有但很少使用的材料，如氢气或甲酸/氮气，所有电子级助焊剂都包含：

酸（由于早已被遗忘的原因，工业界坚持将其称为“活化剂”）以去除氧化物。电子级助焊剂中的酸通常非常温和。柠檬汁比高可靠性助焊剂中的酸更有效。尽管用于管道等用途的极强助焊剂通常被称为“酸性助焊剂”，但这是一个草率的术语。

[1] 打磨管道可能具有非常厚的氧化层，可去除最重的氧化物并减少助焊剂所需的工作量。

[2] 将组件（放置在预成型焊料上）插入充满氢气和（惰性）氮气的烘箱中。在大约 660°F/350°C 时，通电的氢气会从成分氧化物中剥离氧气（形成水蒸气）。模块从烤箱中取出，焊料连接完全润湿，没有助焊剂残留。

电子助焊剂包含：

• 酸，即使酸不是很强。术语的精确性很重要。
• 涂层材料（“固体”也称为“车辆”，或者，如果你想用花哨的词来打动，“流变添加剂”）以防止氧气到达脱氧剂传统上，固体由松树汁中的松香组成，但树脂是一种常见且广泛使用的助焊剂类别，称为“有机 (OR) 助焊剂”，通常但不普遍含有乙二醇或甘油作为固体。松香不溶于水，但乙二醇和甘油是。大多数但不是所有的树脂都是水溶性的。本系列的第 2 部分将详细介绍不同的助焊剂类型。
• 溶剂（如果是液体助焊剂）。异丙醇 (IPA) 是最常见的溶剂，但存在水基助焊剂，[1] 主要用于有严重烟雾问题的地区。 [2] ,[3]溶剂的唯一目的是轻松应用进行实际工作的材料（酸和固体）。

助焊剂：液体松香还是固体松香？

一些助焊剂制造商添加了专有的特殊用途化学品（例如，表面活性剂以降低表面张力并获得更好的覆盖率）。它们可以被认为是固体的一部分。

[1] 脱氧是一种吸热化学反应，这意味着该反应需要热量，并且在较高温度下发生得更快，直到溶剂完全蒸发后才能达到。酒精的蒸发消耗很少的能量，但水的蒸发需要相当大的能量。

[2] VOC 与氮氧化物结合产生臭氧，臭氧是城市烟雾的主要成分。

[3] 水性和水溶性之间存在差异。醇基助焊剂的残留物可溶于水。这是焊后清洁的一个重要考虑因素。

酸度和脱氧

请记住，助焊剂需要时间才能发挥作用。时间可能不长，但它是真实的，必须考虑在内。另一方面，足以消除原子间吸引力的氧化作用会立即发生。一旦空气接触到纯金属，整个表面就会被一层一个分子厚的氧化物覆盖，表面能就会丧失。随着时间的推移，可能会发生进一步的氧化并降低可焊性，但润湿所必需的表面能会随着初始氧化而立即消失。因此，氧化会立即发生，而脱氧需要时间。

助焊剂去除氧化物的能力取决于其酸度，通常称为助焊剂“强度”，化学家除外。

强酸：

1. 比弱酸工作得更快，并且
2. 可以对更广泛的金属进行脱氧。能够使锡或铜脱氧的助焊剂的酸性可能不足以使镍或不锈钢脱氧，但能够去除不锈钢氧化物的助焊剂可以使锡或铜脱氧。

脱氧（如氧化）是一种化学过程，在较高温度下发生得更快。通常，第一次使用助焊剂时可能不是酸性的，但加热（“活化”）会导致最初的中性化合物分解并形成酸。一些以“中性 pH 值”出售的助焊剂在加热之前只有中性；当被激活时，它们会形成高度腐蚀性的酸，其中一些在焊接后会残留并可能导致故障。一种不同类型的“中性 pH 值”助焊剂以非常强的酸开始，在氧气存在下在高温下被氧化中和。即使是在室温下工作的酸在更高的温度下也能更快地工作（通常在 300°F/150°C 时达到最大活性）。

酸度通常被认为是 pH [1]，但 pH 仅适用于水（水）溶液的酸度。大多数助焊剂不是水基的，因此 pH 值无关紧要。非水溶液酸度的规格是“酸值”——中和一克助焊剂酸需要多少毫克氢氧化钾（KOH，一种碱），通常写为 mgKOH/g。酸值越大表示酸度越强。

氧化物去除是一场化学拉锯战。酸和金属都吸引氧气，氧气最终与施加更大吸引力的材料结合。如果助焊剂酸对氧的吸引力大于金属的吸引力，则氧化键断裂，氧与酸结合。如果氧化物键比酸的吸引力更强，氧化物将保持完整。更强（更高酸值）的酸比弱酸更能吸引氧气。因此，酸性更强的助焊剂可以去除更广泛的氧化物（或在更短的时间内去除相同数量的氧化物）。

[1] 如前所述，氢气可用作助熔剂。元素氢是离子型 (H ) 且具有高反应性。它也是负责脱氧的酸部分；除金属盐外，脱氧总是产生水。pH 值（源自旧术语“氢的能量”）由水中的 H 或氢氧根离子 (H2O) 决定。在 7.2，H 含量等于 HO 含量。在 7.2 以下，H 的数量超过 H2O，而在 7.2（基本）以上，H2O 离子更多。H 离子浓度越高，pH越低，酸越强。

鉴于强酸在脱氧方面比弱酸更有效，使用最强的助焊剂将消除所有润湿问题；所有表面都是可焊接的，生产会容易得多。不幸的是，酸残留物是离子的（带电原子），焊接后的残留物被称为“离子污染”。更强酸的离子携带更强的电荷，这意味着它们更具导电性（降低表面绝缘电阻，SIR）并具有潜在的腐蚀性。换句话说，可靠性随着助焊剂酸度的增加而降低。

离子污染失效的风险取决于助焊剂的酸度（酸度越高意味着风险越高），也取决于湿度。严重漏电、枝晶和腐蚀的风险会随着湿度的增加而增加。尽管具有相同的离子污染，但在亚利桑那州户外（接近零湿度）运行良好的组件在夏季可能会在迈阿密（非常高的湿度）遭受高故障率。

选择合适的助焊剂酸度是一种平衡行为。太强（就酸度而言，在涉及电子设备的情况下相当温和）可能导致 SIR 击穿或更糟糕的腐蚀故障。弱于产品可以承受的范围限制了可焊接部件的范围，并且没有额外的可靠性优势。“金发姑娘”选择是不会导致离子污染故障的最强助焊剂。某些类型的电子产品的正确选择可能对其他人来说是错误的；唯一知道的方法是通过严格的环境压力测试。

焊后清洁

但是为什么不在焊接后去除助焊剂呢？焊后清洁不能安全使用强酸吗？情况确实如此——如果可以实现完全移除的话。但它不能。或者，更准确地说，没有办法确定它可以。

焊接后，残留两种助焊剂成分：固体和酸。固体残留物，尤其是松香和一些树脂，很容易看到，但对可靠性几乎没有影响。松香不透潮，实际上通过充当保形涂层来提高可靠性。 [1] 另一方面，酸残留物（具有离子导电性和潜在腐蚀性）是不可见的。具有严重离子污染的组件可能看起来非常干净。另一方面，带有可见松香残留物的组件即使在高湿度环境中也可能具有完美的可靠性。

换句话说，在电子世界中，“干净”并不是一种美化条件。可以看到的可能不是可靠性问题。看不见的可能是灾难性的。几十年来，“干净”如何“干净”一直是一个永恒的问题。

要去除的材料的性质也会使事情复杂化。松香不溶于水（一种极性溶剂），但离子残基只溶于极性溶剂如水。另一类助焊剂（所谓的“有机酸”助焊剂）的固体和离子均溶于水，但不溶于酒精等非极性溶剂。

要去除的材料可以溶于清洁溶剂中，但前提是溶剂到达它们。现代电子组件具有几乎接触 PCB 的表面贴装元件主体，使得清洁溶剂和污染物之间几乎不可能完全接触。问题是助焊剂和清洁溶剂的相对表面张力。酒精基助焊剂（最常见的类型）具有非常低的表面张力，可以穿透小间隙和毛细管。它们很容易在低洼表面贴装元件下流动。但是去除离子需要使用极性溶剂，最常见的是水。然而，水的表面张力远高于酒精（助焊剂）的表面张力，这会阻止空腔的渗透。更复杂的是，自来水本身含有会污染电路的离子。从水（“去离子水”）中去除离子会导致表面张力增加。通常添加表面活性剂以降低水洗的表面张力，但这种效果会使溶液的表面张力高于助焊剂。喷涂、超声波振动和其他液压力将清洁溶液强制进入狭窄空间，但无法确定结果是否足以清除所有助焊剂残留物。很简单，没有办法确保清洁产生可接受的清洁度。即使电路的其余部分完全没有离子残留物，离子物质集中在导体（如元件引线）的一小部分区域中也足以导致故障。通常添加表面活性剂以降低水洗的表面张力，但这种效果会使溶液的表面张力高于助焊剂。喷涂、超声波振动和其他液压力将清洁溶液强制进入狭窄空间，但无法确定结果是否足以去除所有助焊剂残留物。很简单，没有办法确保清洁产生可接受的清洁度。即使电路的其余部分完全没有离子残留物，离子物质集中在导体（如元件引线）的一小部分区域中也足以导致故障。通常添加表面活性剂以降低水洗的表面张力，但这种效果会使溶液的表面张力高于助焊剂。喷涂、超声波振动和其他液压力将清洁溶液强制进入狭窄空间，但无法确定结果是否足以去除所有助焊剂残留物。很简单，没有办法确保清洁产生可接受的清洁度。即使电路的其余部分完全没有离子残留物，离子物质集中在导体（如元件引线）的一小部分区域中也足以导致故障。但无法确定结果是否充分去除了所有助焊剂残留物。很简单，没有办法确保清洁产生可接受的清洁度。即使电路的其余部分完全没有离子残留物，离子物质集中在导体（如元件引线）的一小部分区域中也足以导致故障。但无法确定结果是否充分去除了所有助焊剂残留物。很简单，没有办法确保清洁产生可接受的清洁度。即使电路的其余部分完全没有离子残留物，离子物质集中在导体（如元件引线）的一小部分区域中也足以导致故障。

清洁不仅不能保证可靠性，而且价格昂贵。清洁可能比焊接本身更昂贵。

如果清洁费用昂贵且并非万无一失，为什么还要费心清洁呢？使用可以留在组件上而不会降低可靠性的助焊剂更便宜且更可靠。存在“免清洗”助焊剂，是大多数电子组装应用的理想选择。但仅仅因为标签称助焊剂为“免清洗”并不能保证它是真正安全的。

这是助焊剂两部分解释的第 1 部分。我们已经涵盖了基础科学。第 2 部分将解释电子级助焊剂的详细信息，包括不同类型、分类系统、如何阅读助焊剂规格表以及选择适合任何情况的理想助焊剂。

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[1] 大多数无铅焊料主要由锡组成。与锡相比，锡/铅焊料中的铅相对惰性。

[2] 更准确地说，Cu 3 Sn 在焊料为液体时生成。焊料冻结后，熔点为 779°F/415°C的 Cu 6 Sn 5形式的金属间化合物继续以非常缓慢的速度形成。

[3] 氧化最初是指通过添加氧化物形成新物质。对于金属，这会导致电子从金属转移到氧气。化学家现在使用“氧化”来表示即使不涉及氧气，原子在形成分子时也会失去电子。当金属与氧结合时，金属会向氧失去电子。

[4] 黄金不会氧化。然而，它确实会与其他一些元素（例如硫）反应形成硫化物，这些硫化物与氧化物一样是惰性的。

[5] 更准确地说，由于大气中的氧原子通常成对移动 (O 2 )，因此氧化物的孔隙需要比氧分子大。

[6] 此外，与不锈钢氧化物不同，铁锈往往会剥落并露出下面的铁。

[7] 同时，如果 A 部分不可焊接，则 B 部分也不能可焊，尽管 A 部分可以是可焊的，但 B 部分也是如此。

[8] 助焊剂在手工焊接中的工作速度必须比表面贴装回流焊或波峰焊快。在手工焊接中，用于激活助焊剂的热量来自烙铁，并且焊料在使用烙铁后很快就会熔化。在机器焊接中，在焊料熔化之前加热几分钟（或者，在波峰焊接中，接触要焊接的区域）。这种长时间的预热意味着活化助焊剂有更大的机会去除较厚的氧化物。然而，如果可焊性问题是金属的类型而不是氧化物的数量，那么工作时间就无关紧要了。

[9] 打磨管道可能具有非常厚的氧化层，可去除最重的氧化物并减少助焊剂所需的工作量。

[10] 将组件（放置在预成型焊料上）插入充满氢气和（惰性）氮气的烘箱中。在大约 660°F/350°C 时，通电的氢气会从成分氧化物中剥离氧气（形成水蒸气）。模块从烤箱中取出，焊料连接完全润湿，没有助焊剂残留。

[11] 脱氧是一种吸热化学反应，这意味着该反应需要热量，并且在较高温度下发生得更快，直到溶剂完全蒸发后才能达到。酒精的蒸发消耗很少的能量，但水的蒸发需要相当大的能量。

[12] VOC 与氮氧化物结合产生臭氧，臭氧是城市烟雾的主要成分。

[13] 水基和水溶性之间存在差异。醇基助焊剂的残留物可溶于水。这是焊后清洁的一个重要考虑因素。

[14] 用外行的话来说，酸强度通常被认为是 pH 值，7.2 是中性的，较小的数字表示“更强”的酸。然而，化学家以非常不同的方式使用“强”和“弱”。化学术语中的“弱”酸是在水中至少部分保持完整的酸性化合物。“强”酸在水中完全分解（“电离”）。在无数的酸中，只有七种是“强”酸；其他人都是“弱者”。弱酸（例如，与盐酸不同，它会立即分离以释放氢离子和氯离子）。氢氟酸——所有酸中最强的一种——被归类为“弱”酸，因为它在水中大部分保持完整。出于我们的目的，我们将使用“强”和“弱”来表示酸效力。

[15] 如前所述，氢气可用作助熔剂。元素氢是离子型 (H ) 且具有高反应性。它也是负责脱氧的酸部分；除金属盐外，脱氧总是产生水。pH 值（源自旧术语“氢的能量”）由水中的 H 或氢氧根离子 (H2O) 决定。在 7.2，H 含量等于 HO 含量。在 7.2 以下，H 的数量超过 H2O，而在 7.2（基本）以上，H2O 离子更多。H 离子浓度越高，pH越低，酸越强。

[16] 松香残留物确实会对某些实际保形涂层的附着力产生负面影响，会污染测试探针，并且在固化之前会很粘。然而，现代“免清洗”松香助焊剂留下的残留物非常少。

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