40 多年來，我一直在教導完美的焊接很容易——焊錫會起作用。然而，大多數沒有參加過我的焊接科學©課程的人并沒有發現焊接那麼容易，并質疑我的理智。因此，讓我補充一下：隻要我們使之變得簡單，完美的焊接就很容易。困難的部分是學習什麼使焊接變得容易。也許沒有什麼比了解助焊劑的選擇和正确使用更重要的了。

互聯網上不乏有關通量的文章。不幸的是，大多數（不是全部，而是大多數）免費建議都物有所值。數十家制造商各自銷售數十種助焊劑配方，幾乎所有這些配方都是客戶不知道的專有秘密，而且他們都在上市後的材料中提出可能具有誤導性的聲明，在某些情況下還具有欺詐性。（當心“中性 pH 值”通量。）任何知道足以區分什麼是有效的和什麼是垃圾的人可能不需要研究。關于助焊劑的真正有意義的文獻（其中一些在互聯網上免費，但通常在付費牆後面）是由化學家為化學家編寫的，對于實際使用助焊劑的人來說完全無法理解。即使是術語也可能難以理解。以下，用簡單的英語，是用戶需要了解為何需要助焊劑、助焊劑的成分及其作用以及一般問題的核心。第 2 部分将解釋助焊劑類别、如何閱讀助焊劑制造商的技術數據表，以及如何确定各種情況下的最佳助焊劑。

這是兩部分系列的第一部分，解釋了助焊劑的基本原理。第二部分将解釋電子助焊劑的各種類型和分類，以及在為特定用途選擇助焊劑時應考慮的參數。

理解通量需要理解它的作用。與大多數與焊接有關的事情一樣，這始于潤濕力。

焊料流動稱為潤濕。當焊料像元件引線一樣流過表面時，據說會“潤濕”表面。不流動是不潤濕的。很多人所說的“冷焊”其實與缺熱無關；它隻是不潤濕的。（我更喜歡我在英國學到的術語：“幹式關節”。）

四種自然力決定潤濕量。兩種力對焊料流動起作用，稱為“負潤濕力”。他們是：

表面張力：液體表面的原子被液體中的原子吸引。一些液體具有非常低的表面張力，而另一些則具有較高的表面張力。要查看差異，請在玻璃等無孔表面上倒入少量酒精（非常低的表面張力）。然後對水做同樣的事情（更大的表面張力）。酒精容易變平和擴散，而水則容易形成珠狀。焊料的表面張力比水強得多（無鉛焊料比含鉛焊料大）并導緻焊料形成球體（衆所周知的“焊球”）。表面張力是最強大的負潤濕力。

摩擦：物體在另一個物體表面上移動時的阻力稱為“靜摩擦”，但液體中也存在摩擦（“粘度”）。這兩種力都對焊料潤濕起作用，但不如表面張力那麼重要。

第三種力（重力）有助于或阻礙潤濕：

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潤濕（例如，如果手工焊接，則進入電鍍孔），但會阻止焊料施加點上方的潤濕（對抗波峰焊中 PTH 的垂直填充）。

這三個力的總和是負的，即不潤濕。潤濕需要第四種力量——比其他三種力量的總和更強。該力是純表面金屬和焊料之間的原子間吸引力。請注意對純（元素）金屬的強調。作為良好導電體的金屬原子是不穩定的；他們想與其他元素結合以共享電子。生成的化合物沒有反應能（通常的術語是“被動”）并且不會吸引焊料。

當焊料塗在純金屬表面時，表面金屬和錫（焊料）之間會産生很強的吸引力。吸引力超過了負潤濕力，焊料潤濕，流到焊盤和引線上或向上通孔。同時，錫和表面金屬之間的化學反應會産生一種稱為金屬間鍵的化合物。在銅的情況下，生成的金屬間化合物由 3 個銅原子和一個錫原子（即 Cu 3 Sn）結合而成，熔點為 1248°F/676°C。

潤濕需要将焊料應用到純金屬上。但是在普通電子産品中發現的金屬表面（金 [1] 除外）不是純金屬；它們被惰性化合物——金屬氧化物覆蓋。為了實現潤濕，必須在使用焊料之前去除氧化物。

金屬氧化物是由金屬原子和氧原子之間的化學反應産生的。隻要純金屬表面暴露在氧氣中，反應（“氧化”）就會立即開始。在那一刻産生的氧化層足以防止焊料原子和氧化物下方的元素金屬之間的必要接觸。然而，氧化可能不會随着表面氧化而停止。隻要氧原子可以到達氧化物下方的金屬原子，進一步的氧化就會繼續。

在分子水平上，氧化層并不是像桌面那樣連續的薄片；它是多孔的。把它想象成類似于一個窗口屏幕。如果氧化物孔隙大于氧原子，氧氣将通過孔隙到達下面的純金屬并産生更多的氧化物。 [1]

氧化物孔隙率取決于金屬。氧化鐵（鏽）具有大孔，而不鏽鋼（主要由鐵組成的合金）的孔比氧分子小。孔隙率的差異解釋了為什麼鐵最終會完全氧化（“生鏽”），而不鏽鋼幾乎可以永久存在；不鏽鋼氧化層保護下面的金屬免受氧氣的侵害，而氧氣很容易通過多孔鏽層到達任何剩餘的純鐵。

銅和錫可以比不鏽鋼更徹底地氧化，但最終孔隙會關閉并且氧化停止。同樣，從窗紗的角度考慮氧化物是有幫助的。一個單一的屏幕是可滲透的，但堆疊許多屏幕，每個屏幕隻有輕微的偏移，最終形成一個不可穿透的屏障。

可焊性和助焊性的概念——這兩個詞看起來可以互換，但實際上具有非常不同的含義——對于理解焊接和助焊劑至關重要。“可焊性”是從一系列零件中去除氧化物的難度，并且是相對的而不是固定的條件。如果 A 部分比 B 部分更容易脫氧，則稱 A 具有更好的可焊性。錫比銅具有更好的可焊性，銅比鎳具有更好的可焊性。然而，在同一金屬的不同部分中，一些可能具有較少的氧化物，因此比其他金屬具有更好的可焊性。組件的可焊性通常會随着時間的推移而降低。較新的零件通常比具有相同金屬表面的舊零件具有更好的可焊性。

盡管它們可能看起來像同義詞（并且經常被混淆），但“可焊性”和“助焊性”的含義非常不同，并且差異很重要。助焊性完全與所使用的助焊劑有關。雖然可焊性是比較的（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）并且僅對所使用的助焊劑有意義。如果要使用的助焊劑将在可用時間内使零件脫氧，直到施加焊料，則該零件是可焊接的。如果助焊劑不能在這段時間内去除所有氧化物，則該部件不可焊接。

我們指定為比 B 部分具有更好可焊性的 A 部分可能無法使用我們的助焊劑進行焊接。

去除氧化物的難度（可焊性）由兩個因素決定：氧化物的量。較厚的氧化物意味着脫氧将更加困難，因為：

1. 脫氧是一種化學過程，其中酸在與氧化物的反應中被中和。（化學反應會産生水和金屬鹽。）酸成分可能會在所有氧化物被去除之前耗盡。

即使酸沒有被耗盡，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，可能沒有足夠的時間去除所有氧化物。 [1] 重要的是要記住，足以消除原子間吸引力的氧化将立即發生，脫氧需要時間。所需的時間可能很短暫，但卻是真實的。

[1] 助焊劑在手工焊接中的工作速度必須比表面貼裝回流焊或波峰焊快。在手工焊接中，用于激活助焊劑的熱量來自烙鐵，并且焊料在使用烙鐵後很快就會熔化。在機器焊接中，在焊料熔化之前加熱幾分鐘（或者，在波峰焊接中，接觸要焊接的區域）。這種長時間的預熱意味着活化助焊劑有更大的機會去除較厚的氧化物。然而，如果可焊性問題是金屬的類型而不是氧化物的數量，那麼工作時間就無關緊要了。

1. 金屬類型。錫和銅的氧化物很容易去除。脫氧鎳（與氧的鍵合更強）要困難得多。不鏽鋼、鋁和钛很難脫氧。與普遍的看法相反，并非所有閃亮的銀色表面都容易脫氧。脫氧鉻是一種閃亮的銀色金屬，比脫氧不鏽鋼更硬。

但是，如果在焊料應用之前可以形成新的氧化物，那麼去除氧化物是沒有意義的。例如，砂紙可以去除氧化物。水管工一直在沙管。[1] 但打磨後的表面會立即形成新的氧化物。新的氧化物層可能隻有一個分子厚，但那個微小的層沒有表面能，不會發生潤濕。去除氧化物是不夠的。必須防止形成新的氧化物。

助焊劑可以定義為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。

雖然它可以去除氧化物，但砂紙不能防止再氧化，也不是助焊劑。但是許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驚訝。例如，氫氣用于焊接一些小型高頻無線電模塊，即使少量的助焊劑殘留物也會導緻不可接受的高電流洩漏。 [2]

除了稀有但很少使用的材料，如氫氣或甲酸/氮氣，所有電子級助焊劑都包含：

酸（由于早已被遺忘的原因，工業界堅持将其稱為“活化劑”）以去除氧化物。電子級助焊劑中的酸通常非常溫和。檸檬汁比高可靠性助焊劑中的酸更有效。盡管用于管道等用途的極強助焊劑通常被稱為“酸性助焊劑”，但這是一個草率的術語。

[1] 打磨管道可能具有非常厚的氧化層，可去除最重的氧化物并減少助焊劑所需的工作量。

[2] 将組件（放置在預成型焊料上）插入充滿氫氣和（惰性）氮氣的烘箱中。在大約 660°F/350°C 時，通電的氫氣會從成分氧化物中剝離氧氣（形成水蒸氣）。模塊從烤箱中取出，焊料連接完全潤濕，沒有助焊劑殘留。

電子助焊劑包含：

• 酸，即使酸不是很強。術語的精确性很重要。
• 塗層材料（“固體”也稱為“車輛”，或者，如果你想用花哨的詞來打動，“流變添加劑”）以防止氧氣到達脫氧劑傳統上，固體由松樹汁中的松香組成，但樹脂是一種常見且廣泛使用的助焊劑類别，稱為“有機 (OR) 助焊劑”，通常但不普遍含有乙二醇或甘油作為固體。松香不溶于水，但乙二醇和甘油是。大多數但不是所有的樹脂都是水溶性的。本系列的第 2 部分将詳細介紹不同的助焊劑類型。
• 溶劑（如果是液體助焊劑）。異丙醇 (IPA) 是最常見的溶劑，但存在水基助焊劑，[1] 主要用于有嚴重煙霧問題的地區。 [2] ,[3]溶劑的唯一目的是輕松應用進行實際工作的材料（酸和固體）。

助焊劑：液體松香還是固體松香？

一些助焊劑制造商添加了專有的特殊用途化學品（例如，表面活性劑以降低表面張力并獲得更好的覆蓋率）。它們可以被認為是固體的一部分。

[1] 脫氧是一種吸熱化學反應，這意味着該反應需要熱量，并且在較高溫度下發生得更快，直到溶劑完全蒸發後才能達到。酒精的蒸發消耗很少的能量，但水的蒸發需要相當大的能量。

[2] VOC 與氮氧化物結合産生臭氧，臭氧是城市煙霧的主要成分。

[3] 水性和水溶性之間存在差異。醇基助焊劑的殘留物可溶于水。這是焊後清潔的一個重要考慮因素。

酸度和脫氧

請記住，助焊劑需要時間才能發揮作用。時間可能不長，但它是真實的，必須考慮在内。另一方面，足以消除原子間吸引力的氧化作用會立即發生。一旦空氣接觸到純金屬，整個表面就會被一層一個分子厚的氧化物覆蓋，表面能就會喪失。随着時間的推移，可能會發生進一步的氧化并降低可焊性，但潤濕所必需的表面能會随着初始氧化而立即消失。因此，氧化會立即發生，而脫氧需要時間。

助焊劑去除氧化物的能力取決于其酸度，通常稱為助焊劑“強度”，化學家除外。

強酸：

1. 比弱酸工作得更快，并且
2. 可以對更廣泛的金屬進行脫氧。能夠使錫或銅脫氧的助焊劑的酸性可能不足以使鎳或不鏽鋼脫氧，但能夠去除不鏽鋼氧化物的助焊劑可以使錫或銅脫氧。

脫氧（如氧化）是一種化學過程，在較高溫度下發生得更快。通常，第一次使用助焊劑時可能不是酸性的，但加熱（“活化”）會導緻最初的中性化合物分解并形成酸。一些以“中性 pH 值”出售的助焊劑在加熱之前隻有中性；當被激活時，它們會形成高度腐蝕性的酸，其中一些在焊接後會殘留并可能導緻故障。一種不同類型的“中性 pH 值”助焊劑以非常強的酸開始，在氧氣存在下在高溫下被氧化中和。即使是在室溫下工作的酸在更高的溫度下也能更快地工作（通常在 300°F/150°C 時達到最大活性）。

酸度通常被認為是 pH [1]，但 pH 僅适用于水（水）溶液的酸度。大多數助焊劑不是水基的，因此 pH 值無關緊要。非水溶液酸度的規格是“酸值”——中和一克助焊劑酸需要多少毫克氫氧化鉀（KOH，一種堿），通常寫為 mgKOH/g。酸值越大表示酸度越強。

氧化物去除是一場化學拉鋸戰。酸和金屬都吸引氧氣，氧氣最終與施加更大吸引力的材料結合。如果助焊劑酸對氧的吸引力大于金屬的吸引力，則氧化鍵斷裂，氧與酸結合。如果氧化物鍵比酸的吸引力更強，氧化物将保持完整。更強（更高酸值）的酸比弱酸更能吸引氧氣。因此，酸性更強的助焊劑可以去除更廣泛的氧化物（或在更短的時間内去除相同數量的氧化物）。

[1] 如前所述，氫氣可用作助熔劑。元素氫是離子型 (H ) 且具有高反應性。它也是負責脫氧的酸部分；除金屬鹽外，脫氧總是産生水。pH 值（源自舊術語“氫的能量”）由水中的 H 或氫氧根離子 (H2O) 決定。在 7.2，H 含量等于 HO 含量。在 7.2 以下，H 的數量超過 H2O，而在 7.2（基本）以上，H2O 離子更多。H 離子濃度越高，pH越低，酸越強。

鑒于強酸在脫氧方面比弱酸更有效，使用最強的助焊劑将消除所有潤濕問題；所有表面都是可焊接的，生産會容易得多。不幸的是，酸殘留物是離子的（帶電原子），焊接後的殘留物被稱為“離子污染”。更強酸的離子攜帶更強的電荷，這意味着它們更具導電性（降低表面絕緣電阻，SIR）并具有潛在的腐蝕性。換句話說，可靠性随着助焊劑酸度的增加而降低。

離子污染失效的風險取決于助焊劑的酸度（酸度越高意味着風險越高），也取決于濕度。嚴重漏電、枝晶和腐蝕的風險會随着濕度的增加而增加。盡管具有相同的離子污染，但在亞利桑那州戶外（接近零濕度）運行良好的組件在夏季可能會在邁阿密（非常高的濕度）遭受高故障率。

選擇合适的助焊劑酸度是一種平衡行為。太強（就酸度而言，在涉及電子設備的情況下相當溫和）可能導緻 SIR 擊穿或更糟糕的腐蝕故障。弱于産品可以承受的範圍限制了可焊接部件的範圍，并且沒有額外的可靠性優勢。“金發姑娘”選擇是不會導緻離子污染故障的最強助焊劑。某些類型的電子産品的正确選擇可能對其他人來說是錯誤的；唯一知道的方法是通過嚴格的環境壓力測試。

但是為什麼不在焊接後去除助焊劑呢？焊後清潔不能安全使用強酸嗎？情況确實如此——如果可以實現完全移除的話。但它不能。或者，更準确地說，沒有辦法确定它可以。

焊接後，殘留兩種助焊劑成分：固體和酸。固體殘留物，尤其是松香和一些樹脂，很容易看到，但對可靠性幾乎沒有影響。松香不透潮，實際上通過充當保形塗層來提高可靠性。 [1] 另一方面，酸殘留物（具有離子導電性和潛在腐蝕性）是不可見的。具有嚴重離子污染的組件可能看起來非常幹淨。另一方面，帶有可見松香殘留物的組件即使在高濕度環境中也可能具有完美的可靠性。

換句話說，在電子世界中，“幹淨”并不是一種美化條件。可以看到的可能不是可靠性問題。看不見的可能是災難性的。幾十年來，“幹淨”如何“幹淨”一直是一個永恒的問題。

要去除的材料的性質也會使事情複雜化。松香不溶于水（一種極性溶劑），但離子殘基隻溶于極性溶劑如水。另一類助焊劑（所謂的“有機酸”助焊劑）的固體和離子均溶于水，但不溶于酒精等非極性溶劑。

要去除的材料可以溶于清潔溶劑中，但前提是溶劑到達它們。現代電子組件具有幾乎接觸 PCB 的表面貼裝元件主體，使得清潔溶劑和污染物之間幾乎不可能完全接觸。問題是助焊劑和清潔溶劑的相對表面張力。酒精基助焊劑（最常見的類型）具有非常低的表面張力，可以穿透小間隙和毛細管。它們很容易在低窪表面貼裝元件下流動。但是去除離子需要使用極性溶劑，最常見的是水。然而，水的表面張力遠高于酒精（助焊劑）的表面張力，這會阻止空腔的滲透。更複雜的是，自來水本身含有會污染電路的離子。從水（“去離子水”）中去除離子會導緻表面張力增加。通常添加表面活性劑以降低水洗的表面張力，但這種效果會使溶液的表面張力高于助焊劑。噴塗、超聲波振動和其他液壓力将清潔溶液強制進入狹窄空間，但無法确定結果是否足以清除所有助焊劑殘留物。很簡單，沒有辦法确保清潔産生可接受的清潔度。即使電路的其餘部分完全沒有離子殘留物，離子物質集中在導體（如元件引線）的一小部分區域中也足以導緻故障。通常添加表面活性劑以降低水洗的表面張力，但這種效果會使溶液的表面張力高于助焊劑。噴塗、超聲波振動和其他液壓力将清潔溶液強制進入狹窄空間，但無法确定結果是否足以去除所有助焊劑殘留物。很簡單，沒有辦法确保清潔産生可接受的清潔度。即使電路的其餘部分完全沒有離子殘留物，離子物質集中在導體（如元件引線）的一小部分區域中也足以導緻故障。通常添加表面活性劑以降低水洗的表面張力，但這種效果會使溶液的表面張力高于助焊劑。噴塗、超聲波振動和其他液壓力将清潔溶液強制進入狹窄空間，但無法确定結果是否足以去除所有助焊劑殘留物。很簡單，沒有辦法确保清潔産生可接受的清潔度。即使電路的其餘部分完全沒有離子殘留物，離子物質集中在導體（如元件引線）的一小部分區域中也足以導緻故障。但無法确定結果是否充分去除了所有助焊劑殘留物。很簡單，沒有辦法确保清潔産生可接受的清潔度。即使電路的其餘部分完全沒有離子殘留物，離子物質集中在導體（如元件引線）的一小部分區域中也足以導緻故障。但無法确定結果是否充分去除了所有助焊劑殘留物。很簡單，沒有辦法确保清潔産生可接受的清潔度。即使電路的其餘部分完全沒有離子殘留物，離子物質集中在導體（如元件引線）的一小部分區域中也足以導緻故障。

清潔不僅不能保證可靠性，而且價格昂貴。清潔可能比焊接本身更昂貴。

如果清潔費用昂貴且并非萬無一失，為什麼還要費心清潔呢？使用可以留在組件上而不會降低可靠性的助焊劑更便宜且更可靠。存在“免清洗”助焊劑，是大多數電子組裝應用的理想選擇。但僅僅因為标簽稱助焊劑為“免清洗”并不能保證它是真正安全的。

這是助焊劑兩部分解釋的第 1 部分。我們已經涵蓋了基礎科學。第 2 部分将解釋電子級助焊劑的詳細信息，包括不同類型、分類系統、如何閱讀助焊劑規格表以及選擇适合任何情況的理想助焊劑。

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[1] 大多數無鉛焊料主要由錫組成。與錫相比，錫/鉛焊料中的鉛相對惰性。

[2] 更準确地說，Cu 3 Sn 在焊料為液體時生成。焊料凍結後，熔點為 779°F/415°C的 Cu 6 Sn 5形式的金屬間化合物繼續以非常緩慢的速度形成。

[3] 氧化最初是指通過添加氧化物形成新物質。對于金屬，這會導緻電子從金屬轉移到氧氣。化學家現在使用“氧化”來表示即使不涉及氧氣，原子在形成分子時也會失去電子。當金屬與氧結合時，金屬會向氧失去電子。

[4] 黃金不會氧化。然而，它确實會與其他一些元素（例如硫）反應形成硫化物，這些硫化物與氧化物一樣是惰性的。

[5] 更準确地說，由于大氣中的氧原子通常成對移動 (O 2 )，因此氧化物的孔隙需要比氧分子大。

[6] 此外，與不鏽鋼氧化物不同，鐵鏽往往會剝落并露出下面的鐵。

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

[8] 助焊劑在手工焊接中的工作速度必須比表面貼裝回流焊或波峰焊快。在手工焊接中，用于激活助焊劑的熱量來自烙鐵，并且焊料在使用烙鐵後很快就會熔化。在機器焊接中，在焊料熔化之前加熱幾分鐘（或者，在波峰焊接中，接觸要焊接的區域）。這種長時間的預熱意味着活化助焊劑有更大的機會去除較厚的氧化物。然而，如果可焊性問題是金屬的類型而不是氧化物的數量，那麼工作時間就無關緊要了。

[9] 打磨管道可能具有非常厚的氧化層，可去除最重的氧化物并減少助焊劑所需的工作量。

[10] 将組件（放置在預成型焊料上）插入充滿氫氣和（惰性）氮氣的烘箱中。在大約 660°F/350°C 時，通電的氫氣會從成分氧化物中剝離氧氣（形成水蒸氣）。模塊從烤箱中取出，焊料連接完全潤濕，沒有助焊劑殘留。

[11] 脫氧是一種吸熱化學反應，這意味着該反應需要熱量，并且在較高溫度下發生得更快，直到溶劑完全蒸發後才能達到。酒精的蒸發消耗很少的能量，但水的蒸發需要相當大的能量。

[12] VOC 與氮氧化物結合産生臭氧，臭氧是城市煙霧的主要成分。

[13] 水基和水溶性之間存在差異。醇基助焊劑的殘留物可溶于水。這是焊後清潔的一個重要考慮因素。

[14] 用外行的話來說，酸強度通常被認為是 pH 值，7.2 是中性的，較小的數字表示“更強”的酸。然而，化學家以非常不同的方式使用“強”和“弱”。化學術語中的“弱”酸是在水中至少部分保持完整的酸性化合物。“強”酸在水中完全分解（“電離”）。在無數的酸中，隻有七種是“強”酸；其他人都是“弱者”。弱酸（例如，與鹽酸不同，它會立即分離以釋放氫離子和氯離子）。氫氟酸——所有酸中最強的一種——被歸類為“弱”酸，因為它在水中大部分保持完整。出于我們的目的，我們将使用“強”和“弱”來表示酸效力。

[15] 如前所述，氫氣可用作助熔劑。元素氫是離子型 (H ) 且具有高反應性。它也是負責脫氧的酸部分；除金屬鹽外，脫氧總是産生水。pH 值（源自舊術語“氫的能量”）由水中的 H 或氫氧根離子 (H2O) 決定。在 7.2，H 含量等于 HO 含量。在 7.2 以下，H 的數量超過 H2O，而在 7.2（基本）以上，H2O 離子更多。H 離子濃度越高，pH越低，酸越強。

[16] 松香殘留物确實會對某些實際保形塗層的附着力産生負面影響，會污染測試探針，并且在固化之前會很粘。然而，現代“免清洗”松香助焊劑留下的殘留物非常少。

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