- 探究PCB焊接工藝使用氮氣的理由
- 可焊接表面的進一步氧化也改善熔化焊錫合金的表面張力
- 對密間距使用氮氣
焊接的一個行進中的問題是在回流焊接爐中使用氮氣的好處。在這個主題上我遇到的問題至少每周一次。這個問題不是什么新問題。十年前，所訂購的回流焊接爐至少一半規(guī)定有氮氣容器。最近與回流焊接爐制造商的交談告訴我，這個比例保持還是一樣的，盡管使用氮氣的關(guān)鍵理由現(xiàn)在再不是什么站得住腳的理由。那些理由是什么呢？
首先，理解惰性化回流環(huán)境怎樣影響焊接過程是重要的。焊接中助焊劑的作用是將氧化物從要焊接的表面去掉(元件引腳和PCB焊盤)。當然，熱是氧化的催化劑。因為我們不可能從回流焊接必要的加熱過程中去掉熱，所以我們要減少氧化的其它因素 - 氧氣 - 通過用惰性的氮氣來取代它。除了減少，如果不能消除，可焊接表面的進一步氧化之外，它也改善熔化焊錫合金的表面張力。
在八十年代中期，根據(jù)即將出臺的蒙特利爾和約(Montreal Protocol)，基于氟里昂的(freon-based)溶劑是很難行得通的，免洗錫膏成為一個可行的替代者。在錫膏制造商中間的許多研究與開發(fā)得出免洗配方。理解的錫膏是外觀上可接受的(清潔、淡薄、沒有粘性)，腐蝕與電移良性的，足夠薄而不干涉ICT所用的針床測試探針。很低的殘留錫膏助焊劑，大約2.1~2.8%的固體含量，滿足前兩個標準，但通常干涉ICT。只有超低殘留材料，低于2%的固體含量，才可算得上與測試探針不干涉。
可是，低殘留的優(yōu)點是以低活性助焊劑作用為代價的，這需要所有可能得到的幫助，包括防止回流期間進一步的氧化物形成。這個防止是通過惰性化來完成的，如果你想要使用超低殘留物錫膏，可能需要氮氣容器的爐子。可是，在最近，已經(jīng)在市場上出現(xiàn)了超低殘留物的錫膏，在室內(nèi)空氣環(huán)境(非氮氣)中表現(xiàn)非常好。
原來的有機焊錫保護劑(OSP, organic solder protectant)在加熱中消失，因此對雙面裝配，要求氮氣回流氣氛來維持第二面的可焊接性。現(xiàn)在的OSP，正如以前所討論的一樣1，在助焊劑和熱出現(xiàn)時消失。因此，第二面的保護劑直到印刷錫膏、或通過波峰焊接系統(tǒng)的上助焊劑、和焊接期間的加熱時仍保護完整。因此，惰性氣體是不要求的。
氮氣環(huán)境回流焊接的最早動機是前面所提到的改善表面張力現(xiàn)象，通過減少缺陷來改進焊接合格率已經(jīng)證明這一點。回到七十年代末期和八十年代早期，許多的文章都是關(guān)于回流焊接中惰性氣氛的使用。更少錫球的形成、更好的熔濕(wetting)和因而更少的開路與錫橋，這些都是支持的優(yōu)點。
我作為一個見證人，記得一個西南中部的非常好心的實驗家寫了一篇這個主題的專業(yè)論文。他使用了一個空氣對流/紅外爐，并用氮氣容器將它改型。我訪問他時，他向我顯示他的有關(guān)生產(chǎn)運行的統(tǒng)計過程數(shù)據(jù)(SPC)，他交替地使用和不使用氮氣環(huán)境來運行。當我們翻閱其數(shù)據(jù)時，他會說，“看看這個，看看那個”，這些數(shù)據(jù)描述了在氮氣環(huán)境中缺陷比空氣中輕微的減少。
當然，我們有時遇到一些文章“喔，不用看這些了”，兩種氣體環(huán)境之間沒有發(fā)生什么差別。我要補充的是，我們從來不知道氣體中有多少殘留氧氣，因為沒有人使用過一個氧氣分析器 - 就象一個支持預(yù)知結(jié)論的試驗。無論如何，雖然意圖良好，但該方法是不科學的。不管怎樣，這篇文章是有關(guān)在回流焊接中使用氮氣這個主題上引用最多的“權(quán)威” - 特別是在氣體供應(yīng)商所作的文章中。
這個時期的另一本書，提倡對密間距使用氮氣，把它的公布基于合理的科學實驗。可是，這個試驗只是在實驗室完成 - “燒杯試驗”與現(xiàn)實的生產(chǎn)相反 - 為了很少的改進沒有計入生產(chǎn)中使用氮氣的成本。我自己使用氮氣回流焊接的經(jīng)驗是，對大多數(shù)表面貼裝焊接，相對于運行氮氣的成本，收效甚微。
記住，在過去13年中，爐子制造商已經(jīng)花了大筆的研究開發(fā)經(jīng)費來完善緊密的氮氣容器。他們非常想補償其投資，這是回流焊接中的最大的唯一問題。減少氣體消耗不是一個簡單的技巧，當你使用諸如在對流為主(強制對流)的爐膛中的所謂紊流氣體的時候。的確，有幾個制造商使用高爐內(nèi)氣體流動和低氮氣總消耗，已經(jīng)達到驚人的低氧水平。這樣做，他們已經(jīng)相當程度地降低了使用氮氣的成本。在某些方面，使用正確的設(shè)備，這個增加的工藝成本是極小的。據(jù)此，我與我的朋友Dave Heller一致認為，“在回流焊接中使用氮氣就好象雞湯 - 可能有幫助，但無厲害關(guān)系。”
當然，隨著連接的密度增加，工藝窗口受到?jīng)_擊。在焊接芯片規(guī)模元件和倒裝片的應(yīng)用中使用氮氣是很好的保險。在這種節(jié)骨眼上，我會毫不猶豫地為這種應(yīng)用使用一種惰性氣體。
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在表面貼裝回流焊接工藝中使用氮氣的十個主要理由
現(xiàn)在我們已經(jīng)回顧了使用氮氣的技術(shù)上的原因，讓我們再看看具有氮氣能力的爐子的強大市場存在的真正理由。特別感謝我們在Texas的同事Jerry Cupples ，他把這些情況總結(jié)得非常好：10)、氮氣是我們星球上最豐富的氣體，可以無限供應(yīng)。9)、由于到處都有的管道與精小別致的流量計所產(chǎn)生的化學時尚的神秘性。8)、比氬氣便宜得多，你可顯示成本節(jié)約的補償。7)、不會燃燒，不用擔心爐子著火。6)、你怎樣認為Mick Jagger保持他那年青的膚色？5)、你有Air Liquide和/或Prex-Air的股票。4)、BGA的采用是任何購買、變化、升級等的完美借口。3)、它可能不會使你的焊接點更好，但它會感化ISO審查員。2)、氣體銷售員的每月一次的免費午餐。1)、我們都喜歡從管口沖出的壓縮氣體的聲音。
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