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SMT回焊炉加氮气(N2)最主要用途在降低焊接面氧化,提高焊接的润湿性,因为氮气(N2)是一种无色无味且化学性质很不活泼的一种气体,188金宝搏苹果下载
之前误植「氮气(N2)属于惰性气体的一种」是错的,就因为它不易与大部分的金属产生化学反应生成化合物,所以我们可以使用氮气来取代环境中的氧气,以避免金属与环境中的氧气接触而产生氧化反应。
备註:188金宝搏苹果下载 后来查了一些资料,发现氮气(N2)在现代化学中已被归类为「惰性气体(inert gas)」的一种,另外元素週期表上的18族元素(8A)包含氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)等则被称为「钝性气体(Noble gas)」,惰性气体则包含氮气及钝性气体。
而使用氮气可以改善SMT焊接性的原理(机理)是基于氮气环境下焊锡的表面张力会小于暴露于大气环境中,使得焊锡的流动性与润湿性得到改善。其次是氮气把原本空气中的氧气(O2)及可污染焊接表面的物质溶度降低,大大的降低了高温焊锡时的氧化作用,尤其是在第二面回焊品质的提昇上助益颇大。
其实印刷电路板(PCB)在第一面(1st side)过回焊(reflow)时,电路板第二面(2nd side)的表面处理实际上也同时经歷着相同的高温,电路板的表面处理会因高温而被破坏,特别是使用OSP表面处理的板子,而且氧化作用在高温环境下也正在急速的进行着,加了氮气后就可以在第一面过回焊时大大降低第二面表面处理的氧化程度,使其可以撑到第二面过炉时得到最佳的焊接效果。
另外,如果过完第一面回焊后电路板闲置暴露于空气中时间过久才进行第二面回焊,也容易造成氧化问题进而使得第二面回焊时产生拒焊或空焊的问题。
这时候ENIG板子的优点就显现出来了,因为ENIG的表面处理为「金(Gold)」,在目前的回焊温度下,其第二面表面处理几乎不会有氧化的问题。喷锡或化锡板则会因为第一次回焊高温,而提前在第二面未焊接前就生成IMC,影响第二面回焊的可靠度。
对ENIG及喷锡或化锡板焊皆有兴趣的朋友可以参考本部落格的相关文章:
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不过,188金宝搏苹果下载 必须要强调「氮气并不是解决PCB氧化的万灵丹」,如果零件或是电路板的表面已经严重氧化,氮气是无法令其起死回生的,而且氮气也仅对轻微氧化可以产生补救的效果(是补救,不是解决)。其实,储存及作业过程中只要可以确保PCB的表面处理及零件不会产生氧化,加氮气基本上没有太大的作用,最多就是促进焊锡的流动、增加爬锡的高度。但是,话又说回来,还真没几家公司可以百分百确保其PCB及零件表面处理没有氧化的。
前面说了许多关于回焊时添加氮气的优点,话说回来「回焊炉(Reflow oven)」使用氮气并不是百利而无害,先不说加氮气「烧钱」的问题,就因为氮气可以促进焊锡的流动效果,所以才会出问题,怎么听起来怪怪的?
因为焊锡的流动如果太好,就意味着加温效果比较好,这个效果对大部分零件当然是有好处的,但是可能会恶化电阻电容这种小零件(small-chip)的「墓碑效应(Tombstone effect)」,因为零件的一端先融锡而另一端还未融锡,先融锡的一端内聚力加强后就会开始拉扯零件,而还未融锡端则无法稳住零件,最后形成「立碑」,根据经验焊锡的「墓碑」问题特别容易发生在0603与0805大小的小电阻及电容上,尤其是电容零件,因为其尺寸及锡膏印刷距离刚好容易立起零件。
(补充说明:上一段的文字或许有造成部份误解,所以在此特别说明。氮气之所以会恶化墓碑效应,应该是氮气促进了锡膏融锡后的润湿速度,造成部份焊点提前润湿,恶化了两端焊点吃锡的时间差,最终让两端的力距差异过大,终致形成立碑问题。 这样应该就比较清楚表达氮气对立碑的影响了吧!)
另外,氮气也会增加焊锡的「毛细现象」,让锡膏可以沿着零件焊脚的表面爬锡爬得更高,这对某些零件焊脚可能是加分,但是对某些连接器可能就是减分了,因为连接器的焊脚再往上通常是与其他零件连接的接触点,这些接触点如果吃到锡可能会造成其他的接触问题,而且现在的连接器脚间距很窄,焊锡往上爬可能会增加短路的风险。
~来总结一下前面的观点~
回焊加氮气的优点:
- 减少过炉氧化
- 提昇焊接能力
- 增强焊锡性
- 减少空洞率(void)。因为锡膏或焊垫的氧化降低、焊锡的流动性变好,空洞自然就减少了。
回焊加氮气的缺点:
- 烧钱
- 增加墓碑产生的机率
- 增强毛细现象(灯芯效应)
- 使用氮气后需注意墓碑效应不良是否增加,也要检查连接器焊脚爬锡是否过高影响接触?
什么样的电路板或零件适合使用氮气回焊?
- OSP表面处理双面回焊的板子适合使用氮气。
- 零件或电路板吃锡效果不好时可以使用。比如增加QFN或城堡型端子侧面吃锡的润湿性。
- 大封装及高密度BGA。
延伸阅读:
回流焊的温度曲线(Reflow Profile)解说
电路板上常见的焊锡缺点中英文对照与解释
整理SMT回流焊接缺点、可能原因及其对策
PCB及电子零件焊锡吃得好不好(润湿、不润湿、缩锡、退润湿)的原理是什么?
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欧付宝
熊大您好
拜读您的文章已有多年,想请教您有铅锡膏经由氮气回焊后,锡点为何呈现雾状,我只知道锡膏无论是否有铅,再经由氮气回焊后,呈现雾化表面居多,却不知固中原因,还请不吝赐教。
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熊大,
文章中有看到增加氮气会增加立碑的效应。
立碑的原理文章中介绍是两端不同时受热,导致立碑。
其中有个点没明白的是,氮气和不同时受热的关系怎样?为何加入氮气会不同时受热呢?
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王东健,
氮气之所以会恶化墓碑效应,应该是氮气促进了锡膏融锡后的润湿速度,造成部份焊点提前润湿,恶化了两端焊点吃锡的时间差,最终让两端的力距差异过大,终致形成立碑问题。
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熊老师好,
关于氮气的问题,我想咨询一个。
我们以前做产品不用氮气,后面是因为板上的布局越来越密,而且引入了POP芯片,用了五号锡粉,才引入的氮气焊接。
由于设备的问题,我们的氮气浓度经常出现问题,(氮气浓度不够,氧气还是太多),每次超标,我们就要去评估炉子里面的板的可靠性,一般说来,POP的焊接是肯定有影响的。
我的问题来了,就是以前不用氮气,除去POP,我的其他的元器件的焊接也是好好的,没有问题,但是用了氮气,再出现这种设备问题导致的氮气浓度不够,我的这些元件的焊接,反而需要很慎重地去评估是否有问题,这方面有点不太理解。
是因为使用了五号粉的原因吗?如果是的话,是不是有这个规则:凡是使用五号粉,就必须使用氮气?如果不用,那么,哪些器件肯定会有风险,哪些器件基本没风险?
问题有些多且杂,不知道是否表达清晰,非常期待得到老师的答复,感谢!祝工作顺心。
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吕小湾,
首先要知道回焊炉加氮气的目的是什么?氮气的最主要用途在降低焊接面氧化,提高焊接的润湿性。有个问题可能得让你自己想想?既然氮气可以防止氧化,那为何只在回焊时加氮气?回焊前后就不需要加氮气来防止氧化了吗?
那为何你们公司说使用5号粉就要加氮气?这其实没有正确的答案,只是因为5号粉的直径比起4号粉要来得小,5号粉大部份锡粉直径落在15-25um之间,而4号粉大部份锡粉直径则落在20-38um之间,所以在同样的锡膏体积下,5号粉接触空气的面积会比4号粉来的大(一般只有锡粉的表面积会与空气接触),为了降低氧化的机率所以要求加氮气。
在润湿性方面,理论上没有氧化的锡膏会比已经有氧化的锡膏来得好,而且有氧化的锡膏也会有比较高比率产生焊锡气泡影响焊锡强度。
至于如何评估焊锡强度是否足够,目前最普遍的作法是判断气泡比率,特别是BGA或LGA这类封装零件的焊锡,而其他零件则使用推力。
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请问DIP也用氮气炉子的优缺点?谢谢
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老古,
氮气基本上就是降低焊锡时的氧化、增加润湿性,提高灯芯效应,让焊锡可以往上流,可以降低空洞率,依此而想,DIP焊接就可想而知了。
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谢谢
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