2022/03/02 • 没有评论

整理SMT回焊炉添加氮气(N2)对各种焊接不良的影响与效果

「氧化」是焊锡品质的一大杀手，但是氧化又是这个世界上所有元素趋吉避凶（趋向稳定状态）的一种自然法则，无法避免，而「使用氮气(N₂)隔绝氧气(O₂)接触」则是目前少数可以有效降低电子零件在高温焊接时氧化的有效方法。

「氮气(Nitrogen)」虽然不在8A钝性气体元素那一列中，不过在现代化学中，氮气却被归类为「惰性气体(inert gas)」的一种，它在自然界中非常不活泼，具有不易与金属产生化合物的特性，而且在大气中还有78％的佔比，取得的费用相对便宜，所以经常被用来充填在SMT焊接的回焊炉中置换氧气(oxygen)的含量，少数波焊炉也会用氮气填充，以减少焊锡或PCB焊垫于高温时与空气中的氧气接触而产生氧化反应。

将氮气运用在回焊炉及波焊炉焊接虽然对焊接品质会有所提昇，好处也不少，但添加氮气却也不是百分百都是正向没有缺点的。

下面188金宝搏苹果下载收集整理氮气对各种SMT焊接不良的影响与效果：

锡珠现象（Solder beads）

「锡珠」也称「焊珠」是相当常见的焊锡缺陷之一，它经常出现在零件本体的下方，尤其是在小电阻、小电容等small-chip本体下两个端点的中间侧面。

这是因为高温时锡膏内含的助焊剂会迅速转变成气体挥发并带着部份的锡膏往外侧移动（想像气炸的情形），于是在零件本体与PCB间的小缝隙下就会形成分离的锡膏区块，回焊时零件下方因为没有焊垫可以吸引熔融的锡膏，再加上零件本体的重量挤压，于是分离的熔融锡膏就从零件的本体下方冒出并在其边缘上形成小锡珠。

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锡珠形成的另外一个主因则是【锡膏氧化】，由于现在电子零件大小差异巨大，在开钢板的工艺中为了配合小零件採用较薄的钢板，而针对大零件焊脚则採用外扩在增加锡膏量，一旦锡膏开封过久或是暴露于空气中过久，就容易造成锡膏氧化及助焊剂部份挥发，当锡膏熔融时表面形成了较厚的氧化层，进而降低了锡膏的活性，使得熔融锡膏无法藉由内聚力将外扩的焊锡完全牵引回到本体，这些留存在焊垫外的焊锡就会形成独立的锡珠。

在回焊炉中填充氮气，无论是那一种锡膏，其锡珠出现的数量都会有所减少。这应该是因为低氧环境下有效降低了锡粉颗粒表面氧化膜的形成，让锡粉间可以更好更快的融合在一起，降低了助焊剂喷溅时带出的锡量。

另外，氮气也可以有效的抑制PCB焊垫/焊盘在回焊高温时氧化的程度，尤其针对第二面回流焊品质的提昇更佳，因为只要焊垫容易吃锡，就可以有效回收外扩的焊锡。

空洞/气泡现象（Bubbles/Voids）

同「锡珠」类似的道理，在QFN中央位置的接地焊点容易出现空洞/气泡现象，除了一些设计上留存导通孔(vias)造成气泡或吃锡不足者，由于焊垫/焊盘表面在氮气条件下可以有更好的润湿，所以空洞率自然就减少。其次，氮气让锡粉间彼此可以更快速的润湿也可以更有效地排出在回流焊熔融状态下气体无法逸出的问题。

理论上在回焊炉中填充氮气对于降低BGA锡球的气泡也有同样的效果。

但是，上述的结果并不一定完全适用于所有的焊点。曾经看过添加氮气后反而增加BGA气泡空洞率的例子。也许是我们对于BGA锡球气泡形成的原因还不够透彻吧！

2024/7/8补充说明：

理论上，在回焊炉中添加氮气(N₂)可以使得锡膏及被焊接金属的表面张力变小。较小的表面张力有利于焊粉(powder)的扩散及助焊剂气体的逃逸，从而减少空洞。然而，表面张力对空洞的影响却是取决于焊点类别：

非BGA焊点(锡量较少的焊点)：焊锡塌落机率小，较低的表面张力有助于焊粉在金属上迁移和扩展，可以减少焊锡空洞，也就是可以改善被焊接金属或焊垫表面的润湿性，降低了与被焊接金属表面不润湿(non-wetting)的空洞。

BGA焊点(焊锡量较多且较厚)：较低的表面张力无法有效支撑液态焊锡，导致气体在焊接过程中更易聚集在一起，形成较大空洞。

也就是说，回焊炉加氮气虽然可以改善BGA锡球与焊垫介面处的空洞，但却使得BGA锡球内的空洞变大，因为小孔将会聚集再一起成为大孔。

另外，氮气还会加大回焊炉内的气压，使得BGA锡球中的气体更不易逃逸。

葡萄球现象（Graping）

葡萄球或葡萄珠现象(Graping)一般是指在回焊中锡膏没有完全互相融合焊接在一起，反而聚集变成一粒粒各自独立的锡珠并堆叠在一起，形成类似葡萄球串的现象。

葡萄球现象的形成通常来自锡膏本身氧化或是锡膏中助焊剂提前挥发以致锡粉表面的氧化膜太厚而无法被突破或完全清除以达成互相熔融的事实。随着电子零件越做越小，锡膏的印刷量也跟着越来越少，相对地锡膏中锡粉直接暴露在空气中的表面积比率也就明显增加，如果使用更小的锡粉直径（更大的号数），锡粉表面积氧化比率也会更高。

想像10颗与100颗玻璃珠分别用胶水堆在一起成为方块的样子，100颗一堆的玻璃珠中被包覆在内层的比率是否比10颗玻璃珠来得多，而锡膏中的锡粉就像玻璃珠一样，胶水则是助焊剂。堆叠的锡膏处于越最外层的锡粉则容易与空气接触而发生氧化，内层的锡粉则可以互相融合。这也是为何有些焊锡看起来有葡萄球现象却未影响产品的功能。

在回焊炉中添加氮气可以降低锡粉在回焊炉中氧化的风险，但如果锡膏已经提前氧化、或是其助焊剂无法发挥保护锡粉清除氧化的作用，那么添加氮气对葡萄球现象是没有帮助的。

相关延伸阅读：什么是SMT葡萄球珠现象(Graping)？该如何解决？

枕头效应（Head-in-Pillow, Head-on-Pillow）

「枕头效应(HIP/HoP)」的形成原因最主要是BGA零件在回焊(Reflow)的高温过程中，BGA载板或是电路板因无法任受高温而发生板弯、板翘(warpage)或是其他原因变形，使得BGA的锡球(ball)与印刷在电路板上的锡膏分离，当电路板经过高温「回焊区(reflow zone)」后冷却，BGA载板与电路板的变形也慢慢回復到之前的状况，但这时的温度早已低于熔锡温度，于是便形成类似一颗头靠在枕头上的虚焊或假焊的焊接形状。

另一种可能原因是BGA锡球已经发生些微的氧化，当锡膏的助焊剂活性不足以清除BGA锡球上的氧化层，就会阻挡锡膏与BGA锡球融合，最终造成两个球靠在一起的现象。

在回焊炉添加氮气则可以部份解决因为助焊剂活性不足问题，但对于因为电路板或BGA载板变形而造成的HoP/HIP则无济于事。

润湿不良（Non-wetting）

回焊炉中添加氮气，基本上一定有助焊接润湿的提昇。氮气对润湿的基本作用有二：

可以提昇锡膏中助焊剂保护锡粉的作用及清除氧化的效果。当锡膏的活性得到保障，润湿自然好。
可以降低电路板焊垫在高温环境下氧化的程度、提高焊垫的润湿度。氮气尤其对OSP表面处理板子在第二面过炉的效果最好，但是对保护ENIG焊垫氧化的帮助则不大。

但如果锡膏及电路板的焊垫在进入回焊炉前就已经变质或氧化，就算氮气再厉害，应该还是无法做到起死回生地步的。

另外，这里有个可能让你感到困扰或有兴趣的现象：在添加氮气的环境下零件引脚的爬锡高度将会低于空气环境（未开氮气）。怎么会这样？这是因为氮气虽然有效地润湿了电路板的焊垫，但可能也因为氮气下焊锡在焊垫上的扩散效果太好，反而影响到零件引脚的爬锡高度。就类似「水往下流」的趋势一样，焊锡会越加地往容易吃锡的地方移动，既然焊垫变得容易润湿吃锡了，何必再克服重力往引脚上面爬呢。