SMT之家论文中心 - 焊接工艺使用氮气的理由|SMT|Surface Mount Technology|表面贴装技术

　　焊接的一个行进中的问题是在回流焊接炉中使用氮气的好处。在这个主题上我遇到的问题至少每周一次。这个问题不是什么新问题。十年前，所订购的回流焊接炉至少一半规定有氮气容器。最近与回流焊接炉制造商的交谈告诉我，这个比例保持还是一样的，尽管使用氮气的关键理由现在再不是什么站得住脚的理由。那些理由是什么呢？
　　首先，理解惰性化回流环境怎样影响焊接过程是重要的。焊接中助焊剂的作用是将氧化物从要焊接的表面去掉(元件引脚和PCB焊盘)。当然，热是氧化的催化剂。因为我们不可能从回流焊接必要的加热过程中去掉热，所以我们要减少氧化的其它因素 - 氧气 - 通过用惰性的氮气来取代它。除了减少，如果不能消除，可焊接表面的进一步氧化之外，它也改善熔化焊锡合金的表面张力。
　　在八十年代中期，根据即将出台的蒙特利尔和约(Montreal Protocol)，基于氟里昂的(freon-based)溶剂是很难行得通的，免洗锡膏成为一个可行的替代者。在锡膏制造商中间的许多研究与开发得出免洗配方。理解的锡膏是外观上可接受的(清洁、淡薄、没有粘性)，腐蚀与电移良性的，足够薄而不干涉ICT所用的针床测试探针。很低的残留锡膏助焊剂，大约2.1~2.8%的固体含量，满足前两个标准，但通常干涉ICT。只有超低残留材料，低于2%的固体含量，才可算得上与测试探针不干涉。
　　可是，低残留的优点是以低活性助焊剂作用为代价的，这需要所有可能得到的帮助，包括防止回流期间进一步的氧化物形成。这个防止是通过惰性化来完成的，如果你想要使用超低残留物锡膏，可能需要氮气容器的炉子。可是，在最近，已经在市场上出现了超低残留物的锡膏，在室内空气环境(非氮气)中表现非常好。
　　原来的有机焊锡保护剂(OSP, organic solder protectant)在加热中消失，因此对双面装配，要求氮气回流气氛来维持第二面的可焊接性。现在的OSP，正如以前所讨论的一样¹，在助焊剂和热出现时消失。因此，第二面的保护剂直到印刷锡膏、或通过波峰焊接系统的上助焊剂、和焊接期间的加热时仍保护完整。因此，惰性气体是不要求的。
　　氮气环境回流焊接的最早动机是前面所提到的改善表面张力现象，通过减少缺陷来改进焊接合格率已经证明这一点。回到七十年代末期和八十年代早期，许多的文章都是关于回流焊接中惰性气氛的使用。更少锡球的形成、更好的熔湿(wetting)和因而更少的开路与锡桥，这些都是支持的优点。
　　我作为一个见证人，记得一个西南中部的非常好心的实验家写了一篇这个主题的专业论文。他使用了一个空气对流/红外炉，并用氮气容器将它改型。我访问他时，他向我显示他的有关生产运行的统计过程数据(SPC)，他交替地使用和不使用氮气环境来运行。当我们翻阅其数据时，他会说，“看看这个，看看那个”，这些数据描述了在氮气环境中缺陷比空气中轻微的减少。
　　当然，我们有时遇到一些文章“喔，不用看这些了”，两种气体环境之间没有发生什么差别。我要补充的是，我们从来不知道气体中有多少残留氧气，因为没有人使用过一个氧气分析器 - 就象一个支持预知结论的试验。无论如何，虽然意图良好，但该方法是不科学的。不管怎样，这篇文章是有关在回流焊接中使用氮气这个主题上引用最多的“权威” - 特别是在气体供应商所作的文章中。
　　这个时期的另一本书，提倡对密间距使用氮气，把它的公布基于合理的科学实验。可是，这个试验只是在实验室完成 - “烧杯试验”与现实的生产相反 - 为了很少的改进没有计入生产中使用氮气的成本。我自己使用氮气回流焊接的经验是，对大多数表面贴装焊接，相对于运行氮气的成本，收效甚微。
　　记住，在过去13年中，炉子制造商已经花了大笔的研究开发经费来完善紧密的氮气容器。他们非常想补偿其投资，这是回流焊接中的最大的唯一问题。减少气体消耗不是一个简单的技巧，当你使用诸如在对流为主(强制对流)的炉膛中的所谓紊流气体的时候。的确，有几个制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消耗，已经达到惊人的低氧水平。这样做，他们已经相当程度地降低了使用氮气的成本。在某些方面，使用正确的设备，这个增加的工艺成本是极小的。据此，我与我的朋友Dave Heller一致认为，“在回流焊接中使用氮气就好象鸡汤 - 可能有帮助，但无厉害关系。”
　　当然，随着连接的密度增加，工艺窗口受到冲击。在焊接芯片规模元件和倒装片的应用中使用氮气是很好的保险。在这种节骨眼上，我会毫不犹豫地为这种应用使用一种惰性气体。

在表面贴装回流焊接工艺中使用氮气的十个主要理由

　　现在我们已经回顾了使用氮气的技术上的原因，让我们再看看具有氮气能力的炉子的强大市场存在的真正理由。特别感谢我们在Texas的同事Jerry Cupples ，他把这些情况总结得非常好：
10)、氮气是我们星球上最丰富的气体，可以无限供应。
9)、由于到处都有的管道与精小别致的流量计所产生的化学时尚的神秘性。
8)、比氩气便宜得多，你可显示成本节约的补偿。
7)、不会燃烧，不用担心炉子着火。
6)、你怎样认为Mick Jagger保持他那年青的肤色？
5)、你有Air Liquide和/或Prex-Air的股票。
4)、BGA的采用是任何购买、变化、升级等的完美借口。
3)、它可能不会使你的焊接点更好，但它会感化ISO审查员。
2)、气体销售员的每月一次的免费午餐。
1)、我们都喜欢从管口冲出的压缩气体的声音。

References
1. Zerrow, P. (1997, October) OSPs - Better living through modern chemistry. Circuits Assembly.

　　Phil Zarrow, is a surface mount process consultant and president of ITM, Inc., Durham, NH, e-mail: ITM@itm-smt.com.