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PCBA大講堂:SMT回流焊爐加氮氣(N2)的優缺點探討

time : 2019-09-18 09:14       作者:凡億pcb

PCBA加工制程中SMT回流焊爐加氮氣(N2)最主要用途在降低焊接面氧化,提高焊接的潤濕性,因為氮氣屬于惰性氣體(inert gas)的一種,不易與金屬產生化合物,也可以避免空氣中的氧氣與金屬接觸產生氧化的反應。
 
而使用氮氣可以改善SMT焊接性的原理(機理)是基于氮氣環境下焊錫的表面張力會小于暴露于大氣環境,使得焊錫的流動性與潤濕性得到改善。其次是氮氣把原本空氣中的氧氣(O2)及可污染焊接表面的物質溶度降低,大大的降低了焊錫高溫時的氧化作用,尤其在第二面回流焊品質的提昇上助益頗大。
 
所以其實印刷電路板(PCB)在第一面(1st side)過回流焊(reflow)時,電路板第二面(2nd side)的表面處理實際上也同時經歷著相同的高溫,電路板的表面處理會因高溫而有被破壞,特別是使用OSP表面處理的板子,而且氧化作用在高溫下也正急速的進行著,加了氮氣后就可以在第一面過回流焊時大大降低第二面表面處理的氧化程度,使其可以撐到第二面過爐得到最佳焊接效果。
 
另外,如果過完第一面回流焊后電路板閑置暴露于空氣中時間過久才進行第二面回流焊,也容易造成氧化問題而讓第二面回流焊時產生拒焊或空焊的問題。
 
這種時候ENIG板子的優點就顯現出來了,因為ENIG的表面處理為「金(Gold)」,在目前的回流焊溫度下,其第二面表面處理幾乎不會有氧化的問題。噴錫或化錫板則會因為第一次回流焊高溫,而提前在第二面未焊接前就產生IMC,影響第二面回流焊的可靠度。
 
對ENIG及噴錫或化錫板焊皆有興趣的朋友可以參考本部落格的相關文章: 
整理幾種常見PCB表面處理的優缺點 
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良原因
ENIG表面處理是什么電路板?有何優缺點? 
ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預防措施
 
不過,深圳宏力捷必須要強調「氮氣并不是解決氧化的萬靈丹」,如果零件或是電路板的表面已經嚴重氧化,氮氣是無法使其起死回生的,而且氮氣也僅對輕微氧化可以產生補救的效果(是補救,不是解決)。其實,儲存及作業過程中只要可以確保PCB的表面處理及零件不會產生有氧化,加氮氣基本上沒有太大的作用,最多就是促進焊錫的流動、增加爬錫的高度。但是,話又說回來,還真沒幾家公司可以百分百確保其PCB及零件表面處理沒有氧化的。
 
前說了許多氮氣的優點,話說回來「回流焊爐(Reflow oven)」使用氮氣并不是百利而無害,先不說加氮氣「燒錢」的問題,就因為氮氣可以促進焊錫的流動效果,所以才會出問題,聽起來怪怪的?
 
電阻電容墓碑效應因為焊錫的流動太好也意味著加溫效果較好,這個效果對大部分零件有好處,但是可能會惡化電阻電容這種小零件(small-chip)的「墓碑效應(Tombstone effect)」,因為零件一端先融錫而一端未融錫,先融錫的一端內聚力加強后就會開始拉扯零件,未融錫端拉不住零件,最后形成立碑,根據經驗墓碑問題特別容易發生在0603與0805大小的小電阻及電容上,因為其尺寸及錫膏印刷距離剛好容易立起零件。
 
另外,氮氣也會增加焊錫的「燈芯效應」,讓錫膏可以沿著零件焊腳的表面爬錫更高,這對某些零件焊腳可能是加分,但是對某些連接器可能就是剪分,因為連接器的焊腳再往上通常是與其他零件連接的接觸點,這些接觸點如果吃錫可能會造成其他問題,而且現在的連接器腳間距很窄,焊錫往上爬可能有短路的風險。
 
--- 來總結一下前面的觀點 ---
回流焊加氮氣的優點:
? 減少過爐氧化
? 提升焊接能力
? 增強焊錫性
? 減少空洞率(void)。因為錫膏或焊墊的氧化降低,空洞自然就減少了。
 
回流焊加氮氣的缺點:
? 燒錢
? 增加墓碑的機率
? 增強燈芯效應
 
什么樣的電路板或零件適合使用氮氣回流焊?
? OSP表面處理雙面回流焊的板子適合使用氮氣。
? 零件或電路板吃錫效果不好時可以使用。
? 使用氮氣后需注意墓碑不良是否增加,也要檢查連接器焊腳爬錫是否過高?