- 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，盡管使用氮氣的關鍵理由現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，已經在市場上出現了超低殘留物的錫膏，在室內空氣環境(非氮氣)中表現非常好。
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。現在的OSP，正如以前所討論的一樣1，在助焊劑和熱出現時消失。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。
氮氣環境回流焊接的最早動機是前面所提到的改善表面張力現象，通過減少缺陷來改進焊接合格率已經證明這一點。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生產運行的統計過程數據(SPC)，他交替地使用和不使用氮氣環境來運行。當我們翻閱其數據時，他會說，“看看這個，看看那個”，這些數據描述了在氮氣環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”，兩種氣體環境之間沒有發生什么差別。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 - 就象一個支持預知結論的試驗。無論如何，雖然意圖良好，但該方法是不科學的。不管怎樣，這篇文章是有關在回流焊接中使用氮氣這個主題上引用最多的“權威” - 特別是在氣體供應商所作的文章中。
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”與現實的生產相反 - 為了很少的改進沒有計入生產中使用氮氣的成本。我自己使用氮氣回流焊接的經驗是，對大多數表面貼裝焊接，相對于運行氮氣的成本，收效甚微。
記住，在過去13年中，爐子制造商已經花了大筆的研究開發經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氣體流動和低氮氣總消耗，已經達到驚人的低氧水平。這樣做，他們已經相當程度地降低了使用氮氣的成本。在某些方面，使用正確的設備，這個增加的工藝成本是極小的。據此，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，但無厲害關系。”
當然，隨著連接的密度增加，工藝窗口受到沖擊。在焊接芯片規模元件和倒裝片的應用中使用氮氣是很好的保險。在這種節骨眼上，我會毫不猶豫地為這種應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
現在我們已經回顧了使用氮氣的技術上的原因，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。9)、由于到處都有的管道與精小別致的流量計所產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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