|
|
 |
SMT回焊爐加氮氣(N2)的優缺點探討
(這是一篇整理文，內文觀點不一定正確，歡迎您提出自己的意見或看法)
SMT回焊爐加氮氣(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(N2)是一種無色無味且化學性質很不活潑的一種氣體，氮氣(N2)屬於惰性氣體的一種，因為它不易與大部分的金屬產生化學反應生成化合物，所以我們可以使用氮氣來取代環境中的氧氣，以避免金屬與環境中的氧氣接觸而產生氧化反應。
備註：工作熊後來查了一些資料，發現氮氣(N2)在現代化學中已被歸類為「惰性氣體(inert gas)」的一種，另外元素週期表上的18族元素(8A)包含氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)等則被稱為「鈍性氣體(Noble gas)」，惰性氣體則包含氮氣及鈍性氣體。
而使用氮氣可以改善SMT焊接性的原理(機理)是基於氮氣環境下焊錫的表面張力會小於暴露於大氣環境中，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濃度降低，大大的降低了高溫焊錫時的氧化作用，尤其是在第二面回焊品質的提昇上助益頗大。
其實印刷電路板(PCB)在第一面(1st side)過回焊(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環境下也正在急速的進行著，加了氮氣後就可以在第一面過回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時得到最佳的焊接效果。
另外，如果過完第一面回焊後電路板閒置暴露於空氣中時間過久才進行第二面回焊，也容易造成氧化問題進而使得第二面回焊時產生拒焊或空焊的問題。
這時候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焊高溫，而提前在第二面未焊接前就生成IMC，影響第二面回焊的可靠度。
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(資料收集)
ENIG表面處理是什麼電路板？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，工作熊必須要強調「氮氣並不是解決PCB氧化的萬靈丹」，如果零件或是電路板的表面已經嚴重氧化，氮氣是無法令其起死回生的，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。
前面說了許多關於回焊時添加氮氣的優點，話說回來「回焊爐(Reflow oven)」使用氮氣並不是百利而無害，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，怎麼聽起來怪怪的？
因為焊錫的流動如果太好，就意味著潤濕效果比較好，這個效果對大部分零件當然是有好處的，但卻可能會惡化電阻電容這種小零件(small-chip)的「墓碑效應(Tombstone effect)」，因為很有可能惡化這種零件的一端比另一端先融錫而，先融錫的一端在內聚力加強後就會開始拉扯零件，而還未融錫端則因為沒有足夠的內聚力以穩住零件，最後形成「立碑」，根據經驗焊錫的「立碑」問題特別容易發生在0603與0805大小的小電阻及電容上，尤其是電容零件，因為其尺寸及錫膏印刷距離剛好特別容易立起零件。
（補充說明：上一段的文字或許有造成部份誤解，所以在此特別說明。氮氣之所以會惡化墓碑效應，應該是氮氣促進了錫膏融錫後的潤濕速度，造成部份焊點提前潤濕，惡化了兩端焊點吃錫的時間差，最終讓零件兩端的力距差異過大，終於導致形成立碑問題。 這樣應該就比較清楚表達氮氣對立碑的影響了吧！）
另外，氮氣也會增加焊錫的「毛細現象」，讓錫膏可以沿著零件焊腳的表面爬錫爬得更高，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減分了，因為連接器的焊腳再繼續往上，通常是與其他零件連接的接觸點，這些接觸點如果沾到焊錫，就可能會造成其他的接觸問題，而且現在的連接器腳間距很窄，焊錫往上爬可能會增加短路的風險。
另外，焊錫如果全部沿著焊腳往上爬，將使得焊墊上缺少焊錫而最終變成「焊錫燈芯虹吸效應(Solder Wicking Effect)」的空焊問題。
～來總結一下前面的觀點～
回焊爐使用氮氣的優點：
- 減少過爐氧化
- 提昇焊接能力
- 增強焊錫性
- 減少空洞率(void)。因為錫膏或焊墊的氧化降低、焊錫的流動性變好，空洞自然就減少了。關於這點可能只適用在焊錫較少的焊點，如果是BGA錫球這種錫量較多的焊點有可能剛好適得其反。
回焊爐使用氮氣的缺點：
- 燒錢
- 增加墓碑產生的機率
- 增強毛細現象（焊錫燈芯虹吸效應）
- 使用氮氣後需注意墓碑效應不良是否增加，也要檢查連接器焊腳爬錫是否過高影響接觸？
- 2024/7/8補充說明：可能增加BGA錫球焊點中的空洞率。
理論上，在回焊爐中添加氮氣(N2)可以使得錫膏及被焊接金屬的表面張力變小。較小的表面張力有利於焊粉(powder)的擴散及助焊劑氣體的逃逸，從而減少空洞。然而，表面張力對空洞的影響卻是取決於焊點類別：-
非BGA焊點(錫量較少的焊點)：焊錫塌落機率小，較低的表面張力有助於焊粉在金屬上遷移和擴展，可以減少焊錫空洞，也就是可以改善被焊接金屬或焊墊表面的潤濕性，降低了與被焊接金屬表面不潤濕(non-wetting)的空洞。
-
BGA焊點(焊錫量較多且較厚)：較低的表面張力無法有效支撐液態焊錫，導致氣體在焊接過程中更易聚集在一起，形成較大空洞。
詳細內容可以參考《整理SMT回焊爐添加氮氣(N2)對各種焊接不良的影響與效果》一文。
-
什麼樣的電路板或零件適合使用氮氣回焊？
- OSP表面處理雙面回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。比如增加QFN或城堡型端子(Castellated Terminations)側面吃錫的潤濕性。
- 大封裝及高密度BGA，但要注意空洞率是否增加。
延伸閱讀：
回流焊的溫度曲線（Reflow Profile）解說
電路板上常見的焊錫缺點中英文對照與解釋
整理SMT回流焊接缺點、可能原因及其對策
PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼？
|
|
訪客留言內容（Comments）
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。
訪客留言注意事項：
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上，請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言，與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言，請善加利用【搜尋框】尋找相關文章，找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章，自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容，工作熊不一定會瞭解你在說什麼，就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家，所以回答的內容或許會有不正確的地方，服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題，請前先參考這篇文章【詢問工程問題，請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問，並且請提供足夠的資訊，這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看，但不會每則留言都回答，尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度，工作熊不是你的「細漢」，更沒有拿你的薪水，所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。
8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知，如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。
請問DIP也用氮氣爐子的優缺點？謝謝