深度解析氮气在SMT焊接中的作用与工艺

自从欧盟执行《电器与电子设备废料指令》(WEEE)和《电器与电子设备所含有毒物质限制指令》

(RoHS)以来,对于严重危害环境的有毒重金属以及有害物质,在电子产品中被严格限制使用,而锡铅合金焊料首当其冲被禁止使用。电子组装业“绿色制造”的无铅化组装工艺,经过近5年的强势推行和技术探索,已然成为不可逆转的发展潮流,而今渐趋成熟且深入人心。有研究资料及生产实践表明,无铅焊料的润湿性明显要弱于传统有铅焊料并更易于氧化,于是在氮气(Nitrogen)保护下进行无铅焊接已成为普遍技术之一。那么氮气保护性焊接,在回流焊与波峰焊中实施的工艺与作用如何呢?

氮气(N2)保护在无铅焊接中的作用原理,主要是利用高纯度氮气的惰性特点,使焊接区域与空气隔开抑制氧化带来的不利影响,更好地保护了助焊剂在焊接过程中的活性,使无铅焊料具有更好的浸润力(Wetting Force)和流动性(FluentAbility),使焊接界面具有更好的可焊性,从而提高焊接品质的目的。氮气保护性焊接作用广泛,比如有效地扩大焊接工艺窗囗;减少空焊、空洞以及焊锡爬升不足等缺陷;避免基板或元器件的氧化发黄问题,等等。氮气的来源主要有两种:购买罐装液氮而后使之汽化返原成常温气态氮,或者通过制氮机从空气中提取氮气直接供焊炉使用;现今最为流行的方式是通过变压吸咐(PSA)制氮技术来分离空气获取氮气。

具有氮气系统的无铅回流炉和波峰炉,它们的结构通常有别于早先对应的有铅空气焊炉,主要是前者对炉膛的气密性要求更为苛刻;其次废气排放系统不同,前者要求过滤掉助焊挥发物后,其中的部份氮气必需再次抽回到炉膛中以便循环利用,而后者的废气可能更多地被直接排放到室外。不过近来制造的焊炉设备,多半是配置空气或惰性氮气焊接系统的,在选择设备时最好两者得以兼顾。焊炉中氮气的

循环回收利用,有利于减少氮气消耗降低生产成本。在波峰焊接技术中,采用“隧道式全程充氮保护技术”,即在较长的预热区、锡波炉区和冷却区全程封闭构造,使整个焊接系统都处于氮气环境下完成焊接,不仅能有效地提高焊接品质还可大幅减少锡渣的产生。

多年的实践经验表明,氮气在一般性的无铅焊接组装工艺中并非不可或缺,对于低端产品采用空气环境焊接亦无大碍;随着工艺技术的日趋成熟,无铅焊接初期的诸多疑难杂症,而今有了更多比之经济的解决办法。所以,在许多电子组装代工厂(OEM&CEM),除了客户或特殊工艺要求,大家主要还是采用空气环境进行无铅焊接组装。然而,对于高端产品中常见的高密度组装和特殊制程,比如通孔回流焊精密的混合制程器件、水溶性锡膏焊接组装影像器件、超细间距的CSP、QFN和0201器件等,氮气保护焊接又凸现其特有价值。因而,在采用氮气保护焊接工艺之前,建议先评估使用氮气产生的成本和使用氮气带来的效益。

 

一、氮气的特性与生产制成工艺

氮气(N2)是空气的重要组成部份,在标准大气压下它所占空气的体积比率约78%,它的密度是1.25(克/升);当冷却到它的沸点温度-195.8℃(-320F)时,它可以变成无色液体,而一吨液氮相当于常温常压下780m3的氮气。电子电器产品自从实施“绿色制造”以来,氮气保护性焊接工艺受到更为普遍的重视。氮气资源充裕,从空气中分离提取较为容易,在电子组装中有助于提高焊接品质,它是一种的重要廉价辅材,于是应用日益广泛。氮气的来源主要有两种方式:一是从专业的工业气体厂商手里购卖罐装液氮(Liquid Nitrogen),二是使用氮气发生器(Nitrogen Generator)直接从空气中提取获得氮气,日前较为流行的氮气提取方法是变压吸咐技术PSA(Pressure Swing Adsorption)。实施氮气保护时,一般性的产品氧残留含量范围可以适当宽一些(1001000)*3ppm之间,不过对于要求较为严格的产品氧含量需达到200~1000ppm。为此,氮气源的纯度一般要求为99.99%,这是对氮气供应系统的主要参考依据。

变压吸咐(PSA)作为重要的空气分离技术,主要应用于气体的分离及纯化。PSA分离方法生产氮气,主要设备有空压机、空气冷却器、空气干燥器、吸附制氮机/换热器、膨胀机和精流塔和储气罐等,参考图1A。变压吸附制氮装置以压缩空气为原料,利用一种叫做碳分子筛的高性能吸咐剂(图1B),碳分子筛具有很小微孔组成,孔径分布在0.3nm1nm之间。在一定的压力下碳分子筛对空气中氧的吸附远大于氮(参考图1C),通过选择性吸附对氧气和氮气进行分离直接制取氮气。分子筛对氧和氮的分离作用主要是基于这两种气体在分子筛表面的扩散速率不同。碳分子筛是一种兼具活性炭和分子筛某些特性的碳基吸附剂,较小直径的气体(氧气)扩散较快,较多进入分子筛固相,这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后,分子筛对氧的吸附达到平衡,根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性,降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附,这一过程称为再生。变压吸附法通常使用两塔并联,交替进行加压吸附和解压再生,从而获得连续的氮气流。

 

二、氮气保护在无铅焊接工艺中实施的缘由

由于铅对人类环境的危害,全面禁止在电子产品生产中使用含铅超标的焊料,防止铅以及其它有毒重金属的污染早已成为世界潮流;无铅工艺在波峰焊和回流焊接中推行已有多年,而某些技术问题还亟待完善。在无铅化电子组装焊接工艺中,为什么推荐使用惰性氮气保护?而它的作用与工艺又当如何呢?!

自从推行“绿色制造”以来,无铅焊料的开发和应用如同雨后春笋般繁荣,一些权威的研究机构和实验室,经过对众多的无铅焊料综合性能进行甄别遴选,以日本和欧美为首的许多知名的电子生产企业,大家最终以三元合金锡银铜Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)取代了传统的二元合金锡铅Sn63Pb37焊料的地位,成为表面钎焊组装工艺中应用最广最具主流的合金焊料,它们的重要性能比较参考图表2。有研究资料表明,无铅焊料以Sn/Ag/Cu合金为例其熔融温度为217-221℃,有铅共晶合金焊料63Sn/37Pb和Sn62/Pb36/Ag2的熔点分别为183℃和179℃;除了锡铋(SnBi)无铅焊料,其它无铅焊料的熔融温度一般说来要高于有铅焊料,它们的峰值温度比熔点温度通常要高出20~40℃。以SAC305为首的无铅焊料不仅焊接温度有一定升高,而且其焊锡表面张力也大幅增加(参考图3A),也就是说其可焊性通常不如有铅焊料。无铅焊料的可焊性能明显降低,无疑给精细化组装工艺和品质带来了诸多挑战,对此我们又该如何应对呢?

 

从纤焊的原理我们知道,焊接就是用熔融的焊料使结合点表面润湿,以便在两个金属部件之间形成冶金键合,其过程分为焊料的扩散、基底金属的熔融和金属互化物良性(IMC)的形成以及冷却。熔融的焊料必须充分润湿被焊的金属表面才能产生焊接过程,而焊接的好坏取决于熔融焊料的润湿能力,只有在界面处形成理想的IMC层才能可靠地连接在一起。大家知道,在锡铜焊料中添加少量的银(Ag)、铋(Bi)或锢(In)等元素,则能有效地优化焊料的焊接性能,比如降低焊接温度和表面张力,改善浸润速度和浸润力(Wetting Force)一般地,在低银的SAC合金中添加铋可以补偿银的不足来维持浸润特性,从而改善通孔透锡和扩散性,并降低桥连和空焊等缺陷。

研究资料表明:温度对于最终的润湿性影响巨大,温度较高时润湿性要更好;助焊剂的活性强弱较大程度上影响着可焊性,助焊剂活性越强润湿性越好(参考图4A);润湿性和焊锡合金也有很大关系,在特定工艺下含有银(Ag)的焊料它的性能明显好于不含银的焊料;尤其值得注意是,氮气环境的润湿性能要明显优于空气环境焊接,这也是本文探讨的重点。另外,润湿效果的好坏可以通过润湿力与熔融焊接时间的反映出来。

 

在无铅回流焊接(Reflow Soldering)工艺中,实施惰性氮气氛可以减少或避免焊锡、焊盘和元器件引脚的氧化,从而达到改善焊接润湿性能的目的。在波峰焊接中,惰性氮气氛不仅能提高焊接品质,也能大幅减少浮渣的产生并提高焊锡利用率。无铅波峰焊(Wave soldering)目前使用的焊料主要是SAC305和Sn0.7Cu 合金,不含银的锡铜Sn0.7Cu合金之熔融为227C左右,比SAC305要高出近10℃;相对于传统的SnPb焊料,无铅焊料的主要特点是润湿性更差、焊接温度更高以及焊料更容易被氧化。具体说来,有铅焊料转换为无铅焊料工艺的过程中,面临以下四个问题:

 

三、实施氮气保护在无铅焊接中的作用

氮气(N2)保护在无铅焊接中的作用原理,主要是利用高纯度的氮气惰性特点,可以屏蔽(Shroud)

隔离焊接区域中的空气,有效地阻止了焊锡、电路板焊盘、元器件焊端(焊脚)在高温下的快速氧化(参考图10),更好地发挥助焊剂的作用,提高焊料的润湿性从而确保焊接质量。在氮气环境下,无铅焊料的润湿角、润湿力和润湿时间都有明显的改善:有资料表明,在某种条件下氮气环境焊接润湿角可提高40%、润湿力可增长约3-5%、润湿时间可降低15%。

 

另外有研究理论也表明,当焊锡润湿角0为零度时表示焊料在焊盘表面完全润湿;当180°时表示焊料在焊盘表面完全不润湿。当0≤90°时认为焊点是合格的,当0>90°时则认为焊点是不合格的,有关润湿角的定义及诠释说明,参考图11。在焊接过程中,应当设法降低液态焊料的表面张力,用以提高焊料的润湿性能。当采用氮气环境焊接时,由于降低了焊料、焊盘和元器件引脚表面的氧化物,因而有效地降低了液态焊料的表面张力;在焊接工艺中,提倡采用惰性氮气(N2)保护,其理论依据也正基于此。在波峰焊中,如果无铅焊料中不添加少量的银(Ag),多层印制电路板的金属化孔(P.T.H)对于焊料填充及爬升能力可能较差,这无疑会影响焊点的强度及可靠性。不过,如果在焊接过程中对其全程充氮气,则可以降低焊料的表面张力,提高其流动性及浸润能力,从而很大程度上改善这个问题。如果在锡银铜(SAC305)焊料中,同时又进行惰性氮气保护焊接,则润湿力将得到较大提高(参考图12),而通孔插装器件的引脚吃锡效果也能得以较大改善,焊锡爬升高度和润湿将得到明显改观(参考图13),图示不良润湿比率将大幅减少。

 

对于双面无铅制程,氮气保护对于有机可焊性保护膜OSP(Organic Solder-ability Preservatives)制程的PCB焊盘或电镀通孔(P.T.H),是颇有益处的。在氮气(N2)环境的保护下,即使焊盘的保护膜损伤甚或轻度失效也能减少铜基焊盘被氧化,确保了焊盘较好的可焊性。一般说来,氮气保护对于回流焊接工艺,它不仅可以改善焊点形态外观(参考图13&图14),还可以提高焊点的强度,并一定程度上扩大工艺窗口,降低焊接缺陷率。

 

 

在无铅化电子组装中,实施惰性氮气保护性焊接,对于回流和波峰焊接工艺的重要性及作用,具体表现为以下几个方面:

1、降低焊接过程中氧化的危害

惰性氮气氛回流焊接,可以防止焊接过程中焊料、元器件引脚和焊盘的表面氧化;通常随着残留氧气量减少液态焊料的表面张力越小,其焊接润湿效果也更好;实践表明,氧气含量需低于1000ppm,比较适合回流焊接。在波峰焊接中,通过实施氮气保护性焊接,熔融钎料氧化渣的量明显减少;研究资料显示,对于常用的两种无铅钎焊料Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn0.7Cu,在氧气含量浓度降到500ppm时,锡渣量可减少60-70%。

2、提高焊接的润湿性

热风强制对流回流焊,由于助焊剂扩展率大于料合金扩展率,再加上其大量挥发、氧化以及热风的吹散,不能形成致密的隔离膜起到保护熔融合金的作用。而在氮气环境下,惰性的氮气气氛直接与液态焊锡表面接触,于是焊接钎料的润湿力增大,润湿角减小可焊性能得到较大改善;润湿能力的增强,可有效降低制程缺陷的发生率。

3、扩大焊接工艺窗口

在氮气环境下(氧含量值低于1000ppm),可以令SnAg 无铅焊料的润湿效果与SnPb有铅焊料相提并论不分伯伸。同时,它对于不含(Ag)银、(In)锶和(Bi)铋的焊料,在相同焊接条件下可焊性能得到明显改善;当氮浓度控制适当时,甚至还可以一定程度上降低焊接峰值温度与液相线以上时间。于是,它使得制造商在选择器件(尤其是超细间距器件和热敏感型器件)以及焊料辅材时有更多的余地。另外,它对于可焊性相对较差的元器件、PCB焊盘、焊锡膏以及活性较低的助焊剂,对于OSP工艺较为便宜的裸铜印制板,通孔回流焊和波峰焊的焊锡爬升效果等等,可以改善其焊接性能并扩大其制程工艺窗囗。

4、改善焊点的质量

在氮气环境下进行焊接,可使焊接缺陷率降至最低,在相同焊接条件可降低焊点内部空洞发生比率(参考图14);降低焊接桥连、焊锡爬升不良和元件偏移等缺陷的发生率,并减少不良返工成本。氮气保护对焊点外观质量也有一定的影响,由于焊接过程能获得更好的润湿,使得焊点更可靠外观光泽更漂亮(参考图15)。氮气保护减少了助焊剂残余量,降低了助焊剂氧化程度,有益于提高焊点质量和ICT测试通过率。如果在冷却区快速填充低温氮气,可以对表面焊点起到快速冷却和细化晶粒的作用,还能有效提高焊点强度。

 

总之,无铅电子焊接组装使用氮气的作用,主要是通过它隔离空气防止焊锡、焊盘和元器件引脚被氧化,增加润湿可焊性能(Increase wetting&solder-ability),降低助焊剂的使用量以及确保了助焊剂适当的活性,使得焊点获得更好的浸润。无论有铅焊接抑或无铅焊接,在氮气环境下生产良率通常比没有使用氮气要好,在无铅焊接中效果尤其明显;因此在无铅回流工艺中惰性气体保护焊接受到了更广泛的重视。不过,只有在极低氧含量条件下(低于100ppm),才能减少锡珠和立碑缺陷的发生率。在波峰焊中使用氮气,主要是为了降低成本,减少或消除氧化渣,降低机器的保养频率。

 

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