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探秘回流焊炉中的氮气:作用与利弊全解析

2024-11-26
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一、回流焊炉加氮气的作用

回流焊炉加氮气主要有两个重要作用。


(一)减少氧化


  1. 降低焊接面氧化及 PCB 氧化,氮气属于惰性气体,不易与金属产生化合物,避免金属被空气氧化,减少焊锡高温时的氧化作用。在焊接过程中,高温环境下金属表面容易与空气中的氧气发生氧化反应,导致焊接接头质量下降。加入氮气后,氮气可以排挤焊炉内的氧气,降低焊接区域的氧含量,从而有效减少氧化现象。对于 PCB 双面板,在面过炉时,PCB 第二面也同时经历着高温,电路板的表面处理会因高温而被破坏。特别是使用 OSP 表面处理的板子,充氮气后可在面过回流焊时降低第二面表面处理的氧化程度,确保第二面过炉得到更佳焊接效果。如果过完面回流焊后电路板闲置暴露于空气中时间过久才进行第二面回流焊,也容易造成氧化问题而让第二面回流焊时产生拒焊或空焊的问题。而 ENIG 板子在目前的回流焊温度下,其第二面表面处理几乎不会有氧化的问题,但喷锡或化锡板则会因为次回流焊高温,而提前在第二面未焊接前就产生 IMC,响第二面回流焊的可靠度。不过,氮气并不是解决氧化的万灵丹,如果零件或是电路板的表面已经严重氧化,氮气是无法使其起死回生的,而且氮气也仅对轻微氧化可以产生补救的效果。


  2. 对于 PCB 双面板,在面过炉时可降低第二面表面处理的氧化程度,确保第二面过炉得到更佳焊接效果。这是因为氮气把原本空气中的氧气及可污染焊接表面的物质溶度降低,大大的降低了焊锡高温时的氧化作用,尤其在第二面回流焊品质的提升上助益颇大。


(二)提高焊接的润湿性


在氮气环境下,焊锡的表面张力会小于大气环境,使得焊锡的流动性与润湿性得到改善。氮气可以与焊锡膏中的氧化物发生还原反应,降低焊锡膏的氧化程度,从而提高焊锡膏的湿润性和流动性。这将有助于焊锡膏更好地填充元器件引脚与电路板焊盘之间的间隙,增强焊接接头的可靠性和电气性能。


二、氮气回流焊接的优缺点




(一)优点


1.减少线路板过回流焊炉氧化。


在氮气环境下,由于氮气是惰性气体,不易与金属发生化学反应,能够有效排挤焊炉内的氧气,降低焊接区域的氧含量,从而减少线路板在回流焊过程中的氧化现象,提高焊接接头的质量。


2.提升回流焊接能力。


氮气具有良好的热传导性能,在回流焊炉中加入氮气,可以提高焊接区域的温度均匀性,使焊接接头更加牢固。同时,氮气还能降低焊接过程中产生的热应力,减少焊接裂纹的产生,进一步提升回流焊接能力。


3.增强回流焊锡性。


氮气可以与焊锡膏中的氧化物发生还原反应,降低焊锡膏的氧化程度,提高焊锡膏的湿润性和流动性,有助于焊锡膏更好地填充元器件引脚与电路板焊盘之间的间隙,增强焊接接头的可靠性和电气性能。


4.减少线路板回流焊空洞率。


因为锡膏或焊垫的氧化降低,空洞自然就减少了。氮气能够降低焊接区域的氧含量,减少焊锡膏在焊接过程中产生的氧化物,从而降低空洞的产生几率,提高焊接接头的整体质量。


(二)缺点


1.成本较高,氮气属于消耗产品要经常投入。


企业需要购买氮气设备、储存氮气罐,并定期检查和维护氮气系统,以确保其正常运行。此外,氮气的消耗也会增加企业的生产成本。因此,在使用氮气之前,企业需要进行成本效益分析,以确定是否值得投资。


2.增加回流焊后元器件墓碑的机率。


加入氮气后,由于氮气与空气的热传导性能差异,可能导致焊接区域的温度分布更加不均匀,从而增加墓碑效应的风险。墓碑问题特别容易发生在 0603 与 0805 大小的小电阻及电容上,因为其尺寸及锡膏印刷距离刚好容易立起零件。


3.增强灯芯效应。


氮气会增加焊锡的 “灯芯效应”,让锡膏可以沿着零件焊脚的表面爬锡更高,这对某些零件焊脚可能是加分,但对某些连接器可能就是减分,因为连接器的焊脚再往上通常是与其他零件连接的接触点,这些接触点如果吃锡可能会造成其他问题,而且现在的连接器脚间距很窄,焊锡往上爬可能有短路的风险。


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