[电子工艺]基于氮气环境中的无铅波峰焊分析

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随着欧盟WEEE和ROHS两项指令的正式公布,2006年7月1日起,全面禁止铅在电子产品中的使用,极大的推动了电子产品的无铅化进程.无铅焊料、无铅助焊剂、无铅焊接设备以及PCB的无铅化已经逐步成熟.相对于传统的SN-BP合金焊接系统,无铅焊接系统的主要特点是无铅焊料的润湿性差、焊接温度的升高和易氧化. N2保护不仅可以增加焊料的润湿性,提高焊接质量,而且可以防止焊料的氧化、降低助焊剂的使用量.

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对于无铅焊料，其润湿性要弱于传统的Sn—Pb焊料。从环保的角度考虑，又要使用活性较弱的低固免清洗助焊剂或水溶性助焊剂。在N2保护环境下，无铅焊料的润湿角、润湿力和润湿时间都有明显的改善。C.C.Dong等的试验报告数据提供了有力的证据,说明对于相同的焊料和助焊剂,在N2环境下,润湿角平均提高了40%、润湿力增长了约3-5%、润湿时间可降低15%.

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Siemens公司的研究报告也显示，采用N2保护，降低焊接气氛中氧的浓度，可以降低无铅焊料的氧化，提高润湿性，降低缺陷率。其研究显示随着氧气浓度的降低，产生的锡渣量减少，当N2保护中O2的含量在50ppm或以下时，基本上不产生焊料的氧化；而且随着O2含量的降低，总的缺陷率降低，空气中总的缺陷率是l0ppm O2下缺陷率的4倍，是1000ppm和10000ppm O2下缺陷率的2.2—2.5倍.

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1. 理论基础
  在焊接过程中，焊料与母材之间的润湿程度通常可以用焊料与母材之间的润湿角θ的大小来表示，如图1所示。
  
从图中可以看出，润湿角θ是指焊料和母材间的界面和焊料表面的切线之间的夹角。润湿性的好坏在客观上取决于不同相界面之间的表面张力的相互作用。σ固气力图使液面铺展，而σ液气和σ液固则力图使液滴收缩，达到平衡时建立如下关系，即T.Yang提出的杨氏方程：
  
σ固气=σ液固+σ液气cosθ…………………………………………
  
当θ=0°时表示焊料在母材表面完全润湿；当θ=l80°时表示焊料在母材表面完全不润湿。当θ≤90°时认为焊点是合格的，当θ>90°时则认为焊点是不合格的。   在焊接过程中，设法降低液态焊料的表面张力用以提高焊料的润湿性，即降低σ液气值以达到降低θ值。

当采用N2保护时，降低了焊料表面的氧化，从而有效地降低液态焊料的表面张力。并且在N2环境中，焊料本身的表面张力就会降低，近年来微连接中提倡采用N2保护从而提高焊接质量的目的，其理论依据也在于此。

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2. 试验与分析
润湿性实验采用的设备为SAT一5100可焊性测试仪，PCB采用符合无铅要求的FR一4板，焊接试验采用的设备为suneast CN300型氮气保护波峰焊，微观分析采用OlympusGX51型金相显微镜。

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2.1 提高润湿性

  在同一种助焊剂条件下，基于SN-AG-CU和SN-CU两种合金焊料，检测N2保护环境和空气环境中无铅焊料的润湿性，采用可焊性测试仪，测试的润湿时间和最大润湿力如表1所示。

焊料种类   5％氧气   空气
  2／3Fmax时间(s)   Fmax(mN)   2／3Fmax时间(s)   Fmax(mN)
Sn-3.0Ag-O.5Cu     0.89     3.45     1.07     3.43
  Sn—O.7Cu     1.27     3.52     1.77     3.43

  从表1中可知，不管是对于SN-3.0AG-0.5CU合金焊料还是对于SN-0.7CU合金焊料，低02浓度环境下，无铅焊料的润湿时间比空气中的润湿时间要小，最大润湿力要大。降低焊接环境中氧气的含量，可以提高合金焊料的润湿性能，提高可焊性。

分析其原因是N2保护环境下显著降低了无铅焊料的氧化，氧化物的减少有利于降低无铅焊料的表面张力，从而提高焊料的润湿力，润湿力的提高是提高焊接接头质量和形状的一个重要因素。小的润湿角是提高焊料良好的润湿性和保证良好的焊接接头的重要因素，N2保护可以显著降低焊料的润湿角，这是无铅焊接需要采用N2保护的一个重要因素。

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2.2 降低缺陷率

通过润湿试验可知，N2保护可以明显提高无铅焊料的润湿性，降低润湿时间，提高可焊性。为了进一步证实N2保护下无铅焊料的可焊性，降低焊接中的缺陷率，采用相同的工艺参数，在两种不同的气氛中进行焊接试验。
通过对实验板的观察，发现其主要的缺陷为桥连和填充不足。特别是在空气环境中进行焊接，桥连和填充不足现象非常严重。对于表面贴装元器件，其引脚几乎全部桥连或短路。宏观缺陷分析如表2所示(总的焊点数为482和3个SMD)。

表2 实验板宏观缺陷分析
      N2     空气
  桥连     l1     118和3个SMD
填充不足     14     155
润湿不良     O     16
  
从表2中可知，对于在相同条件下，N2保护下桥连和填充不足等焊接缺陷率远低于空气环境。其原因是N2保护下焊接环境中02浓度的降低明显增加了焊料的润湿性，提高了合金焊料的流动性。从另一个方面也说明了N2保护下波峰焊接的工艺操作窗口相对于空气环境中要宽。

  通过对通孔直插件的截面分析，可以进一步说明N2保护环境下提高了无铅焊料的润湿性，形成良好的焊点外观，提高焊点的可靠性。

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2.3 降低助焊剂用量

  在波峰焊接过程中，助焊剂的作用主要是除去PCB铜盘、元器件引脚和焊料表面氧化膜，同时在波峰焊接过程中保护已除去氧化膜的清洁表面不再氧化，并且促进焊料在铜盘和引线表面的润湿和铺展。
  免清洗助焊剂是随电子工业发展及环境保护的需要而产生的一种新型焊剂。在解决不使用CFC类清洗溶剂减少环境污染方面和解决因细间隙、高密度元器件组装带来的清洗困难和元器件与清洗剂之间的相容问题方面具有重要的意义。同无铅焊料一样，具有低固含量的免清洗助焊剂和水溶性助焊剂得到广泛的应用，免除了清洗程序。但此类助焊剂除去氧化物的能力较弱，对避免铜盘表面再氧化的保护作用是有限的。N2保护的一个重要作用是降低过程控制中的含氧量，避免铜盘的再氧化。

基于氮气环境中的无铅波峰焊分析   

此N2保护环境下可以降低助焊剂的使用量，而达到相同的除去铜盘表面氧化物能力。从试验PCB的焊接质量分析，在N2保护环境下达到理想的焊接效果，其助焊剂的使用量降低30％左右，从而减少了焊后PCB表面的残留物，可以达到免清洗的效果。

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2.4 降低锡渣量

由于无铅焊料中合金元素Sn的含量大大增加，而且无铅焊接的温度升高，从而造成无铅焊料更容易氧化，形成氧化渣。通过无铅焊料氧化渣的成分分析，其表面为一层较薄的Sn02氧化物，中间是未被氧化的可使用的无铅焊料。一般氧化渣由90％的有效成分和10％的氧化渣组成。

N2保护可以明显降低无铅焊料的氧化，在空气环境下进行焊接试验时，波峰焊机正常工作时，无铅焊料在钎料槽中很容易被氧化形成氧化渣，其产生的氧化渣量为0.4kg／h；当采用N2保护时，钎料槽表面的氧化渣明显降低，产生的氧化渣量可以低于0.1 kg／h，相当于空气环境中的四分之一以下，节约成本。

薛凯敏

能不能用二氧化碳代替氮气呢？