本文(wen)討論在(zai)(zai)電(dian)子(zi)組(zu)裝(zhuang)使(shi)用(yong)(yong)氮氣(qi)(qi)焊接(jie)工(gong)藝的好(hao)處，并(bing)嘗試糾正人們對在(zai)(zai)電(dian)子(zi)組(zu)裝(zhuang)工(gong)藝中使(shi)用(yong)(yong)氮氣(qi)(qi)的一些誤解。我們將分析使(shi)用(yong)(yong)氮氣(qi)(qi)的理由(you)及其成本優勢。另外，我們還將闡述需求評估方法(fa)，并(bing)解釋(shi)在(zai)(zai)何種(zhong)情況下應該在(zai)(zai)電(dian)子(zi)組(zu)裝(zhuang)工(gong)序(xu)中導入氮氣(qi)(qi)工(gong)藝。我們還將通過案例研究介紹在(zai)(zai)電(dian)子(zi)組(zu)裝(zhuang)工(gong)序(xu)中應用(yong)(yong)氮氣(qi)(qi)焊接(jie)工(gong)藝所帶來的好(hao)處。

新一代的集成電路要求實現更高密度的微電子封裝技術，因此微電子制程工程師對制程難題的關注度日益增加。這些新一代封裝技術包括BGA、倒裝芯片、堆疊或3D封裝、精細間距、以及芯片級元件等。在回流焊和波峰焊工藝中使用“免清洗”助焊(han)劑(ji)需(xu)要修(xiu)改現有(you)組裝(zhuang)(zhuang)工藝(yi)，無鉛合金焊(han)料(liao)的(de)應(ying)用則(ze)帶(dai)來(lai)(lai)了其(qi)它一些(xie)制程(cheng)問題(ti)，印刷電路(lu)板組裝(zhuang)(zhuang)工序中(zhong)存在(zai)的(de)許多(duo)難題(ti)都需(xu)要制程(cheng)工程(cheng)師通過使用新的(de)工藝(yi)技術、設備和材料(liao)來(lai)(lai)解決。

元器件與印刷電路板之間的主要連接方法是焊接。而焊點質量在很大程度上取決于焊料與待焊接材料之間的潤濕性。無鉛焊料的熔點高于傳統的鉛基合金焊料。錫/銅/銀合金的熔點比鉛基焊料大約高34℃。在空(kong)氣(qi)條件(jian)下焊接印(yin)刷(shua)(shua)電(dian)路(lu)板(ban)時，電(dian)子組裝過(guo)程中使用的金屬合(he)金極容易氧(yang)化(hua)(hua)，在空(kong)氣(qi)環(huan)境(jing)中很快形(xing)成(cheng)錫的氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)，這些氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)會妨礙熔化(hua)(hua)合(he)金在印(yin)刷(shua)(shua)電(dian)路(lu)板(ban)基板(ban)和元件(jian)引腳上的潤濕(shi)(shi)，可(ke)(ke)能會導致焊接缺陷。使用氮氣(qi)作為(wei)工藝(yi)保護氣(qi)體可(ke)(ke)以減少氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)的形(xing)成(cheng)，而抑制焊料氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)的形(xing)成(cheng)，可(ke)(ke)以提高(gao)潤濕(shi)(shi)速度，改善焊接質量。

許多焊接缺(que)陷都是由(you)于元件和基板之間(jian)的(de)焊料潤濕性(xing)欠佳造(zao)成的(de)。最(zui)嚴重(zhong)的(de)缺(que)陷是那些由(you)于不潤濕、橋接和焊接不充分(fen)造(zao)成的(de)缺(que)陷。通過使(shi)用惰(duo)性(xing)氣(qi)體(ti)，可以大幅減少這一類型(xing)的(de)缺(que)陷，從而提高產品(pin)的(de)直(zhi)通率，達到減少返修工作，并提高生產效率的(de)目(mu)的(de)。在微電子組(zu)裝工序中使(shi)用惰(duo)性(xing)氣(qi)體(ti)具有以下好處：

對于回流焊:

• 減少焊接缺陷
• 提高直通率
• 低勞動成本，提高生產率
• 消除金屬表面氧化
• 提高焊點強度
• 實現低殘留，免清洗焊接
• 擴大工藝窗口

對于波峰焊:

• 大大降低錫渣的形成
• 降低設備維護成本，節約勞動成本
• 減少設備保養時間，延長有效工作時間
• 增加潤濕性，減少潤濕時間
• 降低總的焊接缺陷
• 減少助焊劑用量，增強焊接性能
• 擴大工藝窗口

在焊接工藝中，氮氣氣氛可以防止焊料合金的氧化，因此，導入氮氣工藝后，電子組裝廠可以提高產品質量和降低總體生產成本，還能夠改善焊接性能和降低焊接缺陷率。導入氮氣可以減少那些易發生氧化的工藝中的氧化現象，實現免清洗焊接，這樣又可以減少成本高昂的返工需求。在BGA封裝和倒裝芯片技術中，氮氣保護技術可以增強潤濕性，提高產品的直通率，而且不需要清除難以觸及區域的助焊劑殘留物，并且減少返工量。
 

通過使用免清洗焊接技術，制程工程師可以免除焊接后的清洗步驟。免清洗惰性氣氛焊接是一種環保的工藝，不使用任何溶劑，也不需要清洗設備，從而可以節省車間占用面積，更重要的是，降低了生產成本。
 

惰(duo)性氣(qi)體焊接(jie)技術(shu)的應用(yong)使(shi)得(de)制程(cheng)工程(cheng)師可以有效(xiao)地應用(yong)新的封裝技術(shu)，同時擴大工藝窗口(kou)，降(jiang)低成(cheng)本，提(ti)高(gao)質(zhi)量和生產效(xiao)率。

在無鉛焊接過程中使用惰性氣體具有以下好處

• 改善高溫合金焊料的潤濕性
• 如果需要使用RMA免清洗助焊化學劑，助焊劑殘留物會變得更柔軟，而且很少發生聚合，在后續的測試過程中減少誤報的發生。
• 除助焊劑殘留物。
• 如果為了避免殘留物而使用低殘留或超低殘留助焊劑，氮氣可以避免新氧化物形成。
• 波峰焊中，減少錫渣的形成，改善潤濕性，減少波峰上的臟污并減少短路缺陷。
• 如果在組裝過程中需要進行二次回流和波峰焊，更高的焊接溫度會對焊盤以及元器件的腳趾部位以及電鍍的通孔等部位造成更嚴重的氧化。
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• 由于使用氮氣后潤濕性得到改善，因此可以提高走板速度，減少線路板和元件處于高溫之中的時間。
• 由于底部填充問題（例如，助焊劑殘留物造成芯片和線路板底部填充料發生剝離）要求使用低侵蝕性助焊劑，因此倒裝片和CSP等元器件需要使用氮氣保護來改善潤濕性。
• 如果使用OSP涂層板，氮氣將有助于防止未焊接的焊盤和電鍍通孔發生氧化以備下一次焊接使用。
• 氣有助于簡化制程，并提供更大的工藝窗口。
• 使用氮氣可以降低溫度曲線的峰值溫度。

惰(duo)性(xing)(xing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體焊(han)接(jie)技(ji)術使用(yong)氮氣(qi)(qi)(qi)(qi)或其(qi)他惰(duo)性(xing)(xing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體（如氬(ya)氣(qi)(qi)(qi)(qi)或氦氣(qi)(qi)(qi)(qi)）可減少(shao)回流(liu)焊(han)爐(lu)或波峰(feng)焊(han)系(xi)統中(zhong)的氧(yang)氣(qi)(qi)(qi)(qi)含量(liang)。選(xuan)擇使用(yong)氮氣(qi)(qi)(qi)(qi)而不(bu)是(shi)其(qi)它(ta)(ta)(ta)惰(duo)性(xing)(xing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體，如氬(ya)氣(qi)(qi)(qi)(qi)等，是(shi)因為氮氣(qi)(qi)(qi)(qi)的成(cheng)本(ben)更低。氮氣(qi)(qi)(qi)(qi)或其(qi)它(ta)(ta)(ta)惰(duo)性(xing)(xing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體不(bu)會與金屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)反(fan)應，只會阻止氧(yang)化(hua)物(wu)的生(sheng)成(cheng)。在(zai)(zai)印刷電路或集成(cheng)電路封裝工(gong)藝中(zhong)，惰(duo)性(xing)(xing)意(yi)味著(zhu)不(bu)易(yi)在(zai)(zai)焊(han)接(jie)溫(wen)度(du)下(xia)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)化(hua)學反(fan)應。只有氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)或氮氫(qing)混合氣(qi)(qi)(qi)(qi)體才能夠與氧(yang)化(hua)物(wu)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)反(fan)應并(bing)除去它(ta)(ta)(ta)們，但必須注意(yi)的是(shi)，這種反(fan)應需要(yao)在(zai)(zai)較高的溫(wen)度(du)才能進(jin)行(xing)以減少(shao)氧(yang)化(hua)物(wu)。

一些人認為氮氣會提高空氣的熱傳導能力，但事實上，氮氣在空氣中的含量高達78%，其(qi)分(fen)子量與(yu)空氣(qi)(qi)非常接近(jin)，因(yin)此幾乎不會產生任何差別。在焊接工藝(yi)中使用氮氣(qi)(qi)時(shi)，我們必(bi)須明白，氮氣(qi)(qi)會與(yu)空氣(qi)(qi)發生混合(he)，因(yin)為回流爐和波峰(feng)爐都是不密(mi)封的。

在回流焊爐中使用氮氣要基于爐子本身通道式的結構、爐子的抽風速度以及氮氣流量三者之間的平衡。這遠比使用強制對流來產生適當的熱量從而達到活化焊接材料要復雜得多。最近的研究表明，回流區氧氣濃度在1000ppm或以(yi)下(xia)才能(neng)夠(gou)改善焊料潤濕性(xing)，確保可(ke)靠的焊點質量(liang)。我們必須明白，基于以(yi)上種(zhong)種(zhong)原因，即(ji)使(shi)導入(ru)氮氣(qi)也無法達到(dao)超低的氧(yang)(yang)氣(qi)濃(nong)度。但是(shi)氮氣(qi)還是(shi)有(you)助(zhu)于將氧(yang)(yang)氣(qi)濃(nong)度稀釋到(dao)一(yi)定程度，從而改善潤濕性(xing)。

然而在(zai)業內，氮氣(qi)使(shi)用成本太高，通常只有當客(ke)戶(hu)要(yao)求使(shi)用氮氣(qi)并(bing)承擔使(shi)用成本時，電子組裝廠才會使(shi)用惰(duo)性氣(qi)體工藝。氮氣(qi)供應商對待這一基本現狀(zhuang)的態度取決于他們(men)對潛在(zai)客(ke)戶(hu)的總(zong)體生產成本的理解。

為潛(qian)在(zai)客戶提供(gong)合適的解決方案時，應當對許多(duo)因(yin)(yin)素(su)進行(xing)量化(hua)考(kao)核。以(yi)下是(shi)其中的一些因(yin)(yin)素(su)。

產品類型

若想確定使(shi)(shi)用氮氣(qi)會(hui)給電子組(zu)裝(zhuang)廠帶來何種效益，首先要(yao)看進(jin)行(xing)組(zu)裝(zhuang)的(de)(de)產(chan)(chan)品是什(shen)么。顯然，如(ru)果要(yao)進(jin)行(xing)組(zu)裝(zhuang)的(de)(de)產(chan)(chan)品價值(zhi)較(jiao)低(di)，如(ru)產(chan)(chan)品是單面(mian)板(ban)并且(qie)復雜元件很(hen)少，那么使(shi)(shi)用氮氣(qi)所(suo)帶來的(de)(de)效益不(bu)(bu)會(hui)很(hen)高，這(zhe)種情況(kuang)下可能(neng)不(bu)(bu)適合使(shi)(shi)用氮氣(qi)。反之，如(ru)果要(yao)進(jin)行(xing)組(zu)裝(zhuang)的(de)(de)產(chan)(chan)品價值(zhi)很(hen)高，如(ru)產(chan)(chan)品是雙面(mian)板(ban)并且(qie)復雜元件很(hen)多，在回流焊接和波峰焊接時要(yao)進(jin)行(xing)多項工藝操(cao)作，此(ci)時使(shi)(shi)用氮氣(qi)可以帶來諸多益處，使(shi)(shi)用氮氣(qi)工藝的(de)(de)幾率也較(jiao)高。

一次通過合格率

對組裝廠(chang)來說，一次通過合(he)格率是一項非(fei)常關鍵(jian)的(de)質(zhi)量系數(shu)。對線(xian)路板進(jin)行回(hui)流焊(han)(han)接(jie)和波峰(feng)焊(han)(han)接(jie)后，就要進(jin)行初(chu)檢。檢測(ce)設(she)備自身檢測(ce)缺(que)陷的(de)能(neng)力以及(ji)板上(shang)是否有助焊(han)(han)劑殘留(liu)，都會(hui)影響檢測(ce)設(she)備對線(xian)路板上(shang)缺(que)陷的(de)判斷(duan)(duan)，它可能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)檢測(ce)設(she)備誤判斷(duan)(duan)，把好的(de)線(xian)路板標記為壞的(de)并(bing)要求其返工，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)整(zheng)體(ti)組裝成本的(de)增加。氮氣工藝能(neng)降低助焊(han)(han)劑殘留(liu)并(bing)使焊(han)(han)點表面保(bao)持清潔從(cong)而(er)更容易(yi)通過檢測(ce)。

缺陷類型

我們觀察到，在印刷線(xian)(xian)路板(ban)組裝(zhuang)過程中會產生(sheng)多種缺(que)陷。這些(xie)缺(que)陷包括冷焊(han)(han)、橋接和(he)潤濕不(bu)良(liang)。有些(xie)缺(que)陷的(de)返(fan)工很(hen)簡(jian)單，然而(er)(er)，如(ru)果元(yuan)器件之間(jian)的(de)間(jian)距很(hen)小，返(fan)工就比較(jiao)困(kun)難。有時，返(fan)工會破壞線(xian)(xian)路板(ban)上(shang)的(de)銅箔(bo)，例如(ru)導致銅箔(bo)翹起，而(er)(er)這種問題是無法修復(fu)的(de)；在大多數情況(kuang)下，這種線(xian)(xian)路板(ban)以及板(ban)上(shang)的(de)元(yuan)器件會被報廢。氮氣工藝(yi)能(neng)改善回流(liu)焊(han)(han)接和(he)波峰焊(han)(han)接工藝(yi)中焊(han)(han)料(liao)的(de)潤濕能(neng)力，從而(er)(er)降(jiang)低焊(han)(han)料(liao)在空氣中的(de)氧化，這樣就能(neng)夠(gou)減少缺(que)陷和(he)因此帶來的(de)返(fan)工工作，進而(er)(er)降(jiang)低總體生(sheng)產成本。

自動光學檢查（AOI）和線路內測試

自動光學檢測（AOI）和在線測試儀（ICT）是SMT組裝廠使用的重要測試工具，它們用來檢查產品是否存在缺陷并確定電路測試中焊點的功能是否正常。如果線路板在焊點處的助焊劑殘留較多，AOI就會因為由助焊劑殘留導致的對比度差而很難識別，從而做出錯誤的判斷，將助焊劑殘留多的地方判定為缺陷。氮氣工藝能夠減少助焊劑殘留，使焊點處更加光亮，從而為AOI的光學識別系統提供良好的對比度，因此能夠將好的焊點
 

回流焊
 

與壞的焊點以及有缺陷的焊點區分開。進行電路測試時，ICT用探針接觸焊點來檢測焊點的通斷，以區分出短路或開路。如果助焊劑殘留物集中在焊點處，探針可能無法完全穿透助焊劑殘留和焊點更好地接觸，這樣焊點就會被認定為一個開路或者是短路點。久而久之，助焊劑會在探針上越積越多，而清洗探針或更換探針都會增加線路板組裝的成本。
 

使用氮氣可明顯減少大多數常見焊接缺陷，但是無法完全消除這些缺陷，比如由機械問題（如引腳變形）造成的缺陷并不能通過使用氮氣來得到完全消除。但是，使用氮氣之后，可以明顯改善不潤濕、橋接（短路）、假焊和潤濕性不好等問題。惰性氣體能夠減少回流焊后線路上的助焊劑殘留，從而減少可腐蝕性離子在板上殘留。
 

波峰焊

在波峰焊中使用氮氣將減少錫渣和錫氧化物的形成，并且可以降低錫條成本和助焊劑用量，提高生產率和減少機器維護工作量，另外還可以降低缺陷率。
 

新(xin)的(de)(de)封(feng)裝技(ji)術要求使(shi)(shi)用更(geng)(geng)小、更(geng)(geng)薄、性能更(geng)(geng)強的(de)(de)焊接(jie)設備。盡(jin)管波(bo)峰焊接(jie)工藝預計將會(hui)消失，但(dan)是這種(zhong)氮(dan)氣惰化焊接(jie)技(ji)術仍(reng)然會(hui)被廣泛使(shi)(shi)用。通(tong)孔元(yuan)器件的(de)(de)使(shi)(shi)用及其總體成本(ben)(ben)的(de)(de)優勢(shi)使(shi)(shi)其具有長期(qi)的(de)(de)生命(ming)力。因此，隨著(zhu)電子(zi)制造的(de)(de)成本(ben)(ben)削(xue)減(jian)壓力和質量要求不(bu)斷提高，使(shi)(shi)用波(bo)峰焊技(ji)術的(de)(de)組裝廠(chang)商必(bi)須考慮使(shi)(shi)用創(chuang)新(xin)的(de)(de)方法來(lai)解決這些(xie)問題。

結論

綜上所述，在(zai)回流(liu)焊、波峰(feng)焊和(he)選擇性波峰(feng)焊中導入氮氣(qi)氣(qi)氛，可以提高(gao)(gao)焊料在(zai)線(xian)路板和(he)元器(qi)件上的的潤濕性，減(jian)少焊接缺陷(xian)，提高(gao)(gao)工藝可靠性和(he)生(sheng)產率，以及減(jian)少生(sheng)產總成本。

王開玉是設在中國廣州的空氣產品公司針對電子封裝、組裝和測試行業的全球應用技術開發部員工。Gregory K. Arslanian是設在美國賓州Allentown的空氣產品公司針對電子封裝(zhuang)、組裝(zhuang)和測試行業的。