本文討論在電子組裝使用氮氣焊接工藝的好處，并嘗試糾正人們對在電子組裝工藝中使用氮氣的一些誤解。我們將分析使用氮氣的理由及其成本優(yōu)勢。另外，我們還將闡述需求評估方法，并解釋在何種情況下應(yīng)該在電子組裝工序中導(dǎo)入氮氣工藝。我們還將通過案例研究介紹在電子組裝工序中應(yīng)用氮氣焊接工藝所帶來的好處。

新一代的集成電路要求實現(xiàn)更高密度的微電子封裝技術(shù)，因此微電子制程工程師對制程難題的關(guān)注度日益增加。這些新一代封裝技術(shù)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”助焊劑需要修改現(xiàn)有組裝工藝，無鉛合金焊料的應(yīng)用則帶來了其它一些制程問題，印刷電路板組裝工序中存在的許多難題都需要制程工程師通過使用新的工藝技術(shù)、設(shè)備和材料來解決。

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(zhì)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(tǒng)的鉛基合金焊料。錫/銅/銀合金的熔點比鉛基焊料大約高34℃。在空氣條件下焊接印刷電路板時，電子組裝過程中使用的金屬合金極容易氧化，在空氣環(huán)境中很快形成錫的氧化物，這些氧化物會妨礙熔化合金在印刷電路板基板和元件引腳上的潤濕，可能會導(dǎo)致焊接缺陷。使用氮氣作為工藝保護氣體可以減少氧化物的形成，而抑制焊料氧化物的形成，可以提高潤濕速度，改善焊接質(zhì)量。

許多焊接缺陷都是由于元件和基板之間的焊料潤濕性欠佳造成的。最嚴重的缺陷是那些由于不潤濕、橋接和焊接不充分造成的缺陷。通過使用惰性氣體，可以大幅減少這一類型的缺陷，從而提高產(chǎn)品的直通率，達到減少返修工作，并提高生產(chǎn)效率的目的。在微電子組裝工序中使用惰性氣體具有以下好處：

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(chǎn)率
• 消除金屬表面氧化
• 提高焊點強度
• 實現(xiàn)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(shè)備維護成本，節(jié)約勞動成本
• 減少設(shè)備保養(yǎng)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(dǎo)入氮氣工藝后，電子組裝廠可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低總體生產(chǎn)成本，還能夠改善焊接性能和降低焊接缺陷率。導(dǎo)入氮氣可以減少那些易發(fā)生氧化的工藝中的氧化現(xiàn)象，實現(xiàn)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(shù)中，氮氣保護技術(shù)可以增強潤濕性，提高產(chǎn)品的直通率，而且不需要清除難以觸及區(qū)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(shù)，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(huán)保的工藝，不使用任何溶劑，也不需要清洗設(shè)備，從而可以節(jié)省車間占用面積，更重要的是，降低了生產(chǎn)成本。
 

惰性氣體焊接技術(shù)的應(yīng)用使得制程工程師可以有效地應(yīng)用新的封裝技術(shù)，同時擴大工藝窗口，降低成本，提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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(xué)劑，助焊劑殘留物會變得更柔軟，而且很少發(fā)生聚合，在后續(xù)的測試過程中減少誤報的發(fā)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(fā)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(fā)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。

惰性氣體焊接技術(shù)使用氮氣或其他惰性氣體（如氬氣或氦氣）可減少回流焊爐或波峰焊系統(tǒng)中的氧氣含量。選擇使用氮氣而不是其它惰性氣體，如氬氣等，是因為氮氣的成本更低。氮氣或其它惰性氣體不會與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，只會阻止氧化物的生成。在印刷電路或集成電路封裝工藝中，惰性意味著不易在焊接溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。只有氫氣或氮氫混合氣體才能夠與氧化物發(fā)生反應(yīng)并除去它們，但必須注意的是，這種反應(yīng)需要在較高的溫度才能進行以減少氧化物。

一些人認為氮氣會提高空氣的熱傳導(dǎo)能力，但事實上，氮氣在空氣中的含量高達78%，其分子量與空氣非常接近，因此幾乎不會產(chǎn)生任何差別。在焊接工藝中使用氮氣時，我們必須明白，氮氣會與空氣發(fā)生混合，因為回流爐和波峰爐都是不密封的。

在回流焊爐中使用氮氣要基于爐子本身通道式的結(jié)構(gòu)、爐子的抽風(fēng)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(chǎn)生適當(dāng)?shù)臒崃繌亩_到活化焊接材料要復(fù)雜得多。最近的研究表明，回流區(qū)氧氣濃度在1000ppm或以下才能夠改善焊料潤濕性，確保可靠的焊點質(zhì)量。我們必須明白，基于以上種種原因，即使導(dǎo)入氮氣也無法達到超低的氧氣濃度。但是氮氣還是有助于將氧氣濃度稀釋到一定程度，從而改善潤濕性。

然而在業(yè)內(nèi)，氮氣使用成本太高，通常只有當(dāng)客戶要求使用氮氣并承擔(dān)使用成本時，電子組裝廠才會使用惰性氣體工藝。氮氣供應(yīng)商對待這一基本現(xiàn)狀的態(tài)度取決于他們對潛在客戶的總體生產(chǎn)成本的理解。

為潛在客戶提供合適的解決方案時，應(yīng)當(dāng)對許多因素進行量化考核。以下是其中的一些因素。

產(chǎn)品類型

若想確定使用氮氣會給電子組裝廠帶來何種效益，首先要看進行組裝的產(chǎn)品是什么。顯然，如果要進行組裝的產(chǎn)品價值較低，如產(chǎn)品是單面板并且復(fù)雜元件很少，那么使用氮氣所帶來的效益不會很高，這種情況下可能不適合使用氮氣。反之，如果要進行組裝的產(chǎn)品價值很高，如產(chǎn)品是雙面板并且復(fù)雜元件很多，在回流焊接和波峰焊接時要進行多項工藝操作，此時使用氮氣可以帶來諸多益處，使用氮氣工藝的幾率也較高。

一次通過合格率

對組裝廠來說，一次通過合格率是一項非常關(guān)鍵的質(zhì)量系數(shù)。對線路板進行回流焊接和波峰焊接后，就要進行初檢。檢測設(shè)備自身檢測缺陷的能力以及板上是否有助焊劑殘留，都會影響檢測設(shè)備對線路板上缺陷的判斷，它可能會導(dǎo)致檢測設(shè)備誤判斷，把好的線路板標(biāo)記為壞的并要求其返工，從而導(dǎo)致整體組裝成本的增加。氮氣工藝能降低助焊劑殘留并使焊點表面保持清潔從而更容易通過檢測。

缺陷類型

我們觀察到，在印刷線路板組裝過程中會產(chǎn)生多種缺陷。這些缺陷包括冷焊、橋接和潤濕不良。有些缺陷的返工很簡單，然而，如果元器件之間的間距很小，返工就比較困難。有時，返工會破壞線路板上的銅箔，例如導(dǎo)致銅箔翹起，而這種問題是無法修復(fù)的；在大多數(shù)情況下，這種線路板以及板上的元器件會被報廢。氮氣工藝能改善回流焊接和波峰焊接工藝中焊料的潤濕能力，從而降低焊料在空氣中的氧化，這樣就能夠減少缺陷和因此帶來的返工工作，進而降低總體生產(chǎn)成本。

自動光學(xué)檢查（AOI）和線路內(nèi)測試

自動光學(xué)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(chǎn)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(dǎo)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(xué)識別系統(tǒng)提供良好的對比度，因此能夠?qū)⒑玫暮更c
 

回流焊
 

與壞的焊點以及有缺陷的焊點區(qū)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(qū)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(shù)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(chǎn)率和減少機器維護工作量，另外還可以降低缺陷率。
 

新的封裝技術(shù)要求使用更小、更薄、性能更強的焊接設(shè)備。盡管波峰焊接工藝預(yù)計將會消失，但是這種氮氣惰化焊接技術(shù)仍然會被廣泛使用。通孔元器件的使用及其總體成本的優(yōu)勢使其具有長期的生命力。因此，隨著電子制造的成本削減壓力和質(zhì)量要求不斷提高，使用波峰焊技術(shù)的組裝廠商必須考慮使用創(chuàng)新的方法來解決這些問題。

結(jié)論

綜上所述，在回流焊、波峰焊和選擇性波峰焊中導(dǎo)入氮氣氣氛，可以提高焊料在線路板和元器件上的的潤濕性，減少焊接缺陷，提高工藝可靠性和生產(chǎn)率，以及減少生產(chǎn)總成本。

王開玉是設(shè)在中國廣州的空氣產(chǎn)品公司針對電子封裝、組裝和測試行業(yè)的全球應(yīng)用技術(shù)開發(fā)部員工。Gregory K. Arslanian是設(shè)在美國賓州Allentown的空氣產(chǎn)品公司針對電子封裝、組裝和測試行業(yè)的。