氮气环境
一个焊接的现有问题是有关在回流焊接炉中使用氮气环境的好处。这不是一个新问题 — 至少一半十年前安装的回流炉被指定要有氮气容器。而且,最近与制造商的交谈也显示还有同样的比例存在,尽管使用氮气的关键理由可能现在还未被证实。
首先,重要的是理解使回流环境惰性化是怎样影响焊接过程的。焊接中助焊剂的目的是从要焊接的表面,即组件引脚和 PCB 焊盘,去掉氧化物。当然,热是氧化的催化剂。因为,根据定义,热是不可能从基本的温度回流焊接过程中去掉的,那么氧 — 氧化的另一元素 — 通过惰性的氮气的取代而减少。除了大大地减少,如果没有消除,可焊接表面的进一步氧化,这个工艺也改善熔锡的表面张力。
在八十年代中期,免洗焊锡膏成为可行的替代品。理想的配方是外观可接受的 ( 光亮的、稀薄的和无粘性的 ) 、腐蚀与电迁移良性的、和足够薄以致于不影响 ICT(in-circuit test) 针床的测试探针。残留很低的锡膏助焊剂 ( 固体含量大约为 2.1 ~ 2.8%) 满足前两个标准,但通常影响 ICT 。只有固体含量低于 2.0% 的超低残留材料才可看作与测试探针相容。可是,低残留的好处伴随着低侵蚀性助焊剂处理的成本代价,需要它所能得到的全部帮助,包括回流期间防止进一步氧化的形成。这个要用氮气加入到回流过程来完成。如果使用超低残留焊锡膏,那么需要氮气环境。可是,近年来,也可买到超低残留的焊锡膏,在室内环境 ( 非氮气 ) 也表现得非常的好。
原来的有机可焊性保护层 (OSP, organic solderability preservative) 在热环境中有效地消失,对双面装配,要求氮气回流环境来维持第二面的可焊性。现在的 OSP 也会在有助焊剂和热的时候消失,但第二面的保护剂保持完整,直到印有锡膏,因此回流时不要求惰性气体环境。
氮气回流焊接的最古老动机就是前面所提到的改善表面张力的优点,通过减少缺陷而改善焊接合格率即是归功于它。其它的好处包括:较少的锡球形成、更好的熔湿、和更少的开路与锡桥。早期的 SMT 手册提倡密间距的连接使用氮气,这是基于科学试验得出的结论。可是,这测试是实验室的试验,即,“烧杯试验”与实际生产的关系,没有把使用氮气的成本计算在内。
应该记住,在过去十五年,炉的制造商已经花了许多钱在开发 (R&D) 之中,来完善不漏气的气体容器。虽然当使用诸如对流为主的 (convection-dominant) 这类紊流空气时,不容易将气体消耗减到最小,但是有些制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消耗,已经达到非常低的氧气水平。这样做,他们已经大大地减低了使用氮气的成本。
随着连接的密度增加,过程窗口变小。在这个交接口,在有 CSP(chip scale package) 和倒装芯片 (flip chip) 的应用中使用氮气是很好的保证。
双面回流焊接
人们早就认识到的 SMT 的一个优点是,组件可以贴装在基板的两面。可是,问题马上出现了:怎样将前面回流焊接的组件保持在反过来的一面上完好无损,如果第二面也要回流焊接?人们已经采取了无数的方法来解决这个困难:
- 一个方法是有胶将组件粘在板上,这个方法只用于波峰焊接无源组件 (passive component) 、小型引脚的晶体管 (SOT) 和小型引脚集成电路 (SOIC) 。可是,这个方法涉及增加步骤和设备来滴胶和固化胶。
- 另一个方法是为装配的顶面和底面使用两种不同的焊锡合金,第二面的锡膏的熔点较低。
- 第三个方法是企图在炉内装配板的顶面和底面之间产生一个温度差。可是,由于温度差,基板 Z 轴方向产生的应力可能对 PCB 结构,包括通路孔和内层,有损耗作用。在有些应用中,虽然这种应力可能是有名无实的,但还是需要小心处理。
- 事实上,有更实际的解决办法。人们不要低估熔化金属的粘性能力 — 它远比锡膏的粘性强。 记住这一点,组件绑解的表面积越大,保持它掉落的力就越大。
为了决定哪些组件可用作底面贴附与随后的“回流”,导出了一个比率,评估组件质量与引脚 / 组件焊盘接触面积之间的关系 2 :
组件重量 ( 克 ) ÷ 焊盘配合的总面积 ( 平方英寸 )
这里,第二面的每平方英寸克必须小于或等于 30 。