氮气保护无铅波峰焊焊接质量分析

氮气保护无铅波峰焊焊接质量分析

史建卫 宋耀宗

日东电子科技（深圳）有限公司，广东 深圳 518103

摘 要：相对于传统的Sn-Pb 焊料，无铅焊料更容易氧化，润湿性较差，从而影响波峰焊接质量。N2保护可以降低无铅焊料的氧化，提高无铅焊料的润湿性，从而提高波峰焊接质量。本文从润湿性的机理分析了N2 保护提高无铅焊料润湿性的原因，并通过润湿性实验和波峰焊接试验证实了N2 保护的优越性。

关键词：N2保护；无铅焊料；波峰焊；润湿性

相对于传统的Sn-Pb 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。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[1,2]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，润湿角平均降低了40%、润湿力增长了约3%～5%、润湿时间可降低15%。

Siemens 公司的研究报告[3]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50 ppm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10 ppm O2 下缺陷率的4倍，是1000 ppm和10000 ppm O2下缺陷率的2.2～2.5倍。

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cos θ (1)

当θ=0o时表示焊料在母材表面完全润湿；当θ=180o时表示焊料在母材表面完全不润湿。当θ≤90o 时认为焊点是合格的，当θ＞90o 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[4]。

2. 试验与分析

润湿性实验采用的设备为SAT-5100可焊性测试仪，PCB 采用符合无铅要求的FR-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Olympus GX51型金相显微镜。

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。

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O2 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。

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)

。

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远低于空

气环境。其原因是N2保护下焊接环境中O2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，如图1所示为空气环境和氮气保护下进行波峰焊接的

焊点截面。

从图中可知，N2环境下焊点形貌要优于空气环境中焊点形貌，最其原因是空气环境下无铅焊料

在元器件引线上的润湿性不如N2 环境下的润湿性，表现出来的是无铅焊料在元器件引线上的润湿角度要大。另外N2环境下通孔的填充性要优于空气环境中，从图中可以看出，相同条件下，N2环境中双面板的两面都能形成较好的焊点形貌，而空气环境中顶部焊盘的填充较困难。

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。它在解决不使用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，免除了清洗工序。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。因此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的能力。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。

2.4 降低氧化渣量

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SnO2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8 h，在钎料槽表面存在很厚的一层氧化渣，其产生的氧化渣量为3.8 kg/h。当采用N2保护时，波峰焊机在正常条件下工作相同的时间，钎料槽表面的氧化渣明显降低，其产生的氧化渣量仅为1.2 kg/h。

3. 结论

通过对润湿性的机理进行分析，说明N2 保护环境下可以大大提高无铅焊料的润湿性，提高焊接质量，并通过润湿性实验和焊接试验进行了验证。结合以上的试验与分析，得出以下几点结论：

1）相对于传统的Sn-Pb 焊料，无铅焊料中合金元素Sn 的含量较高，从而无铅焊料更容易氧化。N2保护可以明显降低无铅焊料的氧化，减少锡渣的产生。

2）N2环境中可以明显降低无铅焊料的表面张力，以及有效地防止铜盘和元器件引线的再氧化，从而提高无铅焊料在其上的润湿性，提高焊接质量。

3）N2环境下由于无铅焊料的表面张力减少，润湿性提高，焊接过程中焊点的成形较好，比较均匀，从而提高了焊点的结合强度。

4）在不降低焊接质量的前提下，N2环境下可以大大降低助焊剂的使用量，从而使PCB 焊后残留物较少，达到免清洗的要求。

参考文献：

[1] C.C.Dong et al. Effects of atmosphere composition on soldering performance of lead-free alternatives[C]. Nepcon West1997 [2] C.C.Dong et al. Oxygen concentration in the soldering atmosphere-how low must we go?[C] Nepcon West 1996 [3] Chrys Shea, Thomas J.Chinnici and Kathleen Stillings. Effects of reduced purity nitrogen in the wave soldering environment[R]. Siemens information and communication networks, Inc. [4] 张文典. 适用表面组装技术[M]. 电子工业出版社.2002