氮气保护无铅波峰焊焊接质量分析

桥连 填充不足 润湿不良
表 2 实验板宏观缺陷分析
N2
空气
11
118 和 3 个 SMD
14
155
0
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。
2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)
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。
焊料种类
Sn-3.0Ag-0.5Cu Sn-0.7Cu
表 1 不同 O2 浓度下的润湿性实验数据
5％氧气
空气
2/3Fmax 时间(s) Fmax(mN) 2/3Fmax 时间(s)
0.89
3.45
1.07
Fmax(mN) 3.43
1.27
3.52
1.77
3.43
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
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.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
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1.理论基础
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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。
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氮气保护无铅波峰焊焊接质量分析
李忠锁 1，胡强 1，张帮国 1，赵智力 2，李大乐 2 (1.日东电子无铅焊接研发中心，广东 深圳 518103
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 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 10ppmO2 下缺陷率的 4 倍，是 1000ppm 和 10000ppmO2 下缺陷率 的 2.2-2.5 倍。
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)。
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。
（a）空气环境下的焊点形貌 （b）N2 环境下的焊点形貌 图 1 焊点的宏观形貌
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
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。
பைடு நூலகம்
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Add: 3F. Building B, Sun East Industrial Estate, Baishixia, Fuyong Town, Baoan Country, Shenzhen , China
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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。
σ液气
σ固气
σ液固 图 1 润湿作用与润湿角
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
(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]。
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
关键词：N2 保护；无铅焊料；波峰焊；润湿性
Lead-free Wave Soldering Quality Analyzing in Nitrogen
LI Zhong-suo1，HU Qiang1，ZHANG Bang-guo1，ZHAO Zhi-li2，LI Da-le2 (1.Lead-free soldering R&D Centre of Sun East Electronic Co.Ltd, Shenzhen, 518103, China
2.Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract：Lead-free solder alloys are more easily oxygenized and have poor wettability to traditional Sn-Pb solder alloys, which affects joints reliabilities of wave soldering. The oxidation of lead-free solder alloys can be prevented and the wettability of lead-free solder alloys can be improved in nitrogen environment, which increases joints reliabilities of wave soldering. In the paper lead-free solder alloys wettability mechanism was analyzed and the effects of nitrogen protection were substantiated by wettability and wave soldering experiments.
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-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％。
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日东电子科技（控股）有限公司 SMA 焊点分析测试中心 SMA Solder Joint Analysis and Test Center of Sun East Electronic Technology (Holding) Co.Ltd
Key words：Nitrogen protection; Lead-free solder alloys; Wave soldering; Wettability
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、