氮气在焊接中的应用

从隧道式到屏蔽式：氮气在焊接中的应用尽管七十年代初氮气就已经应用于电子制造，但直到引入了免清洗技术，因其需要在惰性气体环境中进行焊接，氮气的使用才得到广泛的认可。

1968首次进行惰性气体实验时，波峰焊接设备都是开放式的。既没有关于作业者安全和健康的规范，也没有密封(enclosure)的要求。最初，在波峰焊中使用氮气仅仅是为了降低成本：

‧减少或消除氧化渣

‧减少机器的保养

‧改进免清洗焊接的性能

氮保护层

九十年代初期开发的设备已采用隧道式结构，以形成氮保护层(envelope)。保护层包围着波峰焊接传送带，阻止空气从入口和出口进出。隧道腔的垂直高度应尽可能低，密封框架上有窗口，便于观察焊接过程。也可以取下窗口，接触机器的内部，对机器进行维护和调整制程流程。

在印制板进出的过程中，注入焊接系统的氮气阻止空气从开口处进入。因此，氮气必须维持正压。一些轻的悬挂活动门铰接在隧道的长度方向，以减少空气的侵入。当电路组件靠近时，这些悬挂门可以向上翻转。

当氮气流出隧道进出口时，所有末端开口的隧道设计都有一些排放氮气的方法。

通常需要平衡这种“废气”，以便将房间的空气送到排气管，这样有助于防止废气从隧道中抽吸过量的氮气。注意，此时的关键是要降低温度和减少氮气的损耗。

隧道的长度可以很短，仅履盖预热区和焊接槽；也可以是很长，从上料端到下料端。因而，长隧道的设备实际上覆盖了助焊剂发配装置(fluxer)、预热区和波峰焊接区。

短隧道与长隧道之间的区别表现在所需氮气的量上：向系统注入杂质含量为1ppm至2ppm的低温氮气时，焊接波峰周围的氧气杂质应低于10ppm。与长隧道相比，短隧道消耗更多的氮气，并且对车间的空气气流更加敏感。对空气气流的高敏感度往往会导致在波峰中所测量的纯度不稳定。

不管怎样，这种装置一直都在100ppm至200ppm的杂质含量下使用，而且它为焊接制程带来了明显的好处。你可以对现有设备进行改装，使其可以使用氮气，但这将是一个昂贵、耗时的过程。

屏蔽波峰

惰性气体环境中的波峰焊接还有另外一种方法，即采用屏蔽(shroud)设计制成的护罩，围绕在焊嘴的周围直至焊接波峰回落到焊接槽的位置。“喷雾器”位于护罩底部，供给氮气。

这种方法的主要优点是可以直接接触系统。在密封的系统中，有可能使表面黏着零配件的表面达到回流焊的温度，导致焊料回流。如果印制板翘曲或隧道出口处的“帘”接触了印制板上面的SMD，这种可能性将会增加。另一方面，采用这种“屏蔽”技术，完全消除了波峰焊后周围区域的温度问题。

Electrovert和Soltec公司已经制造出了在开放式波峰中使用氮气的焊接系统，他们发现氧化渣的减少同隧道式焊接系统做得一样好。“屏蔽”的结果可以与采用电镀、热涂或热风整平印制板的焊接组件所获得的结果相比。使用这项新技术的另外一个优点是，其氮气消耗量与最昂贵的封闭式波峰焊接系统相同，甚至更低。在用于表面黏着焊接的双波峰系统中，可以对每一个波峰使用独立的屏蔽罩和氮气供给控制。系统中没有焊接组件时，系统可进入等待模式，将焊接波峰设置在较低的高度以减少氧化渣的生成，并停止或降低氮气的流速。当系统探测到印制板时，它能够重新激活正常作业控制设置。这种控制机理进一步降低了氮气消耗量。如果能够只用一个波峰进行焊接，便可节省更多的氮气。

在隧道系统中，要求喷嘴扩展到焊料槽的边缘上方到达隧道内。而在屏蔽系统中，喷嘴黏着在系统的下部，对于不需要氮气也能进行良好焊接的组件允

许快速彻底地关闭氮气。此外在焊料返回到焊槽中这段较短的距离也有屏蔽，焊料溅落的机会也减少了。

与隧道设计相比，屏蔽式容易改装，消耗时间也少。大多数组件的焊接结果是相同的，而且作业成本是所有惰性气体波峰焊接中最低的。但是，这些系统要求的维护比隧道式的要多。

回流焊中的氮气

在惰性气体应用于波峰焊接制程之前，氮气就一直用于回流焊接中。部份原因是在表面黏着陶瓷混合电路的回流焊中，混合IC工业长期使用氮气，当其它公司看到混装IC制造的效益时，他们便将这个原理应用到了PCB焊接中。

在这种焊接中，氮气也取代了系统中的氧气。氮气可引入到每一个区域，不只是在回流区，也用于制程的冷却过程。现在大多数回流焊系统已经为应用氮气作好了准备；一些系统能够很容易地进行升级，以采用气体喷射。

在回流焊接中使用氮气有以下的优点：

‧端子和焊盘的润湿(wetting)较快

‧可焊性变化少

‧改善了助焊剂残留物和焊点表面的外观

‧快速冷却而没有铜氧化

基本原则

对于高质量的焊接，你很难推算出使用氮气回流焊的成本，但是，你可以容易地发现直接节约的成本。因此，最好的回答是PCB技术的改变。

在过去的几年里，我们已经看到PCB焊料涂层(finish)对丝网印刷、黏接剂点涂和零配件的贴装产量有较大的影响。在检查使用各种焊料镀层的成本时，你可能会发现使用氮气付出的代价是将PCB涂层改变为铜(OSP)，其它所有的益处都是无代价的。

我认为免清洗技术不用氮气也可成功地完成波峰焊接。在回流焊制程中，使用氮气对于铜基印制板是特别有益的。