氮气纯度与保护气氛回流焊点的可靠性
2012-04-18 20:59阅读：
摘要：氮气的纯度对保护气氛回流焊点的动态力学性能有直接的影响，对焊点的静态性能影响不大；随着氮气中氧含量的降低（从1000ppm
到50ppm），焊点抵抗冲击开裂的能力增加。推荐回流温区的氧含量应控制在500ppm
以下。采用更纯的氮气保护，不仅会大大增加了保护气体的成本，而对焊点的动态性能影响不大。关键词：回流焊保护气氛气体纯度冲击性能
无铅回流焊
1 前言
早在1998
年，作者就在香港城市大学EPA
中心专门设计了一套能够控制氮气纯度的保护气氛回流炉，由此做了很多有关保护气氛回流的实验研究工作。最近在与很多工业界朋友接触与交流的过程中，大家均强烈地关注这样一个问题：由于制氮设备的投资和氮气的生产成本强烈地依赖于氮气的纯度，究竟要采用什么纯度的氮气来进行保护气氛回流焊？本文将从焊点的静态强度和动态强度来研究氮气纯度对其可靠性的影响，并给出一个具有指导性意见的结论。
无铅回流焊
2 实验
回流设备为BTU
70N；液氮作为气源，通过蒸发器将液氮转化为25?C
的高纯氮气，氮气纯度低于20ppm
pan >。通过控制加入的微量空气，获得不同含氧量的保护氮气。用
Delta-F
氧分析仪实时监测回流炉高温区（回流区）出口气体的含氧量，将其分别设定为：1000ppm、500ppm、
200ppm
、50ppm。
实验用组装板为Topline
的15×15
脚的PBGA
元件和对应的PCB
板。回流工艺为经过优化了的回流曲线。
静态弯曲试验设备为INSTRON mini 44
型台式万能试验机。动态弯曲试验设备为CEAST
型仪器控制的示波冲击试验机。
图1(a)为示波冲击试验机，图1(b)为试样装夹示意图。静态和动态试验的装夹方式相同，跨距为40mm。静态加载时，压头的移动速度为2mm/s；冲击加载时，冲头的移动速度为3.5m/s。每一个试验点均由5
个试样取平均值。
3 结果与讨论
图2 为PBGA
试验板的三点弯曲冲击负荷与时间的关系曲线。该曲线可以得到屈服载荷、最大载荷、冲击断裂载荷等以及通过监测菊花链电阻判断焊点开裂对应的冲击负荷及相应的时间。
无铅回流焊
图2
三点弯曲冲击负荷与时间的关系曲线
曲线下所围的面积S
与焊点冲击断裂需要的总能量E
成正比（E＝EI＋EP）。以Pmax
为分界点，对应的时间为tPmax，可将总的冲击断裂能量分解为形成功EI
和扩展功EP。
同动态弯曲试验一样，也获得了试样在静态弯曲试验下的载荷与位移曲线，其中得到焊点开裂时所对应的载荷。
图3
给出了静态与动态弯曲试验中最大负荷随氧含量的变化。可以看出，静态弯曲试验最大载荷对保护气氛不敏感，而动态试验却显示出采用氮气保护回流焊工艺组装的板，最大负荷高于采用压缩空气对流回流焊的板。而对氧含量低于200ppm
氮保护气氛，其最大载荷没有明显的差别。
无铅回流焊
图3 最大负荷随氧含量的变化
图 4
冲击能量随氧含量的影响
明显可见，EI
随氧含量的降低而增加。以无氮气保护回流焊试样的EI
值最低。虽然回流焊炉内氮气越纯，焊点的质量越高，但考虑到高纯度的氮气成本很高，因此，氮气纯度达到氧含量低于1000ppm
即可使焊点的性能有明显的提高。
图5(a)和图5(b)显示的是焊点动态弯曲断裂的断口形貌，前者为压缩空气对流回流焊的焊点，后者为氧含量为500ppm
的氮气保护回流焊焊点。
无铅回流焊
（a）无保护气氛
(b)
含氧量为500ppm 的氮气保护
图5 焊点的动态弯曲断口形貌
所有焊点的断口均位于PCB 板焊盘与焊球的焊合界面处，即形成了Cu-Sn 中间合金的地方。断裂裂纹主要沿着Cu-Sn
中间合金区域扩展。对于不同的变形速度，其焊点开裂的方式也不一样。对于静态弯曲试验，裂纹形成与扩展是通过焊点中空洞的形成、长大、相互连接的形式进行。因此，断口显示出具有延性断裂的韧窝状特征。而对于高速弯曲变形，
焊点的断裂显示出强烈的脆性特征，裂纹沿着薄的Cu-Sn
中间合金层扩展，并伴随着脆性剥离。断口为典型的解理断裂断口。无铅回流焊
无保护气氛回流焊得到的焊点与焊盘之间存在着大量的气孔和杂质，而经氮气保护回流焊焊点的缺陷明显减少。这说明，氮气保护回流焊的最大优点就是大大减少了焊合界面处的缺陷，从而提高了焊点的动态强度和可靠性。界面之间的杂质和气孔沿着边缘分布，成为了裂纹源。图5(a)示出右上方的边缘处显示出较多的气孔和杂质，为裂纹的起始部位。从断口上我们并没有看到整个边缘处的杂质分布，仅仅是在裂纹起始部位有杂质分布。实际上，裂纹扩展过程中，铜-锡中间合金非常脆，裂纹基本上是沿着中间合金扩展的，因此，断口上看到的扩展区是中间合金层，而不是杂质和气孔集中的部位。
4 结论
所有的试验数据均显示出氮气保护回流焊组装PBGA
电路板的焊点质量和性能比无氮气保护焊点高；焊点的动态弯曲变形试验，可以显示出焊点的脆性；氮气保护回流焊工艺中，随着氧含量的降低（从1000ppm
到50ppm），焊点开裂所需要的能量EI
增大。氧含量越低，焊点的动态机械性能越好。推荐回流温区的氧含量应控制在500ppm
以下。采用更纯的氮气保护，不仅会大大增加了保护气体的成本，而对焊点的动态性能影响不大。
无铅回流焊
今天你
菊子曰了么？
