![整理SMT回焊爐添加氮氣(N2)對各種焊接不良的影響與效果]( "整理SMT回焊爐添加氮氣(N2)對各種焊接不良的影響與效果")
「氧化」是焊錫品質的一大殺手，但是氧化又是這個世界上所有元素趨吉避凶（趨向穩定狀態）的一種自然法則，無法避免，而「使用氮氣(N2)隔絕氧氣(O2)接觸」則是目前少數可以有效降低電子零件在高溫焊接時氧化的有效方法。
「氮氣(Nitrogen)」雖然不在8A鈍性氣體元素那一列中，不過在現代化學中，氮氣卻被歸類為「惰性氣體(inert gas)」的一種，它在自然界中非常不活潑，具有不易與金屬產生化合物的特性，而且在大氣中還有78％的佔比，取得的費用相對便宜，所以經常被用來充填在SMT焊接的回焊爐中置換氧氣(oxygen)的含量，少數波焊爐也會用氮氣填充，以減少焊錫或PCB焊墊於高溫時與空氣中的氧氣接觸而產生氧化反應。
將氮氣運用在回焊爐及波焊爐焊接雖然對焊接品質會有所提昇，好處也不少，但添加氮氣卻也不是百分百都是正向沒有缺點的。
下面工作熊收集整理氮氣對各種SMT焊接不良的影響與效果：
錫珠現象（Solder beads）
![錫珠現象（Solder beads）]( "錫珠現象（Solder beads）")
「錫珠」也稱「焊珠」是相當常見的焊錫缺陷之一，它經常出現在零件本體的下方，尤其是在小電阻、小電容等small-chip本體下兩個端點的中間側面。
這是因為高溫時錫膏內含的助焊劑會迅速轉變成氣體揮發並帶著部份的錫膏往外側移動（想像氣炸的情形），於是在零件本體與PCB間的小縫隙下就會形成分離的錫膏區塊，回焊時零件下方因為沒有焊墊可以吸引熔融的錫膏，再加上零件本體的重量擠壓，於是分離的熔融錫膏就從零件的本體下方冒出並在其邊緣上形成小錫珠。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
錫珠形成的另外一個主因則是【錫膏氧化】，由於現在電子零件大小差異巨大，在開鋼板的工藝中為了配合小零件採用較薄的鋼板，而針對大零件焊腳則採用外擴在增加錫膏量，一旦錫膏開封過久或是暴露於空氣中過久，就容易造成錫膏氧化及助焊劑部份揮發，當錫膏熔融時表面形成了較厚的氧化層，進而降低了錫膏的活性，使得熔融錫膏無法藉由內聚力將外擴的焊錫完全牽引回到本體，這些留存在焊墊外的焊錫就會形成獨立的錫珠。
在回焊爐中填充氮氣，無論是那一種錫膏，其錫珠出現的數量都會有所減少。這應該是因為低氧環境下有效降低了錫粉顆粒表面氧化膜的形成，讓錫粉間可以更好更快的融合在一起，降低了助焊劑噴濺時帶出的錫量。
另外，氮氣也可以有效的抑制PCB焊墊/焊盤在回焊高溫時氧化的程度，尤其針對第二面回流焊品質的提昇更佳，因為只要焊墊容易吃錫，就可以有效回收外擴的焊錫。
空洞/氣泡現象（Bubbles/Voids）
![BGA空洞/氣泡現象（Bubbles/Voids）]( "BGA空洞/氣泡現象（Bubbles/Voids）")
同「錫珠」類似的道理，在QFN中央位置的接地焊點容易出現空洞/氣泡現象，除了一些設計上留存導通孔(vias)造成氣泡或吃錫不足者，由於焊墊/焊盤表面在氮氣條件下可以有更好的潤濕，所以空洞率自然就減少。其次，氮氣讓錫粉間彼此可以更快速的潤濕也可以更有效地排出在回流焊熔融狀態下氣體無法逸出的問題。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
回焊爐中填充氮氣對於降低BGA錫球的氣泡也有同樣的效果。
但是，上述的結果並不一定完全適用於所有的焊點。曾經看過添加氮氣後反而增加BGA氣泡空洞率的例子。也許是我們對於BGA錫球氣泡形成的原因還不夠透徹吧！
葡萄球現象（Graping）
![葡萄球現象（Graping）]( "葡萄球現象（Graping）")
葡萄球或葡萄珠現象(Graping)一般是指在回焊中錫膏沒有完全互相融合焊接在一起，反而聚集變成一粒粒各自獨立的錫珠並堆疊在一起，形成類似葡萄球串的現象。
葡萄球現象的形成通常來自錫膏本身氧化或是錫膏中助焊劑提前揮發以致錫粉表面的氧化膜太厚而無法被突破或完全清除以達成互相熔融的事實。隨著電子零件越做越小，錫膏的印刷量也跟著越來越少，相對地錫膏中錫粉直接暴露在空氣中的表面積比率也就明顯增加，如果使用更小的錫粉直徑（更大的號數），錫粉表面積氧化比率也會更高。
想像10顆與100顆玻璃珠分別用膠水堆在一起成為方塊的樣子，100顆一堆的玻璃珠中被包覆在內層的比率是否比10顆玻璃珠來得多，而錫膏中的錫粉就像玻璃珠一樣，膠水則是助焊劑。堆疊的錫膏處於越最外層的錫粉則容易與空氣接觸而發生氧化，內層的錫粉則可以互相融合。這也是為何有些焊錫看起來有葡萄球現象卻未影響產品的功能。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
在回焊爐中添加氮氣可以降低錫粉在回焊爐中氧化的風險，但如果錫膏已經提前氧化、或是其助焊劑無法發揮保護錫粉清除氧化的作用，那麼添加氮氣對葡萄球現象是沒有幫助的。
相關延伸閱讀：什麼是SMT葡萄球珠現象(Graping)？該如何解決？
枕頭效應（Head-in-Pillow, Head-on-Pillow）
![枕頭效應（Head-in-Pillow, Head-on-Pillow）]( "枕頭效應（Head-in-Pillow, Head-on-Pillow）")
「枕頭效應(HIP/HoP)」的形成原因最主要是BGA零件在回焊(Reflow)的高溫過程中，BGA載板或是電路板因無法任受高溫而發生板彎、板翹(warpage)或是其他原因變形，使得BGA的錫球(ball)與印刷在電路板上的錫膏分離，當電路板經過高溫「回焊區(reflow zone)」後冷卻，BGA載板與電路板的變形也慢慢回復到之前的狀況，但這時的溫度早已低於熔錫溫度，於是便形成類似一顆頭靠在枕頭上的虛焊或假焊的焊接形狀。
另一種可能原因是BGA錫球已經發生些微的氧化，當錫膏的助焊劑活性不足以清除BGA錫球上的氧化層，就會阻擋錫膏與BGA錫球融合，最終造成兩個球靠在一起的現象。
在回焊爐添加氮氣則可以部份解決因為助焊劑活性不足問題，但對於因為電路板或BGA載板變形而造成的HoP/HIP則無濟於事。
相關延伸閱讀：BGA枕頭效應(head-in-pillow,HIP)發生的可能原因與機理
潤濕不良（Non-wetting）
![潤濕不良（Non-wetting）]( "潤濕不良（Non-wetting）")
回焊爐中添加氮氣，基本上一定有助焊接潤濕的提昇。氮氣對潤濕的基本作用有二：
但如果錫膏及電路板的焊墊在進入回焊爐前就已經變質或氧化，就算氮氣再厲害，應該還是無法做到起死回生地步的。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
另外，這裡有個可能讓你感到困擾或有興趣的現象：在添加氮氣的環境下零件引腳的爬錫高度將會低於空氣環境（未開氮氣）。怎麼會這樣？這是因為氮氣雖然有效地潤濕了電路板的焊墊，但可能也因為氮氣下焊錫在焊墊上的擴散效果太好，反而影響到零件引腳的爬錫高度。就類似「水往下流」的趨勢一樣，焊錫會越加地往容易吃錫的地方移動，既然焊墊變得容易潤濕吃錫了，何必再克服重力往引腳上面爬呢。
相關延伸閱讀：PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼？
立碑現象/墓碑效應（Tombstone）
![立碑現象/墓碑效應（Tombstone）]( "立碑現象/墓碑效應（Tombstone）")
墓碑效應(Tombstone)是因為同一個零件兩端融錫時間不一致，最終造成兩端受力不均，以致一端受力較大為支點舉起零件另一端懸空而成。
基於以上論點，墓碑效應通常會落在那些一端有著大面積佈銅，另一端只有小銅箔的零件上，因為佈銅面積大小不同直接影響了焊墊的受熱程度，讓融錫出現時間差，一旦先融錫端的力距超過了零件重心重量，立碑現象於焉而生。
另外，錫膏量印刷於兩端不一致、或是印刷偏移、或是置件偏移都可能造成墓碑效應。
在回焊爐中添加氮氣通常會使得焊墊的潤濕變快變好，但也可能加大融錫的時間差，使得立碑的零件變多且變得嚴重。可以嘗試關閉氮氣看看是立碑情形是否有改善。
相關延伸閱讀：電阻電容小零件發生空焊及立碑(墓碑效應)的原因
延伸閱讀：
SMT回焊爐加氮氣(N2)的優缺點探討
整理幾種常見PCB表面處理的優缺點
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良原因(資料收集)
ENIG表面處理是什麼電路板？有何優缺點？
回焊後焊點處出現波紋狀的皺褶或龜裂現象是怎麼造成的?
ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預防措施
The post
整理SMT回焊爐添加氮氣(N2)對各種焊接不良的影響與效果 first appeared on
電子製造，工作狂人(ResearchMFG).
「錫珠」也稱「焊珠」是相當常見的焊錫缺陷之一，它經常出現在零件本體的下方，尤其是在小電阻、小電容等small-chip本體下兩個端點的中間側面。
墓碑效應(Tombstone)是因為同一個零件兩端融錫時間不一致，最終造成兩端受力不均，以致一端受力較大為支點舉起零件另一端懸空而成。
這是因為錫膏中含有助焊劑，而助焊劑中又含有乙醇類等易揮發的溶劑，也就是說錫膏一旦開封後溶劑就會開始揮發（其實不開蓋密封的情況下也會揮發，只是速度很慢，就類似汽水裝在寶特瓶中一段時間後也會沒氣是一樣的道理），尤其是那些已經塗抹在鋼板或是已印刷在PCB上的錫膏，其溶劑揮發的速度會更快，所以，一般有紀律的SMT廠都會嚴格管控錫膏暴露車間的使用標準及壽命。
過去為了因應歐盟的「有害物質限用指令（Restriction of Hazardous Substances Directive 2002/95/EC, RoHS）要求，
目前比較可行的LTS焊點補強方案為使用
其三，錫膏開罐後暴露於生產車間的時間又是如何管控的？我們前面已經說過，錫膏開罐後，錫膏中的溶劑就會開始揮發，所以我們不只要管控錫膏直接暴露於大氣環境下的溼度，更要管控暴露的時間，因為暴露時間越長，溶劑的揮發就越多，出問題的機率也就越高。一般我們會要求錫膏開蓋超過8H不得回收，超過12H或24H報廢，不建議自己添加溶劑，因為你不知道溶劑揮發了多少，更不知道需要添加多少溶劑，添加了溶劑後還得重新充分攪拌均勻。而對於已經塗抹於鋼板上的錫膏，其溶劑揮發的速度會比在罐子裡的更快，一般建議要在3H內用完。