【干货】深度解析氮气在SMT焊接中的用途，你值得拥有！

                                                                                                   





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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 -随着无铅制程已提上日程，如何顺利导入无铅化已成为SMT用户最关心的问题。怎样选择最社和自己生产的氮气源？如何确定氮气气氛的具体参数？成本到底增加多少？（一）氮气源的选择其实氮气源的供应方式有好几种，你可以有气体分馏塔、向气体公司购买瓶装氮、向气体公司购买液氮和现场制氮（N2 generator）可供选择。气体公司或者是N2使用量特别大的公司可以配备气体分馏塔（N2Distillation）其工作原理是把空气压缩，使其液化，然后在利用氮气、氧气的沸点不同，将其分馏。这种设备占地面积很大，而且造价昂贵，不适合一般企业。气量很小的用户可以向气体公司购买钢瓶氮。用高压钢瓶储存氮气，然后直接运送到用气点进行使用。瓶装氮气具有随开随用、灵活方便等优点。但具有危险性高、成本高、运输储存麻烦等缺点。如果瓶装氮已不能满足目前生产，你就应该向气体公司购买液态氮气或者选用现场制氮来获取所需氮气。用液氮储槽或杜瓦罐来储存液态氮气，在需要使用时将液氮气化成气态氮，经过减压、升温后才可使用。液氮具有方便快捷、随开随用等特点，但存罐中液氮需经常补充，这也给采购和运输带来麻烦与压力。同时长期大量使用液氮，成本高，运输麻烦，且受供给源的影响较大总体投资很大。现场制氮又有膜分离制氮（Membrane）和变压吸附（Pressure Swing Adsorption）制氮机。膜分离制氮机是在20世纪80年代兴起的高科技技术。该设备以空气为原料，中空纤维膜为分离利用氧和氮在膜组织里渗透速率不同——水和氧气可以通过而氮气则不能，从而实现氧氮分离。膜分离制氮机制出的氮气纯度较低，一般为95-99.9%。而且膜分离制氮机能耗大，而且其核心部件——中空纤维膜主要依赖进口，价格高，交货周期长，设备后续维护麻烦。

PSA制氮机主要以碳分子筛为吸附剂，压缩空气为主要原料，利用氧气和氮气吸附速率不同，碳分子筛优先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中，实现氧气和氮气的分离，得到我们所需要的气体。利用这种变压吸附的原理和工艺，采用双吸附塔并联交替进行吸附，一塔工作一塔再生，连续产氮。一次性可能取纯度为98-99.99%的合格产品气（苏州高普公司生产的gaspu品牌制氮机一次性提取纯度可达98-99.995%）。PSA制氮机制出的氮气若经过氮气纯化装置可进一步深度除氧，可得到99.9999%，即氧含量在1ppm以下的高纯度高品质氮气。（二）怎样确定氮气氛的具体参数SMT用户在决定使用氮气之前，先确定炉子中的氮气纯度（几个九，或氧含量的ppm的值），再确定制氮机出口纯度。氧化反应的充要条件是氧分子的存在，同样条件下氧含量越高，氧化反应越激烈；反之氧含量越低，氧化反应越微弱。当然氮气纯度越高越好，但应考虑投资成本与产品的不良率和返工量的平衡。目前大多数的电子厂尚包括台湾鸿海精密股份（台湾富士康）都选择：99.99%即氧含量小于100ppm,也有选择：99.9%即氧含量小于1000ppm，少数选择：99.999%既氧含量小于10ppm。所以确切的纯度应根据产品的档次、允许的不良率、公司政策、产品对浸润性的要求等因素决定。确定了炉子中氮气纯度后，再确定制氮机出口纯度，通常制氮机不与SMT生产线一起放在车里，而是放在屋顶，或车间外，通过管道输入炉子，之间有很多个连接口，很有可能造成氮气纯度下降，所以制氮机的出口纯度也要有余。并且单位时间的耗气量（通常以每小时多少立方米计算）不同品牌、不同型号的炉子耗气量也不同，输入PCB的尺寸不同耗气量也不同，链条转动的速度不同耗气量也不一样，所以确切的耗气量要以现场实验为依据。

参考案例：XXX  OEM企业使用的纯度为99.99%制氮机出口氧含量<＝100ppm>一期工程一台：用于一条回焊炉生产线。纯度为99.99%，产气量为20m3/h氮气系统二期工程三台：用于三条回焊线炉生产线。纯度均为99.99%，产气量为20m3/h氮气系统。三期工程四台：用于四条回焊炉生产线。纯度均为99.999%，产气量为100m3/h氮气系统。（一）成本分析下面以一套纯度为99.99%，产气量为20m3/hr的氮气发生机用于一条SMT生产线，作出简要经济性分析与比较如下（电费按0.6元计算，一年运行8000小时计算）：1、液氮使用成本市场上的液氮约为1200元/吨，可气化成纯度为99.99%，780m3的气态氮，购买1m3的氮气价格是1.4元。如果加上液氮储罐的租金、汽化器的购置费、每年人工的费用等，使用1m3氮气的成本接近1.6元。2、PSA制氮机的使用成本现场PSA制氮机的使用成本主要是电能的消耗，电能的消耗主要来自以下几个方面：空压机：空压机的额定功率为22kw，消耗功率约为额定功率的80%左右，即为：17.6kw左右冷冻干燥机：冷冻干燥机的额定功率为1kw。制氮机：制氮机的原料是压缩空气，而制氮机本身基本不耗电，其主要是仪表用电，额定功率大约为0.4kw。每年电费总计：（17.6+1+0.4）×8000×0.6=9.12万人工费：无需专人职守，可忽略不计。设备折旧费：设备投资按20万元计算，每年折旧2万元。每年的费用为：（9.12+2）=11.12万每立方氮气成本112000÷800÷0.6=0.7元 两种用氮气方式每年差价为20×8000×（1.7-0.7）=16万元所以PSA制氮机投资回收期仅为10个月。（即16÷20） 变压吸附制氮机避免高费用的瓶装氮气，杜瓦罐所带来的不方便性，同时氮气的供应也没有必要依赖零售商，避免压力较高的瓶装氮气带来的危险，以及气体供应中断带来停产的损失，变压吸附制氮机长期稳定低费用的运行可避免不可控的气体价格上升，租赁高昂的低温储槽费用，并且操作简单，又无须另备储气罐，能在短时间内收回成本。无需专人维护，维修也简单。因此，一旦安装了PSA制氮机我们就可随心所欲地从空气中提取氮气。



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