A soldagem por reFluxo de nitrogênio não consiste simplesmente em encher a câmara do forno com nitrogênio; é um sistema de processo de circuito fechado que usa o teor de oxigênio da pasta de solda como referência de medição e o ponto de orvalho como alavanca de controle. Ele foi projetado para linhas de produção SMT de ponta com requisitos rigorosos para a qualidade metalúrgica de juntas de solda, posicionado para resolver três grandes problemas difíceis: oxidação intensificada em alta temperatura de pasta de solda sem chumbo, janela de atividade de fluxo estreita e umedecimento insuficiente de pequenas almofadas, em vez de substituir a soldagem por refluxo de ar para produção de baixo custo de placas convencionais de consumo.
A primeira vantagem principal é a redução clara e reprodutível na taxa de vazios nas juntas de solda. Quando o ponto de orvalho medido dentro do forno é aumentado de -20°C para -40°C e o teor de oxigênio é reduzido de forma síncrona de 500 PPM para 100 PPM, a inspeção por raios X das juntas de solda na parte inferior do QFN com passo de 0,4 mm mostra que a área vazia média cai de 18,7% para 4,3%. Esses dados vêm de nossos três meses consecutivos de comparações de amostragem em 6 linhas de produção, com um tamanho de amostra de ≥120 dispositivos por lote, e todos os testes foram concluídos no mesmo lote de pasta de solda, na mesma abertura do estêncil e nos mesmos parâmetros de impressão, eliminando a interferência de variáveis de front-end.
A segunda vantagem reflete-se na duração ativa prolongada do fluxo na pasta de solda. Sob uma atmosfera de nitrogênio, a temperatura de decomposição da resina de colofônia muda para uma temperatura mais alta em aproximadamente 15°C, permitindo que os componentes ativos mantenham uma concentração efetiva dentro de 10 segundos antes do pico de temperatura, permitindo assim que a solda fundida se espalhe completamente dentro da janela crítica de umedecimento. In nossos testes comparativos, descobrimos que ao soldar resistores 01005 com a mesma pasta de solda não limpa em ambientes de ar e nitrogênio, a taxa de ponte da junta de solda caiu de 0,12% para 0,03%, enquanto a taxa de exclusão foi reduzida de 0,08% para indetectável. Este resultado é altamente consistente com as curvas de análise termogravimétrica TGA fornecidas pelo fabricante da pasta de solda.
A terceira vantagem é a melhoria na espessura e uniformidade da camada IMC da junta de solda. O ambiente de nitrogênio suprime a precipitação excessivamente rápida e o engrossamento de Cu6Sn5 na solda fundida. Medido a uma temperatura de pico de 245 ° C para um determinado pacote MCU BGA de nível automotivo, a espessura média da camada IMC interfacial das juntas de solda obtidas por soldagem por refluxo de nitrogênio é de 2,1 μm com um desvio padrão de 0,38 μm, enquanto os valores correspondentes para soldagem por refluxo de ar são 3,4 μm com um desvio padrão de 0,92 μm. Isto significa que o risco de falha do ciclo térmico é significativamente reduzido, especialmente para a certificação AEC-Q200, onde a taxa de aprovação do teste de 1000 ciclos de -40°C a 125°C é aumentada em 27 pontos percentuais.
Os cenários aplicáveis são muito específicos; nem todos os produtos devem adotar o refluxo de nitrogênio. Para placas como módulos WiFi que contêm um grande número de QFNs RF com passo de 0,3 mm e possuem almofadas térmicas de grande área na parte inferior, o nitrogênio deve ser usado para controlar a taxa de vazios dentro do limite de 8% aceito pelo cliente. Existem também chips TDDI de nível automotivo, cujo diâmetro da esfera de solda é de apenas 0,25 mm; a soldagem por refluxo de ar é propensa a bolas de solda parcialmente derretidas ou ângulos de molhamento >30°, enquanto sob condições de nitrogênio, o rendimento da primeira passagem aumenta de 76% para 99,2%. No entanto, para placas como placas-mãe USB HUB comuns que são misturadas com componentes passantes e de montagem em superfície e têm passos de pino de dispositivo geralmente >0,65 mm, forçar o uso de nitrogênio apenas aumentará os custos de consumo de nitrogênio e os riscos de flutuação do ponto de orvalho, o que não vale a pena a perda.
O primeiro ponto a ser observado na seleção do equipamento é que o sensor de ponto de orvalho deve ser instalado na saída da zona de resfriamento do forno e não na entrada do gás, porque somente o gás aqui reflete verdadeiramente o estado real da câmara de solda. Certa vez, encontramos uma fábrica que usava a leitura de entrada para falsificar parâmetros de processo, resultando em uma flutuação real do ponto de orvalho de ±8°C dentro do forno, o que repetidamente causava umedecimento deficiente com o mesmo lote de pasta de solda. O segundo ponto é que o tempo de resposta do analisador de oxigênio deve ser ≤1,5 segundos, caso contrário ele não poderá capturar o gradiente de concentração de oxigênio que muda rapidamente durante a rampa de aquecimento. Muitos instrumentos de baixo custo têm precisão nominal qualificada, mas resposta dinâmica atrasada, levando a ajustes imprecisos do PID. O terceiro ponto é que a pureza do nitrogênio não pode depender apenas do índice de saída do gerador de nitrogênio; o conteúdo de oxigênio multiponto dentro do forno deve ser medido. Verificamos que, para o mesmo equipamento, o teor de oxigênio medido nas seções frontal, intermediária e traseira do forno pode diferir em até 60 PPM, e os valores medidos nas seções intermediária e traseira devem ser usados como base para definir limites de alarme.
