Development of a reflow soldering process without N2

Abstract

Reflow soldering in a nitrogen atmosphere has become a common practice in surface mount technology (SMT) processes. An inert atmosphere in reflow soldering enhances solder joint reliability and wettability of metal surfaces, improving the overall soldering process and product quality. Competitive markets pushes companies to look for cheaper alternatives to the usual manufacturing process, in order to reduce production costs. Reflow soldering in air atmosphere is a cheaper alternative to the standard process. However, oxidation rates are higher when soldering in air, which can lead to a decrease in solder joint reliability, or creating possible soldering defects. Thus, studying the impact of increased oxidation in the reflow soldering process and in the solder joint quality became the motivation of this project. To evaluate the impact of an oxidant atmosphere, it were produced different set of printed circuit board assembly (PCBA) samples in Bosch Car Multimedia SMT line. The main variable in the production process of this samples was the reflow atmosphere, which was either air or inert. Essentially, this project was divided in two distinct studies. In the first one, was evaluate the impact that reflow soldering in air atmosphere has in the SPI, AOI, AXI and visual inspection systems present in Bosch Car Multimedia Portugal S.A. SMT line. The results revealed that, in the AOI inspection, the samples produced in the oxidant atmosphere displayed significantly higher false calls ppm levels than those produced in inert atmosphere. During visual inspection, it was found a tilting defect in one of the assembled components, and although the air atmosphere did increase this defect, it was also observed in the samples produced with the inert atmosphere. The second study, was conducted to evaluate the effect of the different reflow atmospheres in the solder performance and reliability, which was accomplished by performing several solder paste tests, covering wetting, spreading, tombstoning and solder balling tests. These tests showed that the air atmosphere decreases the solder wettability, although when using a nickel/immersion gold (ENIG) surface finish excellent wetting was still achievable. The air atmosphere also increased the number of solder balls found in the solder balling test. To summarize, the results did not present a major “show stopper” in the implementation of an air atmosphere reflow soldering process. However, it must be taken in consideration that this process has its fair share of limitations.

A soldadura por reflow em atmosfera de nitrogénio tornou-se uma prática comum em processos de SMT. O uso de atmosfera inerte durante o reflow melhora a fiabilidade das juntas de solda e a molhabilidade das superfícies metálicas, melhorando o processo de soldadura e a qualidade dos produtos. No entanto, um mercado competitivo exige que as empresas estudem alternativas de processo mais baratas, a fim de reduzir os custos de produção. O reflow em atmosfera de ar é uma alternativa mais barata ao processo com nitrogénio. Contudo, os níveis de oxidação são maiores quando o reflow ocorre em ar, o que pode diminuir a fiabilidade das juntas de solda. Assim, estudar o impacto da oxidação no processo de reflow e na qualidade das juntas de solda tornou-se a motivação deste projeto. Para avaliar o impacto da atmosfera oxidante, foram produzidos diferentes conjuntos de amostras de PCBA na linha de produção SMT da Bosch Car Multimedia Portugal, S.A. A principal variável no processo de produção dessas amostras foi a atmosfera de reflow, que poderia ser em ar ou inerte. Este projeto foi dividido em dois estudos distintos. No primeiro, avaliou-se o impacto que a soldadura por reflow em atmosfera de ar tem nos sistemas SPI, AOI, AXI e de inspeção visual presentes na linha SMT da Bosch Car Multimedia. Os resultados revelaram que, na inspeção AOI, as amostras produzidas em atmosfera oxidante apresentaram valores ppm de pseudo-erros significativamente maiores que aquelas produzidas em atmosfera inerte. Foi ainda descoberto pela inspeção visual um defeito de inclinação em um dos componentes montados, e embora a atmosfera de ar tenha aumentado esse defeito, este também foi observado nas amostras produzidas com a atmosfera inerte. No segundo estudo, avaliou-se o efeito das diferentes atmosferas de reflow no desempenho e fiabilidade da solda, através da realização de diversos testes de pasta de solda, incluindo ensaios de molhagem, espalhamento, tombstoning e bolas de solda. A análise desses testes mostrou que a atmosfera de ar diminui a molhabilidade da solda, embora ao usar um acabamento de superfície de ENIG, é possível mesmo assim obter excelente molhamento. A atmosfera de ar foi também responsável pelo aumento do número de bolas de solda encontradas no respetivo ensaio. Para resumir, os resultados não apresentaram grandes impedimentos na implementação de um processo de reflow em atmosfera de ar. No entanto, deve-se considerar que o processo tem limitações.