在我從事電子製造產業的二十年期間，我聽過許多關於在惰性環境焊接製程中使用氮氣的說法：其中許多都是完全錯誤的。在這篇討論中，我將以密閉烤箱中的回流焊接為例，儘管這些討論中的許多內容可能也適用於波峰焊接，甚至真空焊接。
讓我們先從組裝工程師在惰性焊接中使用氮氣的真正原因說起：因為這是目前最便宜的氣體，且不會與高溫金屬表面發生反應而形成無法焊接的薄膜。就是這樣。 就這樣。使用氮氣進行回流焊接的人，並非因為它具備什麼神奇特性，而是因為它含有低濃度的氧氣和水分，能夠將氧氣濃度稀釋至足夠低的水平，從而防止或減緩金屬表面在加熱過程中的氧化。
要理解任何使用惰性（非反應性）氣體的過程，必須先了解空氣的組成；空氣是我們最容易取得的氣體。空氣中約有 78% 的氮氣、20.9% 的氧氣和 0.9% 的氬氣，此外還含有微量其他氣體（如二氧化碳等），以及含量不一的水蒸氣。 水蒸氣含量最高可達約 4%；當然，在這種濃度下，它會將其他氣體的濃度稀釋 (96/100)，以免您誤以為計算有誤。氧氣濃度（20.9%）相當於 209,000 ppm（百萬分率）。 當濃度處於較低百分比水平時，ppm 單位會是更實用的衡量方式，例如 0.01% = 100ppm。此外，值得注意的是，分數單位（ppm 或 %）與體積百分比相關，根據理想氣體方程式，也與摩爾百分比相關。
我現在先談其中一半的迷思，另一半留到下次再說。
迷思 1：「氮氣能去除氧化物」
事實：在回流溫度下使用的氮氣完全不具備助焊（去除氧化物）特性，且在該溫度下不會與任何物質發生化學反應。氮氣之所以能防止或減緩氧化，或（在經過助焊劑清潔的表面上）防止再氧化，純粹是因為它本身並非氧化性氣體。 成形氣體（氫氣與氮氣的混合氣體）則截然不同，我將在後續的說明中探討此議題。
迷思 2：「氮氣能提升熱傳導效率」
事實：這對焊接過程並無實際的熱效應。在相同壓力與溫度下，氣體的熱傳導效率完全取決於氣體的分子量，別無其他因素。由於氮氣的分子量為 28，而氧氣的分子量則接近 32，因此無論是層流還是湍流，空氣與氮氣之間的熱傳導特性差異都微乎其微。
迷思 3：「如果我測量流入的氮氣中的氧氣濃度，就能知道回流爐內的氧氣濃度」
事實：即使是表面上密封良好且已充入惰性氣體的回流爐，實際上仍會在某種程度上將環境空氣與氮氣混合。這種混合是透過簡單的擴散（由空氣中與爐內氧氣分壓的差異驅動）或氮氣在開口附近與空氣的湍流混合所造成的。 實際烤箱中的情況如上圖所示。 若以低流量將氮氣導入烤箱，幾乎不會產生任何效果（a）；接著增加流量雖會降低氧氣濃度，但您會觀察到大幅波動（b）；最後將達到一個平台期（c），此時已達到氧氣濃度的最低值，但湍流混合仍會持續將外界空氣中的氧氣引入。當您增加氮氣流量時，實際上只是加劇了湍流，進而加快了混合速率
迷思 4：「純度更高的氮氣能帶來更好的結果」
事實：標準的低溫級氮氣中含有約 2 至 5 ppm 的氧氣。即使對密封良好的烘箱進行吹掃，也無法將氧氣濃度降至與進氣完全相同的水平。無論您使用的是氧氣濃度為 10 ppm 還是 10 ppt（兆分之一）的氮氣來源，都無法觀察到任何差異。 如上圖 (c) 所示，高純度氣體的效果會因與空氣混合而完全抵銷。
迷思 5：「氮氣能消除所有焊接缺陷」
事實：氮氣確實有助於解決某些與潤濕性相關的缺陷，且往往能將一個表現平平（勉強可接受）的焊接製程，提升至可接受的標準。 另一項事實：它不僅可能導致焊料在引線框架或其他表面上失控地擴散（「毛細作用」），還可能引起焊料飛濺，並導致晶片傾斜（功率半導體組裝）或「墓碑效應」（ 表面貼裝技術）。
下回待續。本文第二部分請點此處。
乾杯安迪
