Trong suốt hai mươi năm làm việc trong ngành sản xuất điện tử, tôi đã nghe rất nhiều quan điểm được đưa ra về việc sử dụng nitơ trong các quy trình hàn trong môi trường trơ: nhiều trong số đó hoàn toàn sai lầm. Trong bài thảo luận này, tôi sẽ lấy ví dụ về quy trình hàn nóng chảy (reflow) trong lò kín, mặc dù nhiều nội dung trong các cuộc thảo luận này có thể liên quan đến hàn sóng và thậm chí là hàn chân không.
Hãy bắt đầu với lý do thực sự khiến kỹ sư lắp ráp sử dụng nitơ trong quá trình hàn trơ: bởi vì đây là loại khí rẻ nhất hiện có mà không phản ứng với bề mặt kim loại nóng để tạo thành một lớp màng khiến kim loại không thể hàn được. Chỉ có vậy thôi. Chấm hết. Những người sử dụng nitơ trong quá trình hàn nóng chảy không phải vì nó có bất kỳ đặc tính tuyệt vời nào, mà là vì nó có hàm lượng oxy và độ ẩm thấp, đồng thời có thể loại bỏ (pha loãng) oxy xuống mức đủ thấp để ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình oxy hóa bề mặt kim loại trong quá trình gia nhiệt.
Để hiểu bất kỳ quá trình nào sử dụng khí trơ (không phản ứng), bạn cần phải hiểu thành phần của không khí – loại khí phong phú nhất mà chúng ta có. Không khí bao gồm khoảng 78% nitơ, 20,9% oxy và 0,9% argon, cùng với một lượng nhỏ các khí khác như carbon dioxide, v.v., cùng với lượng hơi nước thay đổi. Hàm lượng hơi nước có thể lên đến khoảng 4%, và tất nhiên, ở mức này, nó sẽ làm loãng nồng độ các khí khác theo tỷ lệ (96/100), phòng trường hợp bạn nghĩ rằng có vấn đề về tính toán. Nồng độ oxy (20,9%) tương đương với 209.000 ppm (phần triệu). Đơn vị ppm là thước đo hữu ích hơn nhiều khi bạn đang ở mức phần trăm thấp, ví dụ: 0,01% = 100 ppm. Cũng cần lưu ý rằng thước đo phân số (ppm hoặc %) tương quan với lượng theo thể tích và, theo phương trình khí lý tưởng, cũng tương quan với phần trăm mol.
Bây giờ tôi sẽ đề cập đến một nửa số quan niệm sai lầm này, và nửa còn lại sẽ để lần sau.
Lầm tưởng 1: “Nitơ loại bỏ oxit”
Sự thật: Nitơ được sử dụng ở nhiệt độ hàn lại hoàn toàn không có tính chất làm tan chảy (loại bỏ oxit) và không phản ứng hóa học với bất kỳ chất nào ở các nhiệt độ này. Nitơ ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình oxy hóa hoặc (trong trường hợp bề mặt đã được làm sạch bằng chất trợ hàn) quá trình tái oxy hóa đơn giản vì nó không phải là khí oxy hóa. Khí tạo hình (hỗn hợp hydro và nitơ) lại hoàn toàn khác, và tôi sẽ thảo luận về vấn đề này trong một bài viết tiếp theo.
Lầm tưởng 2: “Nitơ cải thiện khả năng truyền nhiệt”
Sự thật: Nó không có tác động nhiệt thực tế nào đối với quá trình hàn. Sự truyền nhiệt trong các loại khí ở cùng áp suất và nhiệt độ chỉ phụ thuộc vào khối lượng phân tử của các khí đó: không có yếu tố nào khác. Vì nitơ có khối lượng phân tử là 28, còn oxy gần như tương đương với 32, nên sự khác biệt về tính chất truyền nhiệt giữa không khí và nitơ là rất nhỏ, bất kể bạn đang nói đến dòng chảy tầng hay dòng chảy nhiễu loạn.
Lầm tưởng 3: “Nếu tôi đo nồng độ oxy trong khí nitơ đi vào, thì tôi sẽ biết được nồng độ trong lò”
Sự thật: Ngay cả một lò hàn lại trơ được bịt kín tốt trên bề ngoài cũng thực tế vẫn trộn lẫn không khí xung quanh với khí nitơ của bạn ở một mức độ nào đó. Quá trình này diễn ra thông qua sự khuếch tán đơn giản (do sự chênh lệch áp suất riêng phần của oxy trong không khí so với bên trong lò) hoặc do sự trộn lẫn hỗn loạn giữa nitơ và không khí gần lỗ mở. Điều xảy ra trong một lò nung thực tế được minh họa trong hình vẽ (ở trên). Việc đưa một lưu lượng nitơ thấp vào lò sẽ có ít hoặc không có tác dụng (a), sau đó tăng lưu lượng sẽ làm giảm nồng độ, nhưng bạn sẽ thấy những biến động lớn (b), và cuối cùng bạn sẽ đạt đến điểm bão hòa (c) – nơi bạn đã đạt được mức oxy thấp nhất có thể, nhưng sự trộn lẫn hỗn loạn vẫn tiếp tục đưa oxy từ không khí bên ngoài vào. Khi bạn tăng lưu lượng nitơ, bạn chỉ đơn giản là tăng độ hỗn loạn, và do đó tăng tốc độ trộn lẫn.
Lầm tưởng 4: “Nitơ tinh khiết hơn sẽ mang lại kết quả tốt hơn”
Sự thật: Nitơ tiêu chuẩn, chất lượng đông lạnh chứa khoảng 2–5 ppm oxy. Ngay cả khi xả khí trong lò nung được bịt kín kỹ lưỡng, bạn cũng không thể giảm nồng độ oxy xuống chính xác bằng mức của khí đầu vào. Bạn sẽ không thấy sự khác biệt nào nếu sử dụng nguồn nitơ có nồng độ oxy là 10 ppm hoặc 10 ppt (phần trên một nghìn tỷ). Như bạn có thể thấy từ hình minh họa (c) ở trên, tác dụng của khí có độ tinh khiết cao bị triệt tiêu hoàn toàn do sự trộn lẫn với không khí.
Lầm tưởng 5: “Nitơ giúp giảm thiểu mọi khuyết tật trong quá trình hàn”
Sự thật: Nitơ có thể giúp khắc phục một số khuyết tật liên quan đến khả năng thấm ướt, và thường có thể biến một quy trình hàn ở mức trung bình (vừa đủ tiêu chuẩn) thành một quy trình đạt tiêu chuẩn. Sự thật khác: Nitơ không chỉ có thể làm tăng hiện tượng thấm ướt ("wicking") một cách không kiểm soát được trên khung chì hoặc các bề mặt khác, mà còn có thể gây ra hiện tượng bắn tóe hàn và góp phần gây ra hiện tượng nghiêng chip (lắp ráp bán dẫn công suất) hoặc hiện tượng "tombstoning" ( SMT).
Hẹn gặp lại trong bài tiếp theo. Phần II của bài viết này có thể xem tại đây.
Chúc mừng! Andy
