1、1O.S.P 製程教育訓練(Organic Solderability Preservatives)2一、各外表處置的引見與比較 無鉛焊接除了焊料(Solder)必需全部禁用鉛外,電路板板面(含各式封裝載)之焊墊、通孔焊環(huán)以及零件腳等各種外表處置,也都必需無鉛.在無鉛化焊接中,目前,可以順應無鉛化焊接的外表處置主要有五大類: (一)有機保焊劑(OSP) (二)化鎳浸金(ENIG) (三)浸鍍銀(I-Ag) (四)浸鍍錫(I-Sn) (五)噴錫(HASL)所用噴錫之焊料將改為99.3Sn/0.7Cu.熔點高達227,操作 溫度高達280 它們的最主要功能主要有三個方面: (一)維護性-在焊接高溫

2、條件下,結實地維護著新穎銅外表不受氧化、污染； (二)耐熱性-在無鉛化化焊接加熱過程中，不分層、不變色、不裂解分 解； (三)可焊性-在無鉛化高溫焊接時，能熔入熔融焊料或熔融焊料中的助焊劑發(fā) 生熔解作用，然后分解揮發(fā)除去或浮著于焊點焊料外表。 31、有機保焊劑OSP 簡單的說OSP就是在潔淨的裸銅外表上,長出一層有機皮膜,用以保護銅面於常態(tài)環(huán)境中不再繼續(xù)生銹(氧化或硫化等);但在后續(xù)的焊接高溫中,此種維護膜又必需很容易被助焊劑所快速趕走去除,如此方可使顯露的幹淨銅面，得以在極短時間內得與熔融焊錫立刻結合為結實的焊點，此等可護銅抗鏽的有機皮膜,一概稱之為有機保護劑. OSP在PCB中的運用,是早

3、期松香型助焊劑的延續(xù)、深化與開展。到目前為止，它閱歷了苯基連唑類 咪唑類 苯基咪唑類 烷基苯并咪唑類 烷基苯基咪唑類等五代的演化，其中心是不斷提高耐熱問題。4苯基連唑(BTA),第一代 此BTA可使銅面免于腐蝕與氧化的護銅方法,可追溯到1960年代IBM在其PCB制程中,維護銅面的暫時性皮膜Cu-56(1%的BTA水溶液),后經供應商Enthone公司的繼續(xù)研討改良,而成為知名的ENTEK處置法. BTA之所以能抗蝕護銅的原理,是因與銅材外表的氧化亞銅Cu2O進展立刻直接的反響,而生成高分子態(tài)有機銅式之錯合鹽類,下式為其反響過程的表示構造,亦即于銅面構成多重薄膜的假想圖.此等BTA與氧化亞銅所

4、成的皮膜,屬半透明性無色皮膜,在槽液中將會不斷長厚,與溫度,時間,PH值等有關.當BTA分子與氧化亞銅首先進展反響的瞬間,BTA會以其分子中三連唑之特殊方向性產生互動,并令其朝外而生成的Cu(I)BTAn的長鏈,再配合其他吸附的機理下,即可構成平面狀分子膜面附著在銅面上.567 假設將上BTA分子式三連氮的五解環(huán)的1位與2位(見前圖1)處,另處交換上其他的官能基時(例如甲基),那么比起原始BTA的抑制效應要減低假設干.但將六角苯環(huán)中的4與5位的氫原子,交換上甲基時,那么又比起原始BTA的抑制效果增大了一些,將會使得皮膜在銅面上的吸附力更強,其抑制力強弱可陳列為: 4Me-BTA(3nm)或5M

5、e-BTA(7nm)BTA 1Me-BTA或 2Me-BTA BTA式有機保焊劑,厚度約414nm,在枯燥空氣中的保固壽命可達兩年.但在高濕度的環(huán)境中,不耐高溫環(huán)境,根本無法進展23次或多次焊接,而且金手指外表上也會長出不該有的OSP膜,太厚時更將使得接觸導通受阻,或呵斥電阻的困擾,目前已不運用.8咪唑(IA)類,第二代 此類第二代化學品常用者為烷基咪唑,也可與氧化亞銅進展反響而構成高分子狀的絡合物皮膜,目前本類僅做為單面板助焊劑之用.下兩圖即分別為其構造式,及在銅面反響所生成有面銅高分子維護膜的過程.左為烷基咪唑的構造式,右為與銅面生成有機維護膜構造圖9 此種OSP平均厚度很薄,只需10nm

6、而已,故不耐高溫的考驗,溫度愈高時維護性愈差,緣由是銅面發(fā)生氧化的時機愈大之故.以下圖即為其高溫劣化后出現(xiàn)氧化銅并以其厚度為目的,比較其焊錫性的下降情形.故本配方其亦無法進展多次高溫焊接.10苯基咪唑(BIA)類,第三代 假設將上述的咪唑再以衍生或替代上苯環(huán)時,那么護銅效果更好.此種第三代BIA在銅面上也能快速構成高分子式的有機銅絡合物,厚度可從10nm到1000nm不等,端視其反響時間與情況而定,但仍以0.30.4um最為適宜,不過此代之OSP會呵斥金面的變色,而遭到業(yè)者的反感,現(xiàn)已被淘汰.11現(xiàn)役衍生式苯基咪唑(SBA)類,第四代 后1997年時IBM研討員Sirtori等,發(fā)現(xiàn)進一步替代

7、性的苯基咪唑類,其耐熱性比早先各種Azole類都要好.于是這種新開發(fā)產品替代衍生式的Azole,就成為現(xiàn)役商品Entek106A根本配方了.不過此維護膜主反響(OSP Coat)的藍色主槽液中早先的配方需先行溶入銅離子,使銅面反響后構成淺棕色的皮膜.如此一來反響雖較順利,但卻常在皮膜中會出現(xiàn)不均勻的變色或斑點.于是后改良OSP主劑之無銅無色槽液者,皮膜均勻性才又變得較好一些.12面對無鉛焊接的烷基苯基咪唑類，第五代 無鉛焊接不但焊溫升高平均20以上而且焊時也拉長熔接時200以上約60秒;波焊時不但200 以上吸熱段在60秒以上,且峰溫更高達265),呵斥現(xiàn)役的各種OSP阻撓不住銅的氧化。加以免

8、洗助焊劑又脆弱不強下,想要3pass比較困難。后第五代OSP出籠,其特征有:A.完全不沾面,B.裂解溫度高達350 以上,可耐3次無鉛焊接,C.均勻被各種免洗助焊劑所能推開,D.厚度還可減薄到0.20.4um.13現(xiàn)役的OSP商業(yè)制程,其配方中成份可分為七類,即: 1)主反響劑為烷基苯基咪唑(APA). 2)高級脂肪酸做為聚合皮膜之成形劑. 3)稀釋劑,如甲酸乙酸等,均具強力刺激味. 4)氨水做為中和與絡合劑. 5)少量進渡金屬之鹽類. 6)有機螯合劑. 7)其他助劑等.14OSP的根本性能主要是以下三大特性OSP的維護性OSP的耐熱性OSP的可焊性15OSP的維護性 由于PCB焊盤銅新穎外表

9、極易氧化,構成結實的不可焊的氧化外表. 因此,必需進展耐熱防氧化的維護.而采用HASL是在新穎的銅外表熱涂(構成金屬間互化物)無鉛化焊料層,而化學鎳/金、化學錫、化學銀是在新穎銅外表鍍覆(金屬置換作用)上相應的金屬層,構成耐熱維護性金屬層.同理, OSP必需結實地附著在新穎銅外表上,而不是簡單地附著新穎銅外表上來進展維護,所以OSP是采用含高活性咪唑類與新穎銅構成結實絡合物,其厚度為0.20.4um之間,由于構成絡合物,所以能耐熱,即使在加熱條件下,也可防止氧化和污染.16OSP的耐熱性 OSP的耐熱性是無鉛化焊接過程中的中心問題.由于OSP的組成中,不僅含有高活性咪唑類與新穎銅外表構成結實的

10、絡合體,而且在無鉛焊接高溫度下不發(fā)生分解和逸出氣體,因此要采用高分解溫度OSP產品.目前,主要走向采用耐熱性高的烷基苯基咪唑類組成. 烷基苯基咪唑類的熱分解溫高達354.7衍生式苯基咪唑類的熱分解溫度為240260 之間.因此,烷基苯基咪唑類的OSP明顯地提高了分解溫度和耐熱性,完全適宜于無鉛化焊接溫度下多次回流焊接的運用.17OSP的可焊性 OSP的可焊性是指OSP除了具有結實附著維護性和高溫耐熱性外,還要具有好的高溫可焊性能,這是指它在無鉛化焊接時,OSP組成可以熔解,并與焊料中的助焊劑熔解作用而顯顯露新穎的銅外表,使熔融的無鉛焊料迅速與銅外表結合成結實焊接錫-銅合金互化物的焊接層(點),

11、而極少量熔解的OSP與助焊劑將浮著在焊接點外表或熱分解揮發(fā)掉.182.1噴錫(HASL)噴錫(HASL)經過了兩個階段.(1)有鉛噴錫階段 由于PCB的高密度化的迅速開展,焊盤的尺寸和間距越來越小,有鉛噴錫所占比例也越來越少.緣由是:A.熔融的錫鉛外表張力大,熱風整平的焊料外表呈半橢圓形/半圓形,影響焊接可靠性;B.熱風整平的焊料外表厚度不能低于3um.焊料外表厚度太薄,容易構成可焊性差的CuSn,而可焊性好的Cu6Sn5層太薄或沒有;C.PCB要經過約240的熱沖出,影響可靠性和運用壽命.(2)無鉛噴錫階段 無鉛噴錫是實施歐盟兩個指令(ROHS、WEEE)以來而采用的.由于采用 無鉛的焊料進

12、展熱風整平,其所用的無鉛焊料比有鉛焊料共熔點更高(至少高34 )、熔融態(tài)的外表張力更大大以上.加上PCB產品高密度化的開展迅速,因此, 噴錫在無鉛化的PCB產品上的運用越來越少.192.2化學鎳/金(ENIG) 用于焊接的化學鎳/金是在新穎銅焊盤上堆積上35um的鎳層,然后再鍍上維護性極薄的金(0.030.15um).在高溫無鉛化焊接過程,由于極薄的金層迅速地溶入焊料中而顯露鎳外表與熔融的焊料構成錫鎳合金而進展焊接,它能順應無鉛化焊接的要求.化學鎳/金層的主要問題:(1)容易出現(xiàn)黑點、黑斑等缺陷，影響焊接可靠性；(2)由于鎳層厚度不均勻或小于2um時,容易出現(xiàn)顏色不均/白色等;(3)容易構成脆

13、性(應力大)NiSnP的IMC,引起焊接層Ni3Sn4斷裂;(4)由于電阻大,不宜有特性阻抗高頻化/高速數(shù)字化等線路場所;(5)鎳鍍液較難維護,壽命短.202.3化學鍍錫 化學鍍錫的錫厚為0.81.2um.由于錫是無鉛焊料的最大組份,因此,它是適宜于無鉛化焊接的.但化學鍍錫層要具有耐焊接高溫暖防錫絲生長的特性.212.4化學鍍銀 化學鍍銀的銀厚度為0.10.5um之間.由于銀是無鉛焊料的根本組成,因此,它是適宜于無鉛化焊接的.在銀轉換銅時,但要防止構成銅/銀電極(+0.344V/+0.799)和銀遷移的產生.同時,還得特別留意銀外表的維護-遇到硫化物會變黃色,遇到鹵化物會變黑色.223、無鉛化

14、焊接的五大外表處置特性比較(一)項目HASLENIG化學鍍錫化學鍍銀OSP制造成本中高中高中高低處理溫度()240806050室溫至40處理時間23S40min610min60120min3090S表面狀態(tài)表面張力大易黑斑、脆裂攻擊油墨、黑/灰、錫須變色、防硫、鹵化物穩(wěn)定，防劃傷厚度（um）3535（鎳）0.81.20.30.50.20.4保存期1年1年半年半年半年返修易(熱沖擊)不易不易不易易高密度化難良好中中上良好廢水處理易難中中易23無鉛化焊接的五大外表處置特性比較(二)項目HASLENIG化學鍍錫化學鍍銀OSP工藝難度高高中中低平整度差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)綠油限制有有有無無焊點IMCCu6Sn5N

15、i3Sn4Cu6Sn5Cu6Sn5Cu6Sn5244、有機保焊劑OSP的未來 有機保焊劑OSP又可稱耐熱預焊劑.從目前來看，由于OSP較好地處理了無鉛化焊接過程中的維護性、耐熱性和可焊性的根本要求，加其本錢低和制造工藝過程簡單，因此，耐熱型/高溫型的OSP還會得到快速的開展，其市場占有率還會進一步提高。OSP除了具有維護性、耐熱性和可焊性的根本要求外，還具有其它突出的優(yōu)點，如：消費過程最簡單和穩(wěn)定，OSP的消費過程僅為微蝕、預浸、上有機膜、烘干幾步；返工/存儲過期處置最簡單，不會損傷PCB和添加厚度；在一切外表涂覆(鍍)層中本錢最低.這些優(yōu)點也決議著OSP在無鉛化焊接中的位置提高和市場繼續(xù)擴展

16、.25二、宏澤電子F22G系列藥水引見26F22G應用及特性應用： 印刷電路板(PCB、FPC) 與IC載板之無鉛焊墊特性 ：低本錢外表處理技術均勻的保護膜，提供最平坦的焊墊外表較低的外表離子污染度只在銅面上構成皮膜，防止金面上的變色污染耐熱性優(yōu)異,經多次迴焊處理後仍有極佳的焊錫性優(yōu)異的耐濕性，具有一年的保護銅才干相容於無鉛化 (Lead-free) SMT製程相容於免洗型No-CleanSMT製程非揮發(fā)性溶劑之水溶性溶液，平安性高低溫操作，添加電路板結構穩(wěn)定性化學性質溫和、不攻擊防焊綠漆27OSP 流 程 簡 介(F22G)脫脂(EC-102)水洗微蝕水洗預浸(PD22G)烘乾OSP(F22

17、G)純水洗純水洗28OSP制程管理水洗槽之進水量為 1 2 Turn/Hr；監(jiān)控OSP槽之前後段水洗(DI Water) pH值 5.0;微蝕槽之咬蝕量控制在 40 100 inch;後段乾燥設定溫度855 (請堅持適當板距以防止卡板);膜厚控制在0.20.4um.29有機維護膜厚度測試 OSP皮膜之厚度須在0.3um左右,太薄時將耐不住兩三次高溫環(huán)境 劇烈氧化的考驗,在焊錫性方面有不良的影響;太厚時又不易被后來焊接 助焊劑所去除,其焊錫性當然就問題多多了. a.儀器設備 紫外光分光光譜儀UV、100ml量瓶、50ml量筒 b.檢測方法 先將UV儀器波長調至270nm後暖機約2030mins,

18、取經過 PlatecF22 G處理過的銅箔外表積30cm2的測厚板(假設為雙面銅板則 裁成3.0 5.0cm)浸泡於50ml 0.5%鹽酸水溶液中，並均勻搖動35 分鐘，使F22 G皮膜完全溶解以0.5%鹽酸做空白校正得到UV的吸收 值abs c.厚度 0.427 abs30外觀檢查 主槽液的老化與污染,或前后處置的不良,都會呵斥皮膜外觀的異常,也將會影響到后續(xù)的焊錫性與焊點可靠度.正常的皮膜將呈現(xiàn)均勻灰棕色或偏淡棕色的膜面,或稍呈深灰色及不均勻的膜面,顏色太暗或嚴重斑點者那么無法允收. 皮膜顏色主要取決于前處置微蝕后銅面的顏色,微蝕系統(tǒng)藥水主要有硫酸/雙氧水、硫酸/過硫酸鈉兩大類；硫酸/雙氧水系列咬蝕后銅面顏色較淡較亮，硫酸/過硫酸鈉系列咬蝕后銅面顏色較深較暗。31常見膜面不良：32重工方式將重工板再次進行OSP製程即可；(注:假設膜面烘烤后或存放于空氣中時間過長