OSP Organic Solderability Preservatives制程教育训练

1 O S P製程教育訓練 OrganicSolderabilityPreservatives 深圳市宏澤電子有限公司深圳市寶安區沙井街道沙一村下沖路131號碧海花園D3棟電話 0755 298656230755 29711766傳真 0755 29865625 2 一 各表面处理的介绍与比较 无铅焊接除了焊料 Solder 必须全部禁用铅外 电路板板面 含各式封装载 之焊垫 通孔焊环以及零件脚等各种表面处理 也都必须无铅 在无铅化焊接中 目前 能够适应无铅化焊接的表面处理主要有五大类 一 有机保焊剂 OSP 二 化镍浸金 ENIG 三 浸镀银 I Ag 四 浸镀锡 I Sn 五 喷锡 HASL 所用喷锡之焊料将改为99 3Sn 0 7Cu 熔点高达227 操作温度高达280 它们的最主要功能主要有三个方面 一 保护性 在焊接高温条件下 牢固地保护着新鲜铜表面不受氧化 污染 二 耐热性 在无铅化化焊接加热过程中 不分层 不变色 不裂解 分解 三 可焊性 在无铅化高温焊接时 能熔入熔融焊料或熔融焊料中的助焊剂发生熔解作用 然后分解挥发除去或浮着于焊点焊料表面 3 1 有機保焊劑OSP 簡單的說OSP就是在潔淨的裸銅表面上 長出一層有機皮膜 用以保護銅面於常態環境中不再繼續生锈 氧化或硫化等 但在后续的焊接高温中 此种保护膜又必须很容易被助焊剂所快速趕走清除 如此方可使露出的幹淨銅面 得以在極短時間內得與熔融焊錫立即結合為牢固的焊點 此等可護銅抗鏽的有機皮膜 一律稱之為有機保護劑 OSP在PCB中的应用 是早期松香型助焊剂的延续 深化与发展 到目前为止 它经历了苯基连唑类咪唑类苯基咪唑类烷基苯并咪唑类烷基苯基咪唑类等五代的演变 其核心是不断提高耐热问题 4 苯基连唑 BTA 第一代 此BTA可使铜面免于腐蚀与氧化的护铜方法 可追溯到1960年代IBM在其PCB制程中 保护铜面的暂时性皮膜Cu 56 1 的BTA水溶液 后经供应商Enthone公司的继续研究改进 而成为知名的ENTEK处理法 BTA之所以能抗蚀护铜的原理 是因与铜材表面的氧化亚铜Cu2O进行立即直接的反应 而生成高分子态有机铜式之错合盐类 下式为其反应过程的示意结构 亦即于铜面形成多重薄膜的假想图 此等BTA与氧化亚铜所成的皮膜 属半透明性无色皮膜 在槽液中将会不断长厚 与温度 时间 PH值等有关 当BTA分子与氧化亚铜首先进行反应的瞬间 BTA会以其分子中三连唑之特殊方向性产生互动 并令其朝外而生成的 Cu I BTA n的长链 再配合其他吸附的机理下 即可形成平面状分子膜面附著在铜面上 5 图一 6 图二 铜面之氧化亚铜皮膜与BTA反应的过程 7 若将上BTA分子式三连氮的五解环的1位与2位 见前图1 处 另处替换上其他的官能基时 例如甲基 则比起原始BTA的抑制效应要减低若干 但将六角苯环中的4与5位的氢原子 替换上甲基时 则又比起原始BTA的抑制效果增大了一些 将会使得皮膜在铜面上的吸附力更强 其抑制力强弱可排列为 4Me BTA 3nm 或5Me BTA 7nm BTA 1Me BTA或2Me BTABTA式有机保焊剂 厚度约4 14nm 在干燥空气中的保固寿命可达两年 但在高湿度的环境中 不耐高温环境 根本无法进行2 3次或多次焊接 而且金手指表面上也会长出不该有的OSP膜 太厚时更将使得接触导通受阻 或造成电阻的困扰 目前已不使用 8 咪唑 IA 类 第二代 此类第二代化学品常用者为烷基咪唑 也可与氧化亚铜进行反应而形成高分子状的络合物皮膜 目前本类仅做为单面板助焊剂之用 下两图即分别为其结构式 及在铜面反应所生成有面铜高分子保护膜的过程 左为烷基咪唑的结构式 右为与铜面生成有机保护膜结构图 9 此种OSP平均厚度很薄 只有10nm而已 故不耐高温的考验 温度愈高时保护性愈差 原因是铜面发生氧化的机会愈大之故 下图即为其高温劣化后出现氧化铜并以其厚度为指标 比较其焊锡性的下降情形 故本配方其亦无法进行多次高温焊接 10 苯基咪唑 BIA 类 第三代 若将上述的咪唑再以衍生或替代上苯环时 则护铜效果更好 此种第三代BIA在铜面上也能快速形成高分子式的有机铜络合物 厚度可从10nm到1000nm不等 端视其反应时间与状况而定 但仍以0 3 0 4um最为适宜 不过此代之OSP会造成金面的变色 而遭到业者的反感 现已被淘汰 11 现役衍生式苯基咪唑 SBA 类 第四代 后1997年时IBM研究员Sirtori等 发现进一步替代性的苯基咪唑类 其耐热性比早先各种Azole类都要好 于是这种新开发产品替代衍生式的Azole 就成为现役商品Entek106A基本配方了 不过此保护膜主反应 OSPCoat 的蓝色主槽液中早先的配方需先行溶入铜离子 使铜面反应后形成浅棕色的皮膜 如此一来反应虽较顺利 但却常在皮膜中会出现不均匀的变色或斑点 于是后改进OSP主剂之无铜无色槽液者 皮膜均匀性才又变得较好一些 12 面对无铅焊接的烷基苯基咪唑类 第五代 无铅焊接不但焊温升高 平均20 以上 而且焊时也拉长 熔接时200 以上约60秒 波焊时不但200 以上吸热段在60秒以上 且峰温更高达265 造成现役的各种OSP阻挡不住铜的氧化 加以免洗助焊剂又软弱不强下 想要3pass比较困难 后第五代OSP出笼 其特色有 A 完全不沾面 B 裂解温度高达350 以上 可耐3次无铅焊接 C 均匀被各种免洗助焊剂所能推开 D 厚度还可减薄到0 2 0 4um 13 现役的OSP商业制程 其配方中成份可分为七类 即 1 主反应剂为烷基苯基咪唑 APA 2 高级脂肪酸做为聚合皮膜之成形剂 3 稀释剂 如甲酸乙酸等 均具强力刺激味 4 氨水做为中和与络合剂 5 少量进渡金属之盐类 6 有机螯合剂 7 其他助剂等 14 OSP的基本性能主要是以下三大特性 OSP的保护性OSP的耐热性OSP的可焊性 15 OSP的保护性 由于PCB焊盘铜新鲜表面极易氧化 形成牢固的不可焊的氧化表面 因此 必须进行耐热防氧化的保护 而采用HASL是在新鲜的铜表面热涂 形成金属间互化物 无铅化焊料层 而化学镍 金 化学锡 化学银是在新鲜铜表面镀覆 金属置换作用 上相应的金属层 形成耐热保护性金属层 同理 OSP必须牢固地附着在新鲜铜表面上 而不是简单地附着新鲜铜表面上来进行保护 所以OSP是采用含高活性咪唑类与新鲜铜形成牢固络合物 其厚度为0 2 0 4um之间 由于形成络合物 所以能耐热 即使在加热条件下 也可避免氧化和污染 16 OSP的耐热性 OSP的耐热性是无铅化焊接过程中的核心问题 由于OSP的组成中 不仅含有高活性咪唑类与新鲜铜表面形成牢固的络合体 而且在无铅焊接高温度下不发生分解和逸出气体 因此要采用高分解温度OSP产品 目前 主要走向采用耐热性高的烷基苯基咪唑类组成 烷基苯基咪唑类的热分解温高达354 7 衍生式苯基咪唑类的热分解温度为240 260 之间 因此 烷基苯基咪唑类的OSP明显地提高了分解温度和耐热性 完全适宜于无铅化焊接温度下多次回流焊接的应用 17 OSP的可焊性 OSP的可焊性是指OSP除了具有牢固附着保护性和高温耐热性外 还要具有好的高温可焊性能 这是指它在无铅化焊接时 OSP组成能够熔解 并与焊料中的助焊剂熔解作用而显露出新鲜的铜表面 使熔融的无铅焊料迅速与铜表面结合成牢固焊接锡 铜合金互化物的焊接层 点 而极少量熔解的OSP与助焊剂将浮着在焊接点表面或热分解挥发掉 18 2 1喷锡 HASL 喷锡 HASL 经过了两个阶段 1 有铅喷锡阶段由于PCB的高密度化的迅速发展 焊盘的尺寸和间距越来越小 有铅喷锡所占比例也越来越少 原因是 A 熔融的锡铅表面张力大 热风整平的焊料表面呈半椭圆形 半圆形 影响焊接可靠性 B 热风整平的焊料表面厚度不能低于3um 焊料表面厚度太薄 容易形成可焊性差的CuSn 而可焊性好的Cu6Sn5层太薄或没有 C PCB要经过约240 的热冲出 影响可靠性和使用寿命 2 无铅喷锡阶段无铅喷锡是实施欧盟两个指令 ROHS WEEE 以来而采用的 由于采用无铅的焊料进行热风整平 其所用的无铅焊料比有铅焊料共熔点更高 至少高34 熔融态的表面张力更大 大 以上 加上PCB产品高密度化的发展迅速 因此 喷锡在无铅化的PCB产品上的应用越来越少 19 2 2化学镍 金 ENIG 用于焊接的化学镍 金是在新鲜铜焊盘上沉积上3 5um的镍层 然后再镀上保护性极薄的金 0 03 0 15um 在高温无铅化焊接过程 由于极薄的金层迅速地溶入焊料中而露出镍表面与熔融的焊料形成锡镍合金而进行焊接 它能适应无铅化焊接的要求 化学镍 金层的主要问题 1 容易出现黑点 黑斑等缺陷 影响焊接可靠性 2 由于镍层厚度不均匀或小于2um时 容易出现颜色不均 白色等 3 容易形成脆性 应力大 NiSnP的IMC 引起焊接层Ni3Sn4断裂 4 由于电阻大 不宜有特性阻抗高频化 高速数字化等线路场合 5 镍镀液较难维护 寿命短 20 2 3化学镀锡 化学镀锡的锡厚为0 8 1 2um 由于锡是无铅焊料的最大组份 因此 它是适宜于无铅化焊接的 但化学镀锡层要具有耐焊接高温和防锡丝生长的特性 21 2 4化学镀银 化学镀银的银厚度为0 1 0 5um之间 由于银是无铅焊料的基本组成 因此 它是适宜于无铅化焊接的 在银转换铜时 但要防止形成铜 银电极 0 344V 0 799 和银迁移的产生 同时 还得特别注意银表面的保护 遇到硫化物会变黄色 遇到卤化物会变黑色 22 3 无铅化焊接的五大表面处理特性比较 一 23 无铅化焊接的五大表面处理特性比较 二 24 4 有机保焊剂 OSP 的未来 有机保焊剂 OSP 又可称耐热预焊剂 从目前来看 由于OSP较好地解决了无铅化焊接过程中的保护性 耐热性和可焊性的基本要求 加其成本低和制造工艺过程简单 因此 耐热型 高温型的OSP还会得到快速的发展 其市场占有率还会进一步提高 OSP除了具有保护性 耐热性和可焊性的基本要求外 还具有其它突出的优点 如 生产过程最简单和稳定 OSP的生产过程仅为微蚀 预浸 上有机膜 烘干几步 返工 存储过期处理最简单 不会损伤PCB和增加厚度 在所有表面涂覆 镀 层中成本最低 这些优点也决定着OSP在无铅化焊接中的地位提高和市场继续扩大 25 二 宏泽电子F22G系列药水介绍 26 F22G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 低成本表面處理技術均勻的保護膜 提供最平坦的焊墊表面較低的表面離子污染度只在銅面上形成皮膜 防止金面上的變色污染耐熱性優異 經多次迴焊處理後仍有極佳的焊錫性優異的耐濕性 具有一年的保護銅能力相容於無鉛化 Lead free SMT製程相容於免洗型 No Clean SMT製程非揮發性溶劑之水溶性溶液 安全性高低溫操作 增加電路板結構穩定性化學性質溫和 不攻擊防焊綠漆 27 OSP流程簡介 F22G 純水洗 28 OSP制程管理 水洗槽之進水量為1 2Turn Hr 監控OSP槽之前後段水洗 DIWater 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85 5 請保持適當板距以避免卡板 膜厚控制在0 2 0 4um 29 有机保护膜厚度测试 OSP皮膜之厚度须在0 3um左右 太薄时将耐不住两三次高温环境强烈氧化的考验 在焊锡性方面有不良的影响 太厚时又不易被后来焊接助焊剂所清除 其焊锡性当然就问题多多了 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20 30mins 取經過PlatecF22G處理過的銅箔表面積30cm2的測厚板 若為雙面銅板則裁成3 0 5 0cm 浸泡於50ml0 5 鹽酸水溶液中 並均勻搖動3 5分鐘 使F22G皮膜完全溶解以0 5 鹽酸做空白校正得到UV的吸收值absc 厚度 0 427 abs 30 外观检查 主槽液的老化与污染 或前后处理的不良 都会造成皮膜外观的异常 也將会影响到后续的焊锡性与焊点可靠度 正常的皮膜将呈现均匀灰棕色或偏淡棕色的膜面 或稍呈深灰色及不均匀的膜面 颜色太暗或严重斑点者则无法允收 皮膜颜色主要取决于前处理微蚀后铜面的颜色 微蚀系统药水主要有硫酸 双氧水 硫酸 过硫酸钠两大类 硫酸 双氧水系列咬蚀后铜面颜色较淡 较亮 硫酸 过硫酸钠系列咬蚀后铜面颜色较深 较暗 31 常见膜面不良 PAD沾S M沾異物铜面沾药水铜面沾文字漆 内圈阴影铜面污点铜面氧化铜面沾白点物 32 重工方式 將重工板再次進行OSP製程即可 注 若膜面烘烤后或存放于空气中时间过长造成膜面老化 需要使用3 5 檸檬酸或硫酸水溶液退膜后方能重过OSP制程 来料铜面不良造成膜面色差 不均 需过前处理 喷砂 处理OK后再过OSP制程 33 有機皮膜 F22G 裂解試驗 34 不同Reflow次數對膜厚之影響 35 成品板保存方式及條件 生產板經過有機保焊劑處 後 請儘速移至品檢區進 FQC 生產板在品檢區環境設定溫 27 及相對溼 70 RH之下在48小時內以真空包裝方式進 保存 真空包裝後與恒溫恒濕環境下 6個月 相對濕度 40 70 溫度 20 4