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PCB抄板无铅制程OSP膜的性能及表征

　　摘要：为了满足电子工业对于禁用铅的迫切要求，印刷电路板（PCB）工业正将最后表面处理从热风整平的喷锡（锡铅共晶）转移到其他表面处理，其中包括有机保护膜（OSP）、沉银、沉锡以及化学镍沉金。由于OSP膜的优异可焊性、工艺简单易行以及低操作成本，被认为是较佳的选择。

　　由于OSP（有机可焊保护膜）的优异可焊性、工艺简单易行以及低成本，被认为是较佳的表面处理工艺。

　　本论文使用热脱附—气相色谱—质谱分析法（TD-GC-MS）、热重量分析法（TGA）以及光电子能谱分析法（XPS）分析新一代耐高温OSP膜的相关耐热特性。气相色谱测试耐高温OSP膜（HTOSP）内影响可焊性的小分子有机成分，同时说明耐高温OSP膜内的烷基苯并咪唑-HT具有较小的挥发性。而TGA数据表明HTOSP膜与现行工业标准的OSP膜相比具有更高的降解温度。XPS数据显示耐高温OSP经过5次无铅回流后，氧含量仅增加了约1％。以上改进与工业无铅可焊性的要求直接有关。

　　OSP膜用于电路板已有多年，是由于唑类化合物（azole）与过渡金属元素发生反应，如铜和锌，而形成的有机金属聚合物薄膜。许多研究[1,2,3]都揭示金属表面上唑类化合物的腐蚀抑制机理。G.P.Brown[3]成功地合成了苯并咪唑和铜（ I I ） 、锌（II）以及其他过渡金属元素的有机金属聚合物，并通过TGA描述了聚（苯并咪唑—锌）优异的耐高温特性。G.P.Brown的TGA数据显示聚（苯并咪唑—锌）的降解温度在空气中高达400℃，在氮保护气氛下则高达500℃，而聚（苯并咪唑—铜）的降解温度只有250℃。较近研发的新型HTOSP膜是以聚（苯并咪唑—锌）化学特性为基础，从而具有较佳的耐热性。

　　OSP膜主要由有机金属聚合物和在沉积过程中夹带有机小分子组成，如脂肪酸和唑类化合物。有机金属聚合物提供必须的抗腐蚀性、铜表面粘附性和OSP的表面硬度。有机金属聚合物的降解温度必须高于无铅焊料的熔点才能经受无铅制程处理。否则，OSP膜会在经过无铅制程处理后降解。OSP膜的降解温度很大程度上取决于有机金属聚合物的耐热性。影响铜抗氧化的另一重要因素是唑类化合物的挥发性，如苯并咪唑和苯基咪唑。OSP膜的小分子在无铅回流过程中会蒸发，因此会影响铜的抗氧化性。可以使用气相色谱—质谱（GC-MS）、热重量分析法（TGA）以及光电子能谱分析法（XPS）来科学地说明OSP的耐热性。

　　实验

　　1.气相色谱—质谱的分析

　　在这些测试的铜板分别涂上：a)新型HTOSP膜；b)工业标准的OSP膜以及；c)另外一种工业用OSP膜。从铜板上刮下约0.74-0.79mg的OSP膜。这些涂好的铜板以及被刮下的样品都没有经过任何回流处理。本实验使用H／P6890GC／MS仪器，并使用无针筒注射器。无针筒注射器可以在进样舱内直接对固体样品进行脱附处理。无针筒注射器可以将细小玻管内的样品转移到气相色谱的进舱内。载气可以不断地将挥发性有机物带到气相色谱仪柱子内进行收集和分离。将样品放置在紧靠柱子的*，从而使热脱附有效重复。在有足够的样品被脱附后，气相色谱开始工作，本实验使用RestekRT-1（0.25mmid×30m，膜厚为1.0μm）气相色谱柱子。气相色谱柱子的升温程序：在35℃加热2分钟后，开始升温至325℃，升温速度为15℃／min。热脱附条件为：在250℃加热2分钟后。质谱检测被分离的挥发性有机物，其质量／电荷比范围是10-700daltons。所有有机小分子的保留时间也被记录下来。

　　2.热重量分析法（TGA）

　　同样，分别在样板上涂上新型HTOSP膜、工业标准的OSP膜以及另一工业用OSP膜。从铜板上刮下大约17.0mg的OSP膜作为材料测试样品。TGA测试前样板和膜都不能经过任何的无铅回流处理。使用TA仪器公司的2950TA，在氮气保护下进行TGA测试。工作温度保持为室温15分钟，然后以10℃／min的速度升高到700℃。

　　3.光电子能谱分析法（XPS）

　　光电子能谱分析法（XPS）也叫化学分析电子能谱（ESCA），是一种化学表面分析方法。XPS可测量涂层表面10nm的化学成分。将HTOSP膜和工业标准的OSP膜涂在铜板上，然后经过5次无铅回流。用XPS分析回流处理前和后的HTOSP膜；同样用XPS分析经过5次无铅回流后的工业标准的OSP膜，所使用的仪器是VGESCALABMarkII。

　　4.通孔可焊性测试

　　使用可焊性测试板（STVs）进行通孔可焊性测试。总共有10个可焊性测试板STV阵列（每个阵列有4个STVs）涂上的膜厚约为0.35μm，其中5个STV阵列涂上HTOSP膜，另外5个STV阵列涂上工业标准的OSP膜。然后，涂膜后的STVs在焊膏回流炉内经过一系列高温、无铅回流处理。每个测试条件包括0、1、3、5或7次连续回流。每种膜要有4个STVs进行每一种回流测试条件。在回流处理过程后，所有STVs都经过高温和无铅波动焊接的处理。通孔可焊性可通过检验每个STV，计算正确填充的通孔数量来确定。通孔验收的标准是填充的焊料必须填充到镀通孔的**部或通孔的上端边缘。

　　每个STV有1196个通孔

　　10milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads

　　20milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads

　　30milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads

　　5.通过沾锡天平测试可焊性

　　O S P 膜的可焊性也可通过沾锡天平测试来*定。在沾锡天平测试样板上涂上HTOS P 膜， 经7 次无铅回流后，Tpeak=262℃。使用BTUTRS结合IR／convecTIon回流炉在空气中进行回流处理。按照IPC／EIAJ-STD-003A*4.3.1.4部分进行沾锡天平测试，使用“RoboTIcProcessSystems”自动化沾锡天平测试器、EF-8000助焊剂、无清洁助焊剂以及SAC305合金焊料。

　　6.焊接结合力测试

　　焊接结合力可通过测量剪切力。在BGA焊盘测试板上（直径为0.76mm）涂上HTOSP膜，其厚度分别为0.25和0.48μm并经过3次较高温度为262℃的无铅回流处理。并用匹配的焊膏焊接到焊盘上，焊球是SAC305合金（直径为0.76mm）。用DagePC-400粘合力测试仪以200μm／see的剪切速度进行剪切测试。