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PCBA大講堂:用數(shù)據(jù)比較OSP及ENIG表面處理電路板的焊接強度

發(fā)布時間 :2018-08-02 13:43 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCBA加工部
提出實驗數(shù)據(jù)佐證OSP表面處理的焊接強度比ENIG表面處理PCB來得強。但也證實OSP的焊錫強度會隨著時間老化而變差,所以,產(chǎn)品賣到市場上越久,其不良率應(yīng)該會越高
提出實驗數(shù)據(jù)佐證OSP表面處理的焊接強度比ENIG表面處理PCB來得強。但也證實OSP的焊錫強度會隨著時間老化而變差,所以,產(chǎn)品賣到市場上越久,其不良率應(yīng)該會越高。
 
各位朋友在SMT及PCBA電路板組裝業(yè)界混久了,也許曾聽某位專家或前輩經(jīng)驗分享告訴過你「OSP表面處理的電路板的焊接強度比ENIG表面處理來得強」,比較專業(yè)的術(shù)語應(yīng)該說「銅基地電路板的焊點強度比鎳基地來得強」,不過似乎沒有幾個人可以拿出一個數(shù)據(jù)來告訴你「到底OSP焊接強度比ENIG強了多少?」
 
你知道什么是ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold)表面處理電路板嗎? ENIG表面處理是什么電路板?有何優(yōu)缺點?
你知道什么是OSP(Organic Solderability Preservative)表面處理電路板嗎?什么是OSP(有機保焊膜)表面處理電路板?有何優(yōu)缺點?
 
深圳宏力捷在網(wǎng)絡(luò)上找了許多的報告,最后發(fā)現(xiàn)這篇由「日本 Niho Superior 公司」發(fā)表的【Strength of Lead-free BGA Spheres in High Speed Loading】英文版本報告算是較淺顯易懂,本文基本上會用這份報告當(dāng)材料來說明OSP與ENIG的焊接其承受應(yīng)力的能力。
 
因為現(xiàn)今手持電子裝置(portable devices)大行其道,使用者拿取時不小心將其掉落地上時有發(fā)生,所以這份報告使用了不同的剪切(Shear)測試速度對BGA錫球焊接于OSP及ENIG兩種不同表面處理的可靠性計算其BGA錫球的斷裂能量(Fracture Energy)來做為焊接強度評判的標(biāo)淮。
 
這份報告的測試樣品及其條件如下,對報告詳細(xì)內(nèi)容有興趣的讀者可以在網(wǎng)絡(luò)上搜尋一下這份原文報告的名稱應(yīng)該就可以找到了:
? 錫球直徑(BGA ball diameter): 0.5+/-0.01mm
? 板材(Laminate): FR4
? 板厚(Thickness): 1.6mm
? 采用防焊定義焊墊(Solder Mask Defined Pad): 0.42+/-0.02mm
? 防焊層厚度(Resist Thickness): 30-40um
? 電路板表面處理(Finish): OSP、ENIG(0.3um Ni/0.03um Au)
? 錫球合金(ball solder alloy): Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-0.7Cu-0.05Ni-0.006Ge、63Sn-37Pb
? 剪力測試速度(Shear at speeds):10, 100, 1000, 2000 and 4000 mm/sec
 
這份報告基本上采用了推力(Shear-test)及拉力(Pull-test)兩種測試方法,但深圳宏力捷這里只取其推力的報告,有興趣的讀者可以在網(wǎng)絡(luò)上找一下這份原文的報告,而這里的推力實際為錫球側(cè)向的剪切力(Shear),如左圖的測試方法。
這份報告基本上采用了推力(Shear-test)及拉力(Pull-test)兩種測試方法,但深圳宏力捷這里只取其推力的報告,有興趣的讀者可以在網(wǎng)絡(luò)上找一下這份原文的報告,而這里的推力實際為錫球側(cè)向的剪切力(Shear),如上圖的測試方法。
 
 
這份報告卻是以錫球的「破裂強度(Fracture Energy)」來計算其焊接強度的,因為當(dāng)最大剪切力出現(xiàn)時錫球還不一定整顆完全掉落下來,有些可能只是裂開一部分,但推力的最大值已經(jīng)求出,所以僅計算最大剪切力來代替焊錫強度會有點失真,應(yīng)該要計算其整個剪切力與距離所形成的封閉區(qū)域面積(上圖)才比較能代表焊接強度。
需要提醒的,這份報告卻是以錫球的「破裂強度(Fracture Energy)」來計算其焊接強度的,因為當(dāng)最大剪切力出現(xiàn)時錫球還不一定整顆完全掉落下來,有些可能只是裂開一部分,但推力的最大值已經(jīng)求出,所以僅計算最大剪切力來代替焊錫強度會有點失真,應(yīng)該要計算其整個剪切力與距離所形成的封閉區(qū)域面積(上圖)才比較能代表焊接強度。
 
Average_fracture_energy_as_a_function_of_shear_speed
從整份報告看來,針對OSP及ENIG表面處理的焊接強度結(jié)果可以歸納為下列幾點結(jié)論:
? 施加于錫球的剪切速度(shear speed)越快,不論錫球是焊接于OSP或ENIG的表面處理上,其斷裂能量(Fracture Energy)都會隨著剪切速度的增加而急速下降。這說明電子產(chǎn)品落下的速度對電路板上的電子零件焊錫強度來說都是個致命傷,而零件越重者,受到的傷害就會越大,因為F=ma。摔落的高度越高也就越不利。
 
? 以SAC305焊錫來說,OSP表面處理板子的焊錫對抗剪切力的破裂強度較ENIG表面處理的板子來的優(yōu)秀,尤其是在100mm/sec剪切力速度時差異最為明顯,但是到了1,000mm/sec以上的剪切速度時,兩者的間的差距則越來越小。這個可以解釋手機做裸機高處摔落測試(drop test)時ENIG與OSP差異不大,但是做滾動測試(tumble test)時OSP明顯比ENIG來得優(yōu)秀。
 
報告中還特別針對一次回焊(As reflow)、二次回焊(Double reflow)、回焊后放置于150°C環(huán)境下200(H)小時(Reflow + 200hr@150°C)做了實驗及比較,最主要目的在了解IMC(Intermetallic Compounds)在時間及溫度條件下對BGA錫球焊錫強度的影響性。
 
建議相關(guān)閱讀: 
何謂IMC (Intermetallic Compound)?IMC與PCB焊接強度有何關(guān)系?
 
Effect_of_ageing_on_performance_in_shear
 
? 以OSP表面處理與SAC305形成焊錫的剪切力測試的破裂強度來看,一次回焊及二次回焊對其焊錫強度影響似乎不大明顯,但是隨著高溫時間老化后,其焊錫強度則明顯下降。這個可以推論是因為OSP銅基地與錫球最初形成Cu6Sn5為良性IMC,但隨著時間老化后,「銅」會慢慢的滲透到界面層并與原來的IMC發(fā)生反應(yīng),漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn劣性IMC有關(guān)。 
Cu6Sn5 + 9Cu → 5Cu3Sn 
也就是說銅基地的焊錫強度會隨著時間老化而變差,產(chǎn)品賣到市場上越久,不良率就會越高。
 
? 以ENIG表面處理與SAC305形成焊錫的剪切力測試來看,不論是一次回焊、二次回焊、回焊后放置于150°C環(huán)境下200(H)小時來看,其破裂強度(焊接強度)似乎沒有特別明顯的差異。
相對來說,ENIG一旦經(jīng)過設(shè)計信賴度品質(zhì)驗證,日后在市場上的不良率應(yīng)該比較低,但前提是不計「黑墊」這類PCB生產(chǎn)時的瑕疵。


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