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PCB大講堂:無鉛制程OSP膜的性能及表征(一)

發(fā)布時間 :2016-06-25 15:00 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB制板部
摘要:為了滿足電子工業(yè)對于禁用鉛的迫切要求,印刷電路板(PCB)工業(yè)正將最后表面處理從熱風(fēng)整平的噴錫(錫鉛共晶)轉(zhuǎn)移到其他表面處理,其中包括有機(jī)保護(hù)膜(OSP)、沉銀、沉錫以及化學(xué)鎳沉金。由于OSP膜的優(yōu)異可焊性、工藝簡單易行以及低操作成本,被認(rèn)為是最佳的選擇。
 
  本文使用熱脫附—氣相色譜—質(zhì)譜分析法(TD-GC-MS)、熱重量分析法(TGA)以及光電子能譜分析法(XPS)分析新一代耐高溫OSP膜的相關(guān)耐熱特性。氣相色譜測試耐高溫OSP膜(HTOSP)內(nèi)影響可焊性的小分子有機(jī)成分,同時說明耐高溫OSP膜內(nèi)的烷基苯并咪唑-HT具有極小的揮發(fā)性。而TGA數(shù)據(jù)表明HTOSP膜與現(xiàn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜相比具有更高的降解溫度。XPS數(shù)據(jù)顯示耐高溫OSP經(jīng)過5次無鉛回流后,氧含量僅增加了約1%。以上改進(jìn)與工業(yè)無鉛可焊性的要求直接有關(guān)。
  OSP膜用于電路板已有多年,是由于唑類化合物(azole)與過渡金屬元素發(fā)生反應(yīng),如銅和鋅,而形成的有機(jī)金屬聚合物薄膜。許多研究都揭示金屬表面上唑類化合物的腐蝕抑制機(jī)理。G.P.Brown成功地合成了苯并咪唑和銅( I I ) 、鋅(II)以及其他過渡金屬元素的有機(jī)金屬聚合物,并通過TGA描述了聚(苯并咪唑—鋅)優(yōu)異的耐高溫特性。G.P.Brown的TGA數(shù)據(jù)顯示聚(苯并咪唑—鋅)的降解溫度在空氣中高達(dá)400℃,在氮保護(hù)氣氛下則高達(dá)500℃,而聚(苯并咪唑—銅)的降解溫度只有250℃。最近研發(fā)的新型HTOSP膜是以聚(苯并咪唑—鋅)化學(xué)特性為基礎(chǔ),從而具有最佳的耐熱性。
  OSP膜主要由有機(jī)金屬聚合物和在沉積過程中夾帶有機(jī)小分子組成,如脂肪酸和唑類化合物。有機(jī)金屬聚合物提供必須的抗腐蝕性、銅表面粘附性和OSP的表面硬度。有機(jī)金屬聚合物的降解溫度必須高于無鉛焊料的熔點(diǎn)才能經(jīng)受PCB抄板無鉛制程處理。否則,OSP膜會在經(jīng)過PCB抄板無鉛制程處理后降解。OSP膜的降解溫度很大程度上取決于有機(jī)金屬聚合物的耐熱性。影響銅抗氧化的另一重要因素是唑類化合物的揮發(fā)性,如苯并咪唑和苯基咪唑。OSP膜的小分子在無鉛回流過程中會蒸發(fā),因此會影響銅的抗氧化性。可以使用氣相色譜—質(zhì)譜(GC-MS)、熱重量分析法(TGA)以及光電子能譜分析法(XPS)來科學(xué)地說明OSP的耐熱性。
  實(shí)驗(yàn)
  1.氣相色譜—質(zhì)譜的分析
  在這些測試的銅板分別涂上:a)新型HTOSP膜;b)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜以及;c)另外一種工業(yè)用OSP膜。從銅板上刮下約0.74-0.79mg的OSP膜。這些涂好的銅板以及被刮下的樣品都沒有經(jīng)過任何回流處理。本實(shí)驗(yàn)使用H/P6890GC/MS儀器,并使用無針筒注射器。無針筒注射器可以在進(jìn)樣艙內(nèi)直接對固體樣品進(jìn)行脫附處理。無針筒注射器可以將細(xì)小玻管內(nèi)的樣品轉(zhuǎn)移到氣相色譜的進(jìn)艙內(nèi)。載氣可以不斷地將揮發(fā)性有機(jī)物帶到氣相色譜儀柱子內(nèi)進(jìn)行收集和分離。將樣品放置在緊靠柱子的頂端,從而使熱脫附有效重復(fù)。在有足夠的樣品被脫附后,氣相色譜開始工作,本實(shí)驗(yàn)使用RestekRT-1(0.25mmid×30m,膜厚為1.0μm)氣相色譜柱子。氣相色譜柱子的升溫程序:在35℃加熱2分鐘后,開始升溫至325℃,升溫速度為15℃/min。熱脫附條件為:在250℃加熱2分鐘后。質(zhì)譜檢測被分離的揮發(fā)性有機(jī)物,其質(zhì)量/電荷比范圍是10-700daltons。所有有機(jī)小分子的保留時間也被記錄下來。
  2.熱重量分析法(TGA)
  同樣,分別在樣板上涂上新型HTOSP膜、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜以及另一工業(yè)用OSP膜。從銅板上刮下大約17.0mg的OSP膜作為材料測試樣品。TGA測試前樣板和膜都不能經(jīng)過任何的無鉛回流處理。使用TA儀器公司的2950TA,在氮?dú)獗Wo(hù)下進(jìn)行TGA測試。工作溫度保持為室溫15分鐘,然后以10℃/min的速度升高到700℃。
  3.光電子能譜分析法(XPS)
  光電子能譜分析法(XPS)也叫化學(xué)分析電子能譜(ESCA),是一種化學(xué)表面分析方法。XPS可測量涂層表面10nm的化學(xué)成分。將HTOSP膜和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜涂在銅板上,然后經(jīng)過5次無鉛回流。用XPS分析回流處理前和后的HTOSP膜;同樣用XPS分析經(jīng)過5次無鉛回流后的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜,所使用的儀器是VGESCALABMarkII。
  4.通孔可焊性測試
  使用可焊性測試板(STVs)進(jìn)行通孔可焊性測試??偣灿?0個可焊性測試板STV陣列(每個陣列有4個STVs)涂上的膜厚約為0.35μm,其中5個STV陣列涂上HTOSP膜,另外5個STV陣列涂上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜。然后,涂膜后的STVs在焊膏回流爐內(nèi)經(jīng)過一系列高溫、無鉛回流處理。每個測試條件包括0、1、3、5或7次連續(xù)回流。每種膜要有4個STVs進(jìn)行每一種回流測試條件。在回流處理過程后,所有STVs都經(jīng)過高溫和無鉛波動焊接的處理。通孔可焊性可通過檢驗(yàn)每個STV,計(jì)算正確填充的通孔數(shù)量來確定。通孔驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)是填充的焊料必須填充到鍍通孔的頂部或通孔的上端邊緣。
  每個STV有1196個通孔
  10milholes-Fourgrids,100holeseachgridsquareandrou ndpads
  20milholes-Fourgrids,100holeseachgridsquareandrou ndpads
  30milholes-Fourgrids,100holeseachgridsquareandrou ndpads
  5.通過沾錫天平測試可焊性
  OSP膜的可焊性也可通過沾錫天平測試來*定。在沾錫天平測試樣板上涂上HTOS P 膜, 經(jīng)7次無鉛回流后,Tpeak=262℃。使用BTUTRS結(jié)合IR/convection回流爐在空氣中進(jìn)行回流處理。按照IPC/EIAJ-STD-003A第4.3.1.4部分進(jìn)行沾錫天平測試,使用“RoboticProcessSystems”自動化沾錫天平測試器、EF-8000助焊劑、無清潔助焊劑以及SAC305合金焊料。
  6.焊接結(jié)合力測試
  焊接結(jié)合力可通過測量剪切力。在BGA焊盤測試板上(直徑為0.76mm)涂上HTOSP膜,其厚度分別為0.25和0.48μm并經(jīng)過3次最高溫度為262℃的無鉛回流處理。并用匹配的焊膏焊接到焊盤上,焊球是SAC305合金(直徑為0.76mm)。用DagePC-400粘合力測試儀以200μm/see的剪切速度進(jìn)行剪切測試。


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