osp培訓(xùn)教材(共39張)

1、1O.S.P 製程教育訓(xùn)練製程教育訓(xùn)練(Organic Solderability Preservatives)2一、各表面處理的介紹與比較一、各表面處理的介紹與比較 無鉛焊接除了焊料(Solder)必須全部禁用鉛外,電路板板面(含各式封裝載)之焊墊、通孔焊環(huán)以及零件腳等各種表面處理,也都必須無鉛.在無鉛化焊接中,目前,能夠適應(yīng)無鉛化焊接的表面處理主要有五大類: (一)有機(jī)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(diǎn)高達(dá)227,操作 溫度高達(dá)280 它們的最主要功能主要

2、有三個方面: (一)保護(hù)性-在焊接高溫條件下,牢固地保護(hù)著新鮮銅表面不受氧化、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(diǎn)焊料表面。 31、有機(jī)保焊劑OSP 簡單的說OSP就是在潔淨(jìng)的裸銅表面上,長出一層有機(jī)皮膜,用以保護(hù)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,此種保護(hù)膜又必須很容易被助焊劑所快速趕走清除,如此方可使露出的幹淨(jìng)銅面，得以在極短時間內(nèi)得與熔融焊錫立即結(jié)合為牢固的焊點(diǎn)，此等可護(hù)銅抗鏽的有機(jī)皮膜,一律稱之為

3、有機(jī)保護(hù)劑. OSP在PCB中的應(yīng)用,是早期松香型助焊劑的延續(xù)、深化與發(fā)展。到目前為止，它經(jīng)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變，其核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(hù)銅方法,可追溯到1960年代IBM在其PCB制程中,保護(hù)銅面的暫時性皮膜Cu-56(1%的BTA水溶液),后經(jīng)供應(yīng)商Enthone公司的繼續(xù)研究改進(jìn),而成為知名的ENTEK處理法. BTA之所以能抗蝕護(hù)銅的原理,是因與銅材表面的氧化亞銅Cu2O進(jìn)行立即直接的反應(yīng),而生成高分子態(tài)有機(jī)銅式之錯合鹽類,下式為其反應(yīng)過程的示意結(jié)構(gòu),亦即于銅面形

4、成多重薄膜的假想圖.此等BTA與氧化亞銅所成的皮膜,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(guān).當(dāng)BTA分子與氧化亞銅首先進(jìn)行反應(yīng)的瞬間,BTA會以其分子中三連唑之特殊方向性產(chǎn)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(jī)理下,即可形成平面狀分子膜面附著在銅面上.567 若將上BTA分子式三連氮的五解環(huán)的1位與2位(見前圖1)處,另處替換上其他的官能基時(例如甲基),則比起原始BTA的抑制效應(yīng)要減低若干.但將六角苯環(huán)中的4與5位的氫原子,替換上甲基時,則又比起原始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(qiáng),其抑制力強(qiáng)弱可排列為

5、: 4Me-BTA(3nm)或5Me-BTA(7nm)BTA 1Me-BTA或 2Me-BTA BTA式有機(jī)保焊劑,厚度約414nm,在干燥空氣中的保固壽命可達(dá)兩年.但在高濕度的環(huán)境中,不耐高溫環(huán)境,根本無法進(jìn)行23次或多次焊接,而且金手指表面上也會長出不該有的OSP膜,太厚時更將使得接觸導(dǎo)通受阻,或造成電阻的困擾,目前已不使用.8咪唑(IA)類,第二代 此類第二代化學(xué)品常用者為烷基咪唑,也可與氧化亞銅進(jìn)行反應(yīng)而形成高分子狀的絡(luò)合物皮膜,目前本類僅做為單面板助焊劑之用.下兩圖即分別為其結(jié)構(gòu)式,及在銅面反應(yīng)所生成有面銅高分子保護(hù)膜的過程.左為烷基咪唑的結(jié)構(gòu)式,右為與銅面生成有機(jī)保護(hù)膜結(jié)構(gòu)圖9 此

6、種OSP平均厚度很薄,只有10nm而已,故不耐高溫的考驗,溫度愈高時保護(hù)性愈差,原因是銅面發(fā)生氧化的機(jī)會愈大之故.下圖即為其高溫劣化后出現(xiàn)氧化銅并以其厚度為指標(biāo),比較其焊錫性的下降情形.故本配方其亦無法進(jìn)行多次高溫焊接.10苯基咪唑(BIA)類,第三代 若將上述的咪唑再以衍生或替代上苯環(huán)時,則護(hù)銅效果更好.此種第三代BIA在銅面上也能快速形成高分子式的有機(jī)銅絡(luò)合物,厚度可從10nm到1000nm不等,端視其反應(yīng)時間與狀況而定,但仍以0.30.4um最為適宜,不過此代之OSP會造成金面的變色,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研究員Si

7、rtori等,發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步替代性的苯基咪唑類,其耐熱性比早先各種Azole類都要好.于是這種新開發(fā)產(chǎn)品替代衍生式的Azole,就成為現(xiàn)役商品Entek106A基本配方了.不過此保護(hù)膜主反應(yīng)(OSP Coat)的藍(lán)色主槽液中早先的配方需先行溶入銅離子,使銅面反應(yīng)后形成淺棕色的皮膜.如此一來反應(yīng)雖較順利,但卻常在皮膜中會出現(xiàn)不均勻的變色或斑點(diǎn).于是后改進(jìn)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(dá)265),造成現(xiàn)役的

8、各種OSP阻擋不住銅的氧化。加以免洗助焊劑又軟弱不強(qiáng)下,想要3pass比較困難。后第五代OSP出籠,其特色有:A.完全不沾面,B.裂解溫度高達(dá)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)主反應(yīng)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(qiáng)力刺激味. 4)氨水做為中和與絡(luò)合劑. 5)少量進(jìn)渡金屬之鹽類. 6)有機(jī)螯合劑. 7)其他助劑等.14OSP的基本性能主要是以下三大特性vOSP的保護(hù)性vOSP的耐熱性vOSP的可焊性15

9、OSP的保護(hù)性 由于PCB焊盤銅新鮮表面極易氧化,形成牢固的不可焊的氧化表面. 因此,必須進(jìn)行耐熱防氧化的保護(hù).而采用HASL是在新鮮的銅表面熱涂(形成金屬間互化物)無鉛化焊料層,而化學(xué)鎳/金、化學(xué)錫、化學(xué)銀是在新鮮銅表面鍍覆(金屬置換作用)上相應(yīng)的金屬層,形成耐熱保護(hù)性金屬層.同理, OSP必須牢固地附著在新鮮銅表面上,而不是簡單地附著新鮮銅表面上來進(jìn)行保護(hù),所以O(shè)SP是采用含高活性咪唑類與新鮮銅形成牢固絡(luò)合物,其厚度為0.20.4um之間,由于形成絡(luò)合物,所以能耐熱,即使在加熱條件下,也可避免氧化和污染.16OSP的耐熱性 OSP的耐熱性是無鉛化焊接過程中的核心問題.由于OSP的組成中,不

10、僅含有高活性咪唑類與新鮮銅表面形成牢固的絡(luò)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(chǎn)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(dá)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應(yīng)用.17OSP的可焊性 OSP的可焊性是指OSP除了具有牢固附著保護(hù)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組成能夠熔解,并與焊料中的助焊劑熔解作用而顯露出新鮮的銅表面,使熔融的無鉛焊料迅速與銅表面結(jié)合成

11、牢固焊接錫-銅合金互化物的焊接層(點(diǎn)),而極少量熔解的OSP與助焊劑將浮著在焊接點(diǎn)表面或熱分解揮發(fā)掉.182.1噴錫(HASL)噴錫(HASL)經(jīng)過了兩個階段.(1)有鉛噴錫階段 由于PCB的高密度化的迅速發(fā)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.原因是:A.熔融的錫鉛表面張力大,熱風(fēng)整平的焊料表面呈半橢圓形/半圓形,影響焊接可靠性;B.熱風(fēng)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層太薄或沒有;C.PCB要經(jīng)過約240的熱沖出,影響可靠性和使用壽命.(2)無鉛噴錫階段 無鉛噴錫是實施歐盟兩個指令(ROHS、WEE

12、E)以來而采用的.由于采用 無鉛的焊料進(jìn)行熱風(fēng)整平,其所用的無鉛焊料比有鉛焊料共熔點(diǎn)更高(至少高34 )、熔融態(tài)的表面張力更大（大以上）.加上PCB產(chǎn)品高密度化的發(fā)展迅速,因此, 噴錫在無鉛化的PCB產(chǎn)品上的應(yīng)用越來越少.192.2化學(xué)鎳/金(ENIG) 用于焊接的化學(xué)鎳/金是在新鮮銅焊盤上沉積上35um的鎳層,然后再鍍上保護(hù)性極薄的金(0.030.15um).在高溫?zé)o鉛化焊接過程,由于極薄的金層迅速地溶入焊料中而露出鎳表面與熔融的焊料形成錫鎳合金而進(jìn)行焊接,它能適應(yīng)無鉛化焊接的要求.化學(xué)鎳/金層的主要問題:(1)容易出現(xiàn)黑點(diǎn)、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

13、,容易出現(xiàn)顏色不均/白色等;(3)容易形成脆性(應(yīng)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)字化等線路場合;(5)鎳鍍液較難維護(hù),壽命短.202.3化學(xué)鍍錫 化學(xué)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(xué)鍍錫層要具有耐焊接高溫和防錫絲生長的特性.212.4化學(xué)鍍銀 化學(xué)鍍銀的銀厚度為0.10.5um之間.由于銀是無鉛焊料的基本組成,因此,它是適宜于無鉛化焊接的.在銀轉(zhuǎn)換銅時,但要防止形成銅/銀電極(+0.344V/+0.799)和銀遷移的產(chǎn)生.同時,還得特別注意銀表面的保護(hù)-遇到硫化物

14、會變黃色,遇到鹵化物會變黑色.223、無鉛化焊接的五大表面處理特性比較(一)項目HASLENIG化學(xué)鍍錫化學(xué)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無鉛化焊接的五大表面處理特性比較(二)項目HASLENIG化學(xué)鍍錫化學(xué)鍍銀OSP工藝難度高高中中低平整度差優(yōu)優(yōu)優(yōu)

15、優(yōu)綠油限制有有有無無焊點(diǎn)IMCCu6Sn5Ni3Sn4Cu6Sn5Cu6Sn5Cu6Sn5244、有機(jī)保焊劑（OSP）的未來 有機(jī)保焊劑（OSP）又可稱耐熱預(yù)焊劑.從目前來看，由于OSP較好地解決了無鉛化焊接過程中的保護(hù)性、耐熱性和可焊性的基本要求，加其成本低和制造工藝過程簡單，因此，耐熱型/高溫型的OSP還會得到快速的發(fā)展，其市場占有率還會進(jìn)一步提高。OSP除了具有保護(hù)性、耐熱性和可焊性的基本要求外，還具有其它突出的優(yōu)點(diǎn)，如：生產(chǎn)過程最簡單和穩(wěn)定，OSP的生產(chǎn)過程僅為微蝕、預(yù)浸、上有機(jī)膜、烘干幾步；返工/存儲過期處理最簡單，不會損傷PCB和增加厚度；在所有表面涂覆(鍍)層中成本最低.這些優(yōu)點(diǎn)

16、也決定著OSP在無鉛化焊接中的地位提高和市場繼續(xù)擴(kuò)大.25二、宏澤電子F22G系列藥水介紹26F22G應(yīng)用及特性應(yīng)用及特性應(yīng)用：應(yīng)用： 印刷電路板印刷電路板(PCB(PCB、FPC) FPC) 與與ICIC載板之無鉛焊墊載板之無鉛焊墊特性特性 ：低成本表面處理技術(shù)低成本表面處理技術(shù)均勻的保護(hù)膜，提供最平坦的焊墊表面均勻的保護(hù)膜，提供最平坦的焊墊表面較低的表面離子污染度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只在銅面上形成皮膜，防止金面上的變色污染耐熱性優(yōu)異耐熱性優(yōu)異, ,經(jīng)多次迴焊處理後仍有極佳的焊錫性經(jīng)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(hù)銅能力優(yōu)異的

17、耐濕性，具有一年的保護(hù)銅能力相容於無鉛化相容於無鉛化 (Lead-free) SMT(Lead-free) SMT製程製程相容於免洗型（相容於免洗型（No-CleanNo-Clean）SMTSMT製程製程非揮發(fā)性溶劑之水溶性溶液，安全性高非揮發(fā)性溶劑之水溶性溶液，安全性高低溫操作，增加電路板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低溫操作，增加電路板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性化學(xué)性質(zhì)溫和、不攻擊防焊綠漆化學(xué)性質(zhì)溫和、不攻擊防焊綠漆27OSP 流流 程程 簡簡 介介(F22G)脫脂脫脂(EC-102)水洗水洗微蝕微蝕水洗水洗預(yù)浸預(yù)浸(PD22G)烘乾烘乾OSP(F22G)純水洗純水洗純水洗28OSP制程管理制程管理v水洗槽之進(jìn)水量為水洗槽之

18、進(jìn)水量為 1 2 Turn/Hr；v監(jiān)控監(jiān)控OSP槽之前後段水洗槽之前後段水洗(DI Water) pH值值 5.0;v微蝕槽之咬蝕量控制在微蝕槽之咬蝕量控制在 40 100 inch;v後段乾燥設(shè)定溫度後段乾燥設(shè)定溫度85 5 (請保持適當(dāng)板距以避請保持適當(dāng)板距以避免卡板免卡板);v膜厚控制在膜厚控制在0.20.4um.29有機(jī)保護(hù)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 強(qiáng)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 助焊劑所清除,其焊錫性當(dāng)然就問題多多了. a.儀器設(shè)備 紫外光分光光譜儀（UV）、100ml量瓶、50ml量筒 b.檢測

19、方法 先將UV儀器波長調(diào)至270nm後暖機(jī)約2030mins,取經(jīng)過 PlatecF22 G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,或前后處理的不良,都會造成皮膜外觀的異常,也將會影響到后續(xù)的焊錫性與焊點(diǎn)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(yán)重斑點(diǎn)者則無法允收. 皮膜顏色主要取決于前處理微蝕后銅面的顏色,微蝕系

20、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常見常見膜面膜面不良：不良：32重工方式重工方式將重工板再次進(jìn)行將重工板再次進(jìn)行OSPOSP製程即可製程即可；( (注注: :若膜面烘若膜面烘烤后或存放于空氣中時間過長造成膜面老化烤后或存放于空氣中時間過長造成膜面老化, ,需需要使用要使用3 5 % 3 5 % 檸檬酸或硫酸水溶液檸檬酸或硫酸水溶液退膜后方退膜后方能重過能重過OSPOSP制程制程.).)來來料料銅面銅面不不良良造成膜面色差（不均），需過前造成膜面色差（不均），需過前處理（噴砂）處理處理（噴砂）處理OKOK后再過后再過OSPOSP制程。制程。33有機(jī)皮膜(F22G)裂解試驗：34不同Reflow次數(shù)對膜厚之影響 Reflow次數(shù) 表面相片 膜厚 00.33669m 10