PCB抄板無(wú)鉛制程O(píng)SP膜的性能及表征

　　摘要：為了滿足電子工業(yè)對(duì)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(jiǎn)單易行以及低操作成本，被認(rèn)為是最佳的選擇。

　　由于OSP（有機(jī)可焊保護(hù)膜）的優(yōu)異可焊性、工藝簡(jiǎn)單易行以及低成本，被認(rèn)為是最佳的表面處理工藝。

　　本論文使用熱脫附—?dú)庀嗌V—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(cè)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(shí)說(shuō)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(guò)5次無(wú)鉛回流后，氧含量?jī)H增加了約1％。以上改進(jìn)與工業(yè)無(wú)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(guò)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[1,2,3]都揭示金屬表面上唑類化合物的腐蝕抑制機(jī)理。G.P.Brown[3]成功地合成了苯并咪唑和銅（ I I ） 、鋅（II）以及其他過(guò)渡金屬元素的有機(jī)金屬聚合物，并通過(guò)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(guò)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(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)才能經(jīng)受無(wú)鉛制程處理。否則，OSP膜會(huì)在經(jīng)過(guò)無(wú)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(wú)鉛回流過(guò)程中會(huì)蒸發(fā)，因此會(huì)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(lái)科學(xué)地說(shuō)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(cè)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(méi)有經(jīng)過(guò)任何回流處理。本實(shí)驗(yàn)使用H／P6890GC／MS儀器，并使用無(wú)針筒注射器。無(wú)針筒注射器可以在進(jìn)樣艙內(nèi)直接對(duì)固體樣品進(jìn)行脫附處理。無(wú)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(kāi)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(kāi)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(cè)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(shí)間也被記錄下來(lái)。

　　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(cè)試樣品。TGA測(cè)試前樣板和膜都不能經(jīng)過(guò)任何的無(wú)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(cè)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(cè)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(guò)5次無(wú)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(guò)5次無(wú)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(cè)試

　　使用可焊性測(cè)試板（STVs）進(jìn)行通孔可焊性測(cè)試?？偣灿?0個(gè)可焊性測(cè)試板STV陣列（每個(gè)陣列有4個(gè)STVs）涂上的膜厚約為0.35μm，其中5個(gè)STV陣列涂上HTOSP膜，另外5個(gè)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(guò)一系列高溫、無(wú)鉛回流處理。每個(gè)測(cè)試條件包括0、1、3、5或7次連續(xù)回流。每種膜要有4個(gè)STVs進(jìn)行每一種回流測(cè)試條件。在回流處理過(guò)程后，所有STVs都經(jīng)過(guò)高溫和無(wú)鉛波動(dòng)焊接的處理。通孔可焊性可通過(guò)檢驗(yàn)每個(gè)STV，計(jì)算正確填充的通孔數(shù)量來(lái)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(gè)STV有1196個(gè)通孔

　　10milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads

　　20milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads

　　30milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads

　　5.通過(guò)沾錫天平測(cè)試可焊性