高選擇性有機(jī)可焊保護(hù)劑的研究_－PCB新聞|線路板|印刷電

【摘要】文章描述了水溶性有機(jī)可焊保護(hù)劑（OSP）的基本概況和行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，并重點(diǎn)介紹一種具有優(yōu)異的銅/金選擇性O(shè)SP體系的研究情況。該體系OSP藥水穩(wěn)定性好，管控方便。具有優(yōu)異的金面選擇性，卓越的可焊性。解決了目前業(yè)界OSP存在的金面易上膜、高溫變色不均勻等問題。

1  前言
近年來，電子產(chǎn)品和貼裝技術(shù)對(duì)印制電路板（PCB）的完成表面處理技術(shù)要求越來越高，其中包括無鉛化、無鹵化以及高溫可焊性等要求。傳統(tǒng)的熱風(fēng)整平技術(shù)由于存在種種弊端，將逐漸被其它幾種表面涂覆技術(shù)如化學(xué)沉鎳金、化學(xué)沉銀、化學(xué)沉錫、有機(jī)可焊保護(hù)劑（Organic Solderability Preservatives，簡(jiǎn)稱OSP）所取代。其中OSP表面處理方式經(jīng)過近幾年的不斷改進(jìn)，工藝日趨成熟，并且價(jià)格低廉，已成為眾多企業(yè)首選的PCB環(huán)保型完成表面涂覆方式之一。

水溶性O(shè)SP在業(yè)界亦有護(hù)銅劑﹑銅面抗氧化劑等稱呼，它是通過化學(xué)的方法在裸銅上形成一層薄而均勻致密的有機(jī)保護(hù)膜，該保護(hù)膜在高溫焊接時(shí)能夠很容易地被焊料推開，從而保證了銅面的可焊性。OSP膜層的耐熱性主要取決于所用的成膜劑，目前成膜劑已經(jīng)歷了苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑以及芳香基咪唑這五代的變化，現(xiàn)在市場(chǎng)大多使用的還是第四代烷基苯并咪唑的衍生物。關(guān)于OSP成膜機(jī)理，眾說紛紜。有學(xué)者認(rèn)為，咪唑化合物是與二價(jià)銅離子進(jìn)行配合成鍵，形成膜層的；也有學(xué)者認(rèn)為，咪唑化合物先與銅表面原子進(jìn)行配位，之后一價(jià)銅離子與咪唑化合物進(jìn)行絡(luò)合，并進(jìn)一步使膜層增長(zhǎng)。

目前， OSP分用于銅板的OSP和用于銅金混載板的選擇性O(shè)SP，即差異就在于是否在金面沉膜。市面上的OSP質(zhì)量差異較大，有的雖說是具有選擇性，但在銅面上膜的同時(shí)，存在金面容易上膜、高溫變色不均勻、槽液易結(jié)晶以及工藝管控復(fù)雜等問題。這些問題已被業(yè)界廣泛關(guān)注，大家都在致力于研究出性能更加優(yōu)越的OSP技術(shù)?，F(xiàn)介紹一種具有優(yōu)異的銅/金選擇性O(shè)SP體系的研究情況。

2  該OSP技術(shù)概況
2.1  工藝流程
OSP一般的工藝流程如下：
除油→水洗→微蝕→水洗→酸洗→水洗→OSP→水洗→強(qiáng)風(fēng)吹干→熱風(fēng)烘干

而本OSP體系的工藝流程如下：
除油→水洗→微蝕→水洗→預(yù)浸水洗→OSP→水洗→強(qiáng)風(fēng)吹干→熱風(fēng)烘干。

與原先的設(shè)備兼容性好，只需將酸洗段替換為預(yù)浸段即可。

2.2  工藝原理
在OSP制程中，經(jīng)過微蝕處理后的銅面上存在不同價(jià)態(tài)的銅（Cu0、Cu+以及Cu2+），預(yù)浸液中的活性咪唑與銅面上的銅原子進(jìn)行配位，形成一層單分子層，咪唑分子上的-NH脫氫后繼續(xù)與一價(jià)銅配位成鍵，進(jìn)而在銅面上形成一層極薄的堿性有機(jī)膜。當(dāng)覆蓋有堿性有機(jī)膜的銅面進(jìn)入OSP主槽時(shí)，這層堿性有機(jī)膜在酸性條件被溶解，釋放出一價(jià)銅離子，銅離子并不會(huì)迅速擴(kuò)散，而是停留在銅面附近，直接與OSP溶液中的主成膜物質(zhì)配合成鍵，進(jìn)入新形成的OSP膜層中。當(dāng)咪唑化合物-銅有機(jī)絡(luò)合物膜層生長(zhǎng)至一定程度后，由于溶液中沒有多余的一價(jià)銅離子，其膜厚的增加主要依靠咪唑化合物分子之間的范德華力與氫鍵的作用，當(dāng)達(dá)到咪唑分子的沉積與脫附的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，膜厚便不再增加。

研究表明，影響OSP膜厚的關(guān)鍵因子是預(yù)浸缸pH值和OSP槽液pH值，圖1和圖2分別為OSP膜厚與預(yù)浸缸pH和OSP主槽液pH值的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，提高預(yù)浸缸pH和OSP主槽液pH值均可以增大膜厚。


圖1  OSP膜厚與預(yù)浸pH的關(guān)系曲線（OSP pH為3.13）


圖2  OSP膜厚與OSP 主槽pH的關(guān)系曲線（預(yù)浸 pH為9.3）

3  技術(shù)優(yōu)勢(shì)
3.1  優(yōu)異的銅/金選擇性
一般情況下，銅/金混載板在進(jìn)行OSP處理后過回流焊高溫處理，PCB板上的金面容易變色，即不該上膜的金面上了一層有機(jī)膜，在高溫時(shí)發(fā)生氧化變色，出現(xiàn)品質(zhì)問題。這是因?yàn)殂~/金混載板直接在OSP主槽的酸性槽液下中容易產(chǎn)生賈凡尼效應(yīng)，此時(shí)銅面扮演陽極的角色，而金面扮演陰極角色。當(dāng)銅溶解在槽液中并與槽液中的咪唑化合物生成有機(jī)銅絡(luò)合物皮膜的同時(shí)會(huì)拋出電子，電子經(jīng)過線路富集在金面上，當(dāng)槽液中存在Cu2+時(shí)，Cu2+因獲得電子而被還原，并與咪唑化合物絡(luò)合沉積在金面上，從而造成金面高溫變色現(xiàn)象。因此，隨著OSP主槽的銅離子濃度的升高，這種現(xiàn)象就越明顯。

本OSP體系是專門為銅/金混載板所設(shè)計(jì)的，它能夠極大程度地避免金面上膜。一方面是由于它采用弱堿性的預(yù)浸液取代原來制程中的酸洗，而弱堿性溶液本身不會(huì)發(fā)生賈凡尼效應(yīng)，還可以起到清潔金面的作用。另一方面是由于OSP主槽液中并無添加銅離子，而經(jīng)過預(yù)浸后帶入到槽液中的銅離子更是少之又少，這樣下來就可以使賈凡尼效應(yīng)所造成的金面變色問題得到根本的解決。

表1為本體系OSP與其它型號(hào)OSP處理后的金面上膜情況對(duì)比。從表中可以看出，本體系OSP的選擇性能超越了國(guó)際知名公司和國(guó)內(nèi)品牌公司的水平，在金厚只有0.025 mm時(shí)仍不會(huì)上膜，具有極佳的選擇性。


圖3為使用該OSP體系藥水處理后的手機(jī)板外觀：

3.2  卓越的可焊性
OSP膜的作用是保護(hù)PCB板上的潔凈銅面在一定條件下不被氧化，且在電子零件組裝焊接前，可以用助焊劑將OSP膜迅速除去，使PCB上的銅面具有很好的可焊性，能與熔融焊錫形成牢固的焊點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)很多OSP產(chǎn)品處理后的OSP膜回流焊變色不均勻，與國(guó)外大公司相比，可焊性方面仍存在一定的差距。而經(jīng)過本OSP體系處理后的銅面多次回流焊后膜面變色均勻一致（見表2），回流焊3次的潤(rùn)濕平衡測(cè)試T0時(shí)間（即零交時(shí)間：從試驗(yàn)開始時(shí)到潤(rùn)濕開始后試驗(yàn)樣品所承受的作用力與浮力相等時(shí)所用的時(shí)間）小于1 s，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的水平。


注：膜厚0.35 mm；回流焊最高溫度265 ℃以上。

3.3  其它優(yōu)勢(shì)
目前，市面上的OSP主槽藥液絕大多都是兩種或兩種以上的藥液組成，槽液管控及添加比較繁瑣，操作稍不當(dāng)，容易造成槽液失調(diào)。而本OSP體系則不同，主槽藥水由單一藥液組成，并具有以下其它特點(diǎn)：操作溫度低（34 ℃ ~ 38 ℃），揮發(fā)少；工藝參數(shù)管控簡(jiǎn)單，只需管控成膜劑濃度、pH值以及OSP膜厚這幾個(gè)參數(shù)；槽液緩沖性好；OSP膜厚易調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)預(yù)浸pH值或OSP的pH值就可以快速調(diào)整OSP膜厚。

本OSP體系還有一大優(yōu)勢(shì)，那就是它的穩(wěn)定性比一般的OSP產(chǎn)品好，沒有結(jié)晶析出。實(shí)驗(yàn)顯示，將輪動(dòng)滾輪反復(fù)浸泡在本體系OSP槽液中，并放置在通風(fēng)櫥中1天，滾輪風(fēng)干后無晶體析出，而普通的OSP產(chǎn)品則有晶體析出，見圖5。


圖5  滾輪上結(jié)晶情況對(duì)比

4  總結(jié)
隨著電子產(chǎn)品向多功能、輕薄化的方向發(fā)展，印制電路板也向著高密度邁進(jìn)，由日本領(lǐng)頭而推出的有機(jī)可焊保護(hù)劑來取代熱風(fēng)整平的發(fā)展趨勢(shì)越來越明顯。OSP工藝具有成本低廉，操作簡(jiǎn)單，槽液維護(hù)方便，適應(yīng)綠色環(huán)保生產(chǎn)方式，滿足RoHS指令，符合無鉛化時(shí)代的要求等優(yōu)點(diǎn)，因而OSP技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，受到PCB制造業(yè)的推崇。盡管現(xiàn)在的OSP工藝與其它金屬完成表面處理相比還存在不足之處，但隨著技術(shù)不斷發(fā)展，其穩(wěn)定性和可靠性不斷得到提高，勢(shì)必將繼續(xù)在PCB最終表面處理的道路上越走越強(qiáng)。

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