PCBA技術 - OSP表面処理PCB溶接不良原因分析

OSP表面処理PCB溶接不良原因分析及び改善対策

OSPはプリント基板銅箔の表面処理を行う技術であり、RoHS指令の要求に合致する。

1.紹介PCBは現代電子製品に不可欠な材料である。表面実装技術（SMT）と集積回路（IC）技術の急速な発展に伴い、PCBは高密度、高平坦度、高信頼性、より小さな孔径とより小さなパッドの発展要求を満たす必要があり、PCBの表面処理と製造環境に対する要求はますます高くなっている。OSP表面処理は現在よく使われているPCB表面処理技術である。それは化学的方法によってきれいな裸の銅の表面に0.2〜0.5 umの有機膜を成長させた。この膜は室温で抗酸化性、耐熱性、防湿性を有し、銅表面を酸化または加硫から保護することができる。その後の高温溶接では、保護膜は、きれいな銅表面を露出し、溶融した半田と結合して、短い時間で強固な半田点を形成するために、フラックスによって容易に迅速に除去されなければならない。

他の表面処理と比較して、OSP表面処理は以下の利点と欠点がある：A.OSP表面は平坦で均一で、膜厚は0.2 ~ 0.5 umで、SMT密集素子のPCBに適用する、b.OSP膜は良好な耐熱振動性を有し、鉛フリープロセスと片面、二重パネル加工に適用し、そしていかなる半田と互換性がある、c.水溶性操作において、温度は80℃以下に制御でき、基板の曲げ変形の問題を起こさない、d.操作環境が良く、汚染が少なく、生産ラインが自動化しやすい、e.プロセスは比較的簡単で、生産率が高く、コストが低い、f.欠点は形成された保護膜が薄く、OSP膜が傷付きやすい（または傷付き）こと、g.PCBは何度も高温溶接を行った後、OSP膜（未溶接パッド上のOSP膜を指す）は変色、ひび割れ、薄くなり、酸化し、溶接可能性と信頼性に影響する、h.薬水の種類が多く、性質が異なり、品質がまちまちである、など。

2.問題の説明実際の生産過程において、OSP PCB板は表面変色、膜厚ムラ、過差（厚すぎる、薄すぎる）などの問題が発生しやすい、PCB生産の後期において、成形したPCBの貯蔵と使用が適切でなければ、パッドの酸化、パッド上のスズの不良、堅固な溶接点、虚溶接、半田不足などの溶接問題が発生しやすい、SMTが2パネルの第2面と錫炉溶接を生産する場合、リフロー溶接不良、溶接点で銅漏れ、外観がipc 3基準を満たすことができない、錫炉溶接欠陥率が高いなどの問題が発生しやすい。

3、実例分析：ある会社のOSP表面処理されたPCB製品はSMTの第1面生産時、部品パッド上の錫は良く、第2面を生産する時、コネクタが炉を通過した後の錫といくつかの位置の部品パッドは悪く、半田はパッド上にいくつかの防湿拒半田の問題があり、下図1に示すように。この場合のPCBはOSP表面処理方法であり、SMTプロセスは無鉛プロセスである。溶接の基本原理と実際の工程経験の分析に基づいて、排溶接と防湿の発生はPCB表面パッドの溶接可能性と直接関連している。そこで、本ケースの分析構想は外観検査を通じて、イソプロパノール（IPA）と塩酸で不良パッドを洗浄し、その後、第三者実験室でEDsを用いて成分分析を行い、OSPの溶接性が悪い原因を探し出し、相応の改善対策を提供する。

1錫めっき不良

3.1分析過程a、顕微鏡を用いて欠陥製品を観察し、PCBAには濡れ不良の箇所が多く、濡れ不良のパッドは球形不規則なネットワークであり、PCBパッドは図1に示すように明確な溶接不可の形態を呈している。

b.パッドをイソプロパノール（IPA）で洗浄し、255 ocスズ浴に5秒間浸漬する。検証目的：異物汚染によりスズが濡れない場合、IPA洗浄後にスズを濡らすことができる。結論：IPAはパッド上のスズの洗浄に不利であり、図2に示すように、パッド上のスズの故障は異物被覆によるものではないことを説明する［3］。

2 IPA洗浄前後のマット上錫の比較

c.湿潤性の悪いパッドを塩酸で洗浄し、255 oc錫浴に5秒間浸漬した。検証目的：パッドが酸化してスズが濡れない場合、塩酸洗浄後にスズを濡らすことができる。結論：塩酸で洗浄した後、半田の濡れは良好で、濡れていない半田盤表面に金属酸化物が存在し、半田を溶接過程で濡れられないことを表明した[3]。

3塩酸洗浄前後のガスケット上のスズの比較

d.溶接拒否位置に対してEDS分析を行う。検証目的：パッド表面の不良位置の元素組成を分析し、錫応用不良の根本原因を確定する。結論：無パッド領域の銅は絶対優位を占め、溶接材料に覆われていないことを説明し、他の金属汚染がないことを説明する、図4に示すように、溶接プロセスと空気中の成分の影響[3]により、溶接不良領域のビード領域には炭素、酸素などの元素が存在する。

4不良ヘッダのEDS分析

e.PCB溶接可能性試験。IPC j-std-003 bにおけるA 1試験方法によれば、同一サイクルにおけるPCB光学板と光学板の1回のリフロー溶接をシミュレーションした後に溶接可能性試験を行うべきである。検証目的：光スライダと模擬一次還流炉間のPCBの溶接可能性を比較する。結論：同周期PCBランププレートの半田めっきは良好で、外観はIPC要求に符合し、図5に示すように、一次還流後、OSP膜は劣化して薄くなり、PCBの溶接可能性が悪くなり、図6に示すようにパッドの濡れ不良がある。

4.1改善措置4.1適切なOSP薬剤を選択する。OSP材料にはロジン、活性樹脂、アゾールの3種類があります。現在、最も広く使われているのはオキサゾールOSPである。Oxazole OSPは約6世代にわたって改良されており、現在では分解温度は354.9℃に達することができ[4、5]、無鉛プロセスと複数回のリフロー溶接に適している。PCBを製造する前に、製品の製造プロセスに応じて適切な液体薬物を選択する必要がある。

4.2 PCB生産過程において、OSP膜の厚さと均一性を厳格に制御すべきである。OSPプロセスの鍵は保護膜の厚さを制御することである。フィルムの厚さが薄すぎて、耐熱性が悪い。リフロー溶接の場合、薄膜は高温、ひび割れ、薄くなることに耐えられず、パッドの酸化を招きやすく、溶接可能性に影響を与える、膜厚が厚すぎると、溶接中に溶解やフラックスによる除去がうまくできず、溶接不良の原因にもなります。

4.2.1 OSP板の生産プロセス：排板−油除去−水洗−微腐食−水洗−プリプレグ−DI水洗−乾燥−上保護膜（OSP）−乾燥−DI水洗−乾燥−乾燥−乾燥−基板回収

4.2.2 OSP膜厚に影響する主な要素A.油抜き。脱脂効果は成膜品質に直接影響する。油抜きが悪いと成膜厚が均一でない。一方、濃度は、溶液を分析することによってプロセス範囲内に制御することができる。一方、脱脂効果が良いかどうかをチェックします。脱脂効果が悪い場合は、速やかに脱脂液を交換しなければならない。

b.マイクロエッチング。マイクロエッチングの目的は、成膜のための粗い銅表面を形成することである。マイクロエッチングの厚さは成膜速度に直接影響する。安定した膜厚を形成するためには、マイクロエッチング厚の安定性を保つ必要がある。一般に、マイクロエッチング厚さを1.0 ~ 1.5 umに制御することが適切である。各クラスの製造前に、マイクロエッチング速度を測定し、マイクロエッチング速度に基づいてマイクロエッチング時間を決定しなければならない。

c.プリプレグ。プリプレグは塩素イオンなどの有害イオンがOSPシリンダ溶液を破壊するのを防ぐことができる。OSPプリプレグドラムの主な機能はOSP膜厚の形成を加速し、他の有害イオンがOSPドラムに与える影響を処理することである。プリプレグ溶液には適量の銅イオンが含まれており、複合保護膜の形成を促進し、浸漬塗布時間を短縮することができる。アルキルベンズイミダゾールは、プレメルト溶液中で銅イオンの存在により銅イオンとある程度錯体化していると考えられている。凝集度のある錯体が銅表面に堆積して複合膜を形成すると、短時間でより厚い保護層を形成することができるので、複合促進剤として機能する。プリプレグ中のアルキルベンズイミダゾールまたは類似成分（イミダゾール）の含有量が小さい場合、銅イオンが過剰になると、プリプレグ溶液は早期に老化し、交換する必要がある。そのため、プリプレグの濃度と時間を重点的に制御する必要がある。

d.OSP主成分の濃度。アルキルベンゾイミダゾールまたは類似成分（イミダゾール）はOSP溶液中の主要成分であり、濃度はOSP膜の厚さを決定する鍵である。製造過程において、OSP溶液の濃度を監視する必要がある。

e.溶液のPH値。pH値の安定性は成膜速度に大きな影響を与える。pH値の安定性を維持するために、溶液タンクに一定量の緩衝液を添加した。一般的には、pH値が2.9 ~

3.1、中程度の厚さを有する緻密で均一なOSP膜を得ることができる。pH値が高く、pH＞5の場合、アルキルベンズイミダゾールの溶解度が低下し、油が沈殿する、pH値が低く、pH＜2の場合、形成された膜は部分的に溶解する。そのため、重点的にpH値を監視する必要がある。

f.溶液の温度。温度の変化は成膜速度にも大きな影響を与える。温度が高いほど成膜速度が速くなる。そのため、OSPタンクの温度を制御する必要がある。

g.成膜時間（浸漬塗布時間）。確定したOSPタンク液成分、温度、pH値では、成膜時間が長くなるほど、成膜時間が厚くなる。そのため、成膜時間を制御する必要がある。

4.2.3 OSP膜厚の測定現在、ほとんどのPCB工場は紫外線分光計を用いてOSP膜厚を測定している。その原理は主にOSP膜中のイミダゾール化合物の紫外線領域における強い吸収特性を利用し、次に最大吸光度を測定することによりOSP膜厚を計算する。この方法は簡単で実行しやすいが、テスト誤差が大きい。別の方法はFIB技術を用いてOSP膜の実際の厚さを測定することである[6]。PCBメーカーは製造過程でOSP膜の厚さを検出し制御するために適切な方法を使用して、OSP膜の厚さが基準要求に合致することを確保する必要がある。

4.3 OSP板の包装と貯蔵要求はOSP膜が非常に薄いため、高温高湿環境に長時間暴露すると、PCB表面が酸化され、溶接性が悪くなる。リフロー溶接プロセス後、PCB表面のOSPも割れて薄くなり、PCB銅箔の酸化を招きやすく、溶接性が悪い。

4.3.1 OSP板の包装要求：OSP板の来料は真空包装を採用し、乾燥剤と湿度表示カードを付ける。PCB板の間には切り傷や摩擦によるOSP膜の損傷を避けるために隔離紙を使用しなければならない。

4.3.2 OSPボードは日光に直接露出してはならない。相対湿度が30〜70%、温度が15〜30℃の環境で6ヶ月以内貯蔵すべきである。専用の防湿キャビネットを使用して保管することをお勧めします。PCBが湿ったり期限切れになったりしてベーキングできない場合は、PCB工場に返品してOSP再加工するしかありません。

4.4. SMT AゾーンOSPボードの使用と注意事項PCBを開く前に、PCBパッケージが破損しているか、湿度表示カードが変色しているかどうかをチェックします。破損したり変色したりした場合は使用できません。開封後8時間以内にオンラインで製造する必要があります。密封されていないものをできるだけ多く使用することをお勧めします。未完成のPCBまたは端数は速やかに真空包装しなければならない。

b.SMT職場の温度と湿度を制御する必要がある。推奨職場温度：25±3℃、湿度：50±10%。生産過程において、素手でPCBパッド表面に直接接触することを禁止し、汗の汚染、酸化、溶接不良を防止する。

c.半田ペーストで印刷したPCBはできるだけ早く貼り付け、部品は溶融炉を通過しなければならない。印刷ミスやインストールの問題による洗版はできるだけ避けてください。洗版はOSPフィルムを損傷するためです。本当に皿を洗う必要がある場合は、高揮発性溶媒に浸したり、洗ったりすることはできません。75%のアルコールが付着した不織布で半田ペーストを拭くことをお勧めします。洗浄後のPCBは2時間以内に溶接を完了しなければならない。

d.SMT片面パッチが完成した後、第2面SMT素子は24時間以内に設置を完了し、浸漬（挿入）式素子の選択的溶接またはピーク溶接は最大36時間以内に完成しなければならない。

e.OSP表面処理を施したPCBの流動性は、他の表面処理を施したプリント配線板ペーストの流動性に比べて劣るため、溶接点が銅を露出しやすい。設計において鋼網の開口を適切に増やすことができる。パッド1：1.05または1：1.1で穴を開けることをお勧めしますが、チップ部品の錫防止ビーズ処理に注意してください。

f.OSP板還流のピーク温度と還流時間が溶接品質を満たす場合、できるだけプロセスウィンドウの下限から逸脱し、ピーク温度と還流時間はできるだけ低いことを提案する、デュアルパネルを製造する際には、第1側（ウィジェット側）の温度を適切に下げ、高温によるOSP膜の損傷を減らすために両側の温度をそれぞれ設定することをお勧めします。可能であれば、両面OSP PCB板の第2サイドパッドの酸化溶接不良を効果的に改善できるように、窒素ガスの製造を提案する。

5.結論OSP表面処理PCBの溶接不良に影響する要素は多く、例えばOSP部分の成分と品質、OSP膜の厚さと均一性、OSP板の包装と貯蔵、SMT部分の使用と時間制御及び生産過程中のプロセスパラメータ（例えばワイヤメッシュ開口、炉温など）がある。ここで、OSP溶液の品質及びOSP膜の厚さと均一性は溶接品質を保証する前提である。これらのPCB製造問題に起因する溶接欠陥はSMT製造過程では困難であり、プロセス方法で解決することも不可能である。そのため、良好な溶接品質を高め、確保するために、PCB工場はPCB製造の重要なプロセスパラメータを厳格に制御し、OSP膜の品質とPCBの生産品質を確保する必要がある、生産後のPCBは厳格にOSPボードの要求に従って包装と貯蔵を行うべきである、SMTは厳格に使用時間に基づいて制御しなければならない。鋼線網の開度、炉温などのプロセスパラメータを制御し、最適化し、完備したOSP PCB板の生産プロセスを制定する。