Data PCB - Performasi filem OSP dalam proses bebas lead papan salinan PCB

Untuk memenuhi keperluan penting industri elektronik untuk melarang memimpin, the papan sirkuit dicetak industry is shifting the surface treatment from hot air leveled tin spray (tin-lead eutectic) to other surface treatments, including organic protective film (OSP), perak tenggelam, Tin penerbangan dan emas penerbangan nikel tanpa elektronik. Film OSP dianggap sebagai pilihan terbaik kerana kemudahan tentera mereka yang hebat, kemudahan proses, dan biaya operasi rendah. Kerana kemudahan tentera yang hebat, simplicity and low cost of OSP (Organic Solderable Protective Film), ia dianggap sebagai proses rawatan permukaan terbaik. Dalam kertas ini, thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry (TD-GC-MS), thermogravimetric analysis (TGA) and photoelectron spectroscopy (XPS) were used to analyze the related heat resistance properties of the new generation of high temperature OSP films. Gas chromatography tested the small molecular organic components that affect the solderability in the high temperature OSP film (HTOSP), and at the same time showed that the alkyl benzimidazole-HT in the high temperature OSP film had very little volatility. Data TGA menunjukkan bahawa filem HTOSP mempunyai suhu degradasi yang lebih tinggi daripada filem OSP standar industri semasa. Data XPS menunjukkan bahawa kandungan oksigen OSP suhu tinggi meningkat hanya sekitar 1% selepas 5 siklus reflow bebas lead. Perbaikan di atas adalah secara langsung berkaitan dengan keperluan prajurit bebas lead industri.

Film OSP telah digunakan dalam dicetak papan sirkuit for many years and are organometallic polymer films formed by the reaction of azoles with transition metal elements such as copper and zinc. Banyak kajian telah mengungkapkan mekanisme penghalang korosion azol pada permukaan logam. G.P.Brown successfully synthesized organometallic polymers of benzimidazole and copper(II), zinc(II) and other transition metal elements, and described the excellent high temperature resistance properties of poly(benzimidazole-zinc) by TGA. G.P.Brown's TGA data show that the degradation temperature of poly(benzimidazole-zinc) is as high as 400°C in air and 500°C in nitrogen protective atmosphere, while the degradation temperature of poly(benzimidazole-copper) is only 250°C. The recently developed new HTOSP film is based on the chemical properties of poly(benzimidazole-zinc) and thus has excellent heat resistance. Film OSP kebanyakan terdiri dari polimer organometal dan molekul kecil organik yang masuk, seperti asid gemuk dan azol, semasa depositi. Polimer organometal menyediakan perlawanan korrosion yang diperlukan, Pemegangan permukaan tembaga, dan kesukaran permukaan OSP. Suhu degradasi polimer organometal mesti lebih tinggi daripada titik cair askar bebas lead untuk menahan proses bebas lead. Otherwise, filem OSP akan rosak selepas proses bebas lead. Suhu degradasi filem OSP bergantung pada tahan panas polimer organometal. Faktor penting lain yang mempengaruhi aktiviti antioksidan tembaga adalah volatiliti komponen azol, seperti benzimidazol dan phenylimidazole. Molekul kecil filem OSP menghisap semasa proses reflow bebas lead, mempengaruhi resistensi oksidasi tembaga. The thermal resistance of OSP can be scientifically demonstrated using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), thermogravimetric analysis (TGA), and photoelectron spectroscopy (XPS).

1. Analysis by gas chromatography-mass spectrometry
The copper panels tested were coated with: a) a novel HTOSP film; b) filem OSP standar industri and; c) another industrial OSP film. Sekitar 0.74-0.79 mg filem OSP telah dicabut dari plat tembaga. Sama ada plat tembaga yang ditutup atau sampel yang rosak tidak dijalankan sebarang rawatan kembali. H/P6890GC/Instrumen MS digunakan dalam eksperimen ini, dan satu suntik tanpa tong digunakan. Siringi bebas suntikan boleh merosakkan sampel tegar secara langsung dalam bilik suntikan. Siring bebas siringa boleh memindahkan sampel dari tabung kaca kecil ke ruang masuk kromatograf gas. Gas pembawa terus menerus membawa organik volatil ke lajur GC untuk koleksi dan pemisahan. Letakkan sampel ke atas lajur membenarkan replikasi efisien desorpsi panas. Selepas ada sampel yang cukup untuk dibuang, kromatografi gas mula berfungsi. Dalam eksperimen ini, a RestekRT-1 (0.25mmid×30m, tebal filem 1.0μm) gas chromatography column was used. Program pemanasan lajur kromatografi gas: selepas pemanasan pada 35°C selama 2 minit, suhu meningkat ke 325°C, and the heating rate was 15°C/min. Keadaan desorpsi panas adalah: selepas pemanasan pada 250°C selama 2 minit. The mass/nisbah muatan bagi komponen organik volatil terpisah dikesan oleh spektrometri massa dalam julat 10-700 dalton. Masa retensi semua molekul organik kecil juga direkam.

2. Thermogravimetric Analysis (TGA)
Likewise, filem HTOSP baru, an industry standard OSP film, and another industrial OSP film were coated on the samples, sama ada. Sekitar 17.0 mg filem OSP telah dicabut dari plat tembaga sebagai sampel ujian bahan. Sama ada sampel atau filem tidak boleh ditakdirkan apa-apa rawatan kembali bebas lead sebelum ujian TGA. Ujian TGA dilakukan di bawah perlindungan nitrogen menggunakan 2950TA dari Instrumen TA. Suhu operasi disimpan pada suhu bilik selama 15 minit dan kemudian meningkat ke 700°C pada kadar 10°C/min.

3. Photoelectron Spectroscopy (XPS)
Photoelectron Spectroscopy (XPS), also known as Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA), adalah kaedah analisis permukaan kimia. XPS mengukur komposisi kimia permukaan penutup pada 10 nm. Film HTOSP dan filem OSP piawai industri telah dikelilingi pada plat tembaga dan kemudian dijalankan 5 reflows bebas lead. Film HTOSP sebelum dan selepas rawatan ulang diuji oleh XPS; filem OSP piawai industri selepas 5 reflows bebas lead juga dianalisis oleh XPS, dan alat yang digunakan adalah VGESCALAB Mark II.

4. Through Hole Solderability Test
Through-hole solderability testing is performed using Solderability Test Boards (STVs). A total of 10 solderability test board STV arrays (4 STVs per array) were coated with a film thickness of approximately 0.35 μm, yang mana 5 tata STV ditutup dengan filem HTOSP dan 5 tata STV yang lain ditutup dengan filem OSP piawai industri. STVs yang ditutup kemudian subjek kepada siri suhu tinggi, rawatan balik bebas lead dalam oven balik pasta askar. Setiap syarat ujian termasuk 0, 1, 3, 5 atau 7 tindakan ulang berturut-turut. Terdapat 4 STV per membran untuk setiap kondisi ujian reflow. Selepas proses reflow, semua STV diproses untuk suhu tinggi dan soldering gelombang bebas lead. Kemudahan tentera melalui lubang boleh ditentukan dengan memeriksa setiap STV dan menghitung bilangan lubang yang diisi dengan betul. Kriterium untuk menerima lubang ialah bahawa isi askar mesti diisi ke atas lubang yang dipadam atau ke tepi atas lubang yang dipadam.
Each STV has 1196 through holes:
10milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads
20milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads
30milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads

5. Test solderability by tin-dipping balance
The solderability of the OSP film can also be determined by a dip tin balance test. Laksanakan filem HTOS P pada sampel ujian keseimbangan tenggelam tin, selepas 7 kali reflow bebas lead, Tpeak=262. Proses reflow dilakukan dalam udara menggunakan BTUTRS serta IR/oven reflow konveksi. Ujian keseimbangan basah dilakukan sesuai dengan IPC/EIAJ-STD-003A Seksyen 4.3.1.4, menggunakan pengesahan keseimbangan dip automatik "Sistem Proses Robotik", Fluks EF-8000, fluks tidak bersih, dan tentera seting SAC305.

6. Welding bond strength test
Weld bond strength can be measured by shear force. The BGA pad test board (0.76mm in diameter) was coated with HTOSP films with thicknesses of 0.25 dan 0.48 μm, dan dijalankan 3 kali rawatan kembali bebas lead pada 262°C. Dan tentera ke pads dengan pasang tentera yang sepadan, the solder balls are SAC305 alloy (0.76mm diameter). Shear tests were performed with a DagePC-400 adhesion tester at a shear rate of 200 μm/lihat.

Results and Discussion
1. Gas chromatography-mass spectrometry
Gas chromatography-mass spectrometry can detect the volatility of organic components in OSP films. Produk OSP berbeza dalam industri mengandungi azol berbeza termasuk imidazol dan benzimidazol. Alkylbenzimidazoles untuk membran HTOSP, alkylbenzimidazoles untuk membran OSP piawai, dan fenilimidazol untuk membran OSP lain melambangkan apabila dipanaskan dalam lajur kromatografi gas. Kerana polimer organometal tidak menguap, spektrometri massa kromatografi gas tidak dapat mengesan azol-polimerisasi logam. Oleh itu, spektrometri massa kromatografi gas hanya boleh mengesan azol dan molekul kecil lain yang tidak bereaksi dengan logam. Molekul kecil yang kurang volatil biasanya disimpan lebih lama di bawah keadaan pemanasan dan aliran gas yang sama dalam lajur GC. Masa tinggal alkyl benzimidazole untuk membran OSP piawai dan phenyl imidazole untuk membran OSP lain adalah 19.0 minit, menggambarkan kecewaan benzimidazol HT alkil. Spektrometri kromatografi-massa gas diantara tiga filem OSP, filem HTOSP mengandungi kurang kotoran. Kekotoran organik dalam filem OSP juga boleh mempengaruhi kemudahan tentera filem semasa pemprosesan semula dan menyebabkan perubahan warna. It was reported by Koji Saeki [5] that due to the lower copper ion density on the OSP membrane surface, reaksi polimerisasi di permukaan lebih lemah daripada reaksi di bawah membran. The authors of this paper believe that unreacted azoles still remain on the surface of the OSP film. Semasa proses reflow, lebih banyak ion tembaga bergerak dari bawah ke lapisan permukaan filem, dengan demikian memberikan peluang untuk bereaksi dengan komponen azol tidak bertindak di lapisan permukaan, thereby preventing copper oxidation. Alkylbenzimidazole-HT yang digunakan dalam filem HTOSP kurang volatil dan oleh itu mempunyai peluang yang lebih baik untuk bereaksi dengan ion tembaga bergerak dari lapisan bawah ke lapisan permukaan, dengan itu mengurangkan oksidasi tembaga semasa proses reflow. XPS boleh papar pemindahan ion tembaga dari lapisan bawah ke lapisan permukaan, dengan itu mengurangkan oksidasi tembaga semasa proses reflow. XPS boleh papar pemindahan ion tembaga dari lapisan bawah ke lapisan permukaan.

2. Thermogravimetric Analysis (TGA)
Thermogravimetric analysis (TGA) measures the mass change of substances due to temperature changes, dan boleh melakukan analisis kuantitatif yang efektif perubahan massa. Dalam eksperimen kertas ini, analisis termogravimetrik adalah kaedah simulasi reflow bebas lead dibawah perlindungan nitrogen, yang digunakan untuk menganalisis volatilisasi molekul kecil dan degradasi makromolekul filem OSP semasa proses reflow bebas lead bagi filem OSP di bawah perlindungan nitrogen. Hasil TGA menunjukkan suhu degradasi filem OS P standar industri adalah 259 °C, sementara filem HTOSP 290°C. Although the degradation temperature of poly(benzimidazole-zinc) is as high as 400 °C, the actual degradation temperature of HTOSP film cannot reach a high temperature of 400 °C due to the presence of poly(benzimidazole-copper) in the film. Since the chemical composition of the industry-standard OSP film is poly(benzimidazole-copper), suhu degradasi filem rendah, hanya 259°C. Menarik, filem HTOSP lain mempunyai dua suhu penghancur, 256 °C dan 356 °C, sama ada. The reason is that this OSP film may contain iron [6], or due to the gradual decomposition of poly(phenylimidazole-iron). Hasil TGA yang diperoleh oleh F. Jian and his colleagues showed that poly(imidazole-iron) also has two degradation temperatures, 216°C dan 378°C, sama ada.

3. Photoelectron Spectroscopy
Photoelectron spectroscopy utilizes the analytical methods of photoionization and energy dispersion of emitted photoelectrons to study the composition and electronic state of the sample surface. The binding energy points of oxygen (1s), copper (2p) and zinc (2p) are shown in the XPS spectrum as 532-534eV, 932-934eV dan 1022eV, sama ada. Teknik ini boleh menganalisis secara kuantitatif komposisi permukaan 10 nm luaran sampel. Mengikut analisis, filem HTOSP mengandungi 5.02% oksigen dan 0.24% zink sebelum rawatan semula bebas lead. Selepas lima kali kembali bebas lead, kandungan oksigen dan zink dalam filem HTOSP adalah 6.2% dan 0.22%, sama ada. Selepas 5 tindakan semula bebas lead, kandungan tembaga meningkat dari 0.60% hingga 1.73%. Alasan untuk meningkat ion tembaga mungkin ialah ion tembaga di lapisan bawah bergerak ke lapisan permukaan semasa proses reflow. E.K. Changetc [8] also performed industry standard surface analysis of OSP films by using photoelectron spectroscopy. Sebelum mana-mana rawatan kembali, kandungan oksigen adalah 5.0%, kemudian kandungan oksigen meningkat ke 9.1% dan 11.0% selepas 1 dan 3 SnPb konvensional muncul semula dalam udara, sama ada. Ia juga dilaporkan bahawa kandungan oksigen SnPb meningkat ke 6.5% selepas perlindungan nitrogen dan reflow. Dalam eksperimen ini, spektroskopi fotoelektron menunjukkan bahawa kandungan oksigen bagi filem OSP piawai industri meningkat ke 12.5% selepas 5 reflows bebas lead. Oleh itu, sebelum dan selepas 5 pengulangan bebas lead, the oxygen content increased by 7.5%, yang lebih besar daripada 1.2% peningkatan kandungan oksigen bagi filem HTOSP. Performasi tentera tembaga bergantung pada tingkat besar pada darjah oksidasi tembaga dan kekuatan aliran yang digunakan. Oleh itu, kandungan oksigen diukur oleh XPS merupakan indikator yang baik bagi resistensi panas filem OSP. Berbanding dengan filem OSP piawai industri, HTOSP mempunyai resistensi panas yang lebih baik. Selepas 5 tindakan semula bebas lead, ujian perubahan warna menunjukkan bahawa filem HTOSP pada dasarnya tidak mempunyai perubahan warna, sementara filem OSP standar industri mempunyai perubahan warna yang jelas. Hasil ujian perubahan warna konsisten dengan hasil analisis XPS.

4. Solderability Test
Wetting tin balance tests show that after multiple lead-free reflows, penerbangan penerbangan dari filem HTOSP lebih tinggi daripada filem standar industri semasa 0 S P. This is consistent with the heat resistance of the HTOSP film. Dengan meningkat masa balik bebas lead, T. (timetozero) will gradually increase, tetapi kuasa basah tin akan secara perlahan-lahan menurun. Namun, filem HTOSP menyimpan kemudahan tentera yang hebat selepas 7 siklus reflow bebas lead. Ujian pemancar menunjukkan bahawa kekuatan pemancar bertambah secara perlahan-lahan dan mencapai titik 25N. Sejak kekuatan pemotong bergantung pada bahagian salib pemotong, keputusan akan berbeza bergantung kepada bentuk bola askar dan ruang antara pemotong dan pad. The authors of this paper believe that the shear force is not limited by the thickness of the OSP film as long as the copper surface is adequately protected against copper oxidation.

in conclusion
1. Kevolatiliti Alkylbenzimidazole-HT bagi membran HTOSP dibandingkan dengan membran OSP lain yang diuji.
2. Suhu pengurangan filem HTOSP dibandingkan dengan filem OSP lain yang diuji.
3. Selepas 5 kali reflow bebas lead, kandungan oksigen dalam filem HTOSP meningkat hanya dengan 1%, sementara filem OSP standar industri meningkat dengan 7.5%. Pada masa yang sama, filem HTOSP pada dasarnya tidak mengubah warna.
4. Kerana perlawanan panas yang hebat bagi filem HTOSP, selepas lebih dari 3 kali reflow bebas lead, ia masih menyediakan kemudahan tentera yang baik dalam ujian lubang melalui dan ujian keseimbangan tinju.
5. Film HTOSP boleh menyediakan kongsi solder kepercayaan tinggi, ujian shear boleh membuktikan kepercayaan ini pada Papan PCB.