PCB部落格 - OSP膜在PCB複製板無鉛工藝中的效能

為了滿足電子行業對禁鉛的迫切要求, 這個 印刷電路板 industry is shifting the surface treatment from hot air leveled tin spray (tin-lead eutectic) to other surface treatments, including organic protective film (OSP), 沉銀, 浸錫和化學鍍鎳浸金. OSP薄膜因其良好的可焊性而被認為是最佳選擇, 易於處理, 和低運營成本. 由於良好的可焊性, simplicity and low cost of OSP (Organic Solderable Protective Film), 它被認為是最好的表面處理工藝. 在本文中, 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), 同時表明，高溫OSP膜中的烷基苯並咪唑HT的揮發性很小. TGA資料表明，HTOSP膜的降解溫度高於當前行業標準OSP膜. XPS資料表明，經過5.次無鉛回流後，高溫OSP的氧含量僅新增約1%. 上述改進與工業無鉛可焊性的要求直接相關.

OSP薄膜已用於 印刷的 電路板 是由唑與過渡金屬元素（如銅和鋅）反應形成的有機金屬聚合物膜. 許多研究揭示了唑類化合物對金屬表面的緩蝕機理. 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. OSP膜主要由有機金屬聚合物和夾帶的有機小分子組成, 如脂肪酸和唑類, 沉積期間. 有機金屬聚合物具有必要的耐腐蝕性, 銅表面附著力, 和OSP表面硬度. 有機金屬聚合物的降解溫度必須高於無鉛焊料的熔點，以承受無鉛處理. 否則, 經過無鉛處理後，OSP膜會降解. OSP薄膜的降解溫度在很大程度上取決於有機金屬聚合物的耐熱性. 影響銅抗氧化活性的另一個重要因素是唑類化合物的揮發性, 如苯並咪唑和苯並咪唑. OSP膜的小分子在無鉛回流過程中蒸發, 從而影響銅的抗氧化性. 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) 行業標準OSP膠片 and; c) another industrial OSP film. 大約0.74-0.從銅板上刮下79 mg OSP膜. 塗層銅板和刮傷的樣品均未進行任何回流處理. H/P6890GC/本實驗採用質譜儀, 使用了一個沒有桶的注射器. 無注射器注射器可以直接在注射室中解吸固體樣品. 無注射器注射器可以將樣品從微小的玻璃管轉移到氣相色譜儀的進樣室. 載氣不斷將揮發性有機物帶入GC柱進行收集和分離. 將樣品靠著色譜柱頂部放置，可以有效地複製熱解吸. 樣品足够解吸後, 氣相色譜開始工作. 在本實驗中, a RestekRT-1 (0.25mmid—30m, 膜厚1.0mm) gas chromatography column was used. 氣相色譜柱的加熱程式：在35°C下加熱2分鐘後, 溫度升高到325℃, 加熱速率為15℃/最小值. 熱脫附條件為：在250°C下加熱2分鐘後. 質量/通過質譜法檢測分離出的揮發性有機化合物的電荷比，其範圍為10-700道爾頓. 還記錄了所有有機小分子的保留時間.

2. Thermogravimetric Analysis (TGA)
Likewise, 一種新的HTOSP膠片, an industry standard OSP film, 並在樣品上塗覆了另一層工業OSP膜, 分別地. 大約17歲.從銅板上刮下0 mg OSP膜作為資料測試樣品. 在TGA測試之前，樣品和薄膜都不能進行任何無鉛回流處理. TGA測試在氮氣保護下進行，使用TA儀器的2950TA. 工作溫度在室溫下保持15分鐘，然後以10°C的速率新增到700°C/最小值.

3. Photoelectron Spectroscopy (XPS)
Photoelectron Spectroscopy (XPS), also known as Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA), 是一種化學表面分析方法. XPS量測塗層表面在10 nm處的化學成分. 在銅板上塗覆HTOSP膜和行業標準OSP膜，然後進行5次無鉛回流. 用XPS分析了回流處理前後的HTOSP膜； 通過XPS分析了5次無鉛回流後的行業標準OSP膜, 使用的儀器是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 0.35m米, 其中5個STV陣列塗有HTOSP膜，其他5個STV陣列塗有行業標準OSP膜. 然後將塗覆的STV經受一系列高溫, 錫膏回流爐中的無鉛回流處理. 每個測試條件包括0, 1, 3, 5或7次連續回流. 每個回流測試條件下，每個膜有4個STV. 回流過程後, 所有STV均經過高溫無鉛波峰焊接處理. 通孔可焊性可以通過檢查每個STV並計算正確填充的通孔數量來確定. 通孔驗收標準是焊料填充必須填充到電鍍通孔的頂部或通孔的上邊緣.
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. 在浸錫平衡測試樣品上塗HTOS P膜, 7次無鉛回流後, t峰值=262–NUƒ. 使用BTUTR和IR在空氣中執行回流過程/對流回流爐. 根據IPC進行濕平衡測試/EIAJ-STD-003A第4節.3.1.4, 使用“機器人過程系統”自動傾角平衡測試儀, EF-8000焊劑, 無清潔助焊劑, 和SAC305合金焊料.

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和0.48m米, 並在262°C下進行3次無鉛回流處理. 並用匹配的焊膏焊接到焊盤上, the solder balls are SAC305 alloy (0.76mm diameter). 在200mm的剪切速率下，使用DagePC-400粘附試驗機進行剪切試驗/看見.

Results and Discussion
1. Gas chromatography-mass spectrometry
Gas chromatography-mass spectrometry can detect the volatility of organic components in OSP films. 行業中不同的OSP產品含有不同的唑，包括咪唑和苯並咪唑. HTOSP膜用烷基苯並咪唑, 標準OSP膜用烷基苯並咪唑, 其他OSP膜的苯基咪唑在氣相色譜柱中加熱時會揮發. 因為有機金屬聚合物不會蒸發, 氣相色譜-質譜法不能檢測金屬聚合唑. 因此, 氣相色譜-質譜法只能檢測唑和其他與金屬不反應的小分子. 在氣相色譜柱中，在相同的加熱和氣流條件下，揮發性較小的小分子通常保留更長時間. 烷基苯並咪唑在標準OSP膜上的停留時間為19，苯基咪唑在其他OSP膜上的停留時間為19.0分鐘, 說明HT烷基苯並咪唑的揮發性. 3種OSP膜的氣相色譜-質譜分析, HTOSP膜含有較少雜質. OSP薄膜中的有機雜質也會在回流加工過程中影響薄膜的可焊性，並導致變色. It was reported by Koji Saeki [5] that due to the lower copper ion density on the OSP membrane surface, 膜表面的聚合反應弱於膜底部的聚合反應. 本文作者認為未反應的唑仍然留在OSP膜的表面. 在回流過程中, 更多的銅離子從薄膜的底部移動到表層, 從而提供與表層中未反應的唑化合物反應的機會, 從而防止銅氧化. HTOSP膜中使用的烷基苯並咪唑HT揮發性較低，囙此更有可能與從下層移動到表層的銅離子發生反應, 從而减少回流過程中銅的氧化. XPS可以顯示銅離子從下層轉移到表層, 從而减少回流過程中銅的氧化. XPS可以顯示銅離子從下層轉移到表層.

2. Thermogravimetric Analysis (TGA)
Thermogravimetric analysis (TGA) measures the mass change of substances due to temperature changes, 能够對質量變化進行有效的定量分析. 在本文的實驗中, 熱重分析是氮保護下無鉛回流的類比方法, 用於分析OSP膜在氮氣保護下無鉛回流過程中小分子的揮發和大分子的降解. 熱重分析結果表明，工業標準OS P膜的降解溫度為259℃, 而HTOSP薄膜的溫度為290℃. 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), 薄膜的降解溫度較低, 僅259°C. 有趣的是, 另一種HTOSP薄膜有兩個降解溫度, 256°C和356°C, 分別地. The reason is that this OSP film may contain iron [6], or due to the gradual decomposition of poly(phenylimidazole-iron). 由F獲得的TGA結果. Jian and his colleagues showed that poly(imidazole-iron) also has two degradation temperatures, 216°C和378°C, 分別地.

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和1022eV, 分別地. 該科技可以定量分析樣品外部10 nm的表面組成. 通過分析, HTOSP膜包含5個.02%氧氣和0.無鉛回流焊處理前24%的鋅. 五次無鉛回流後, HTOSP膜的氧和鋅含量為6.2%和0.22%, 分別地. 5次無鉛回流後, 銅含量從0.60%對1.73%. 銅離子新增的原因可能是在回流過程中下層中的銅離子遷移到表層. E.K. Changetc [8] also performed industry standard surface analysis of OSP films by using photoelectron spectroscopy. 在任何回流處理之前, 氧含量為5.0%, 然後氧含量新增到9.1%和11%.1和3次常規SnPb在空氣中回流後為0%, 分別地. 據報導，SnPb的含氧量新增到6.氮氣保護和回流後為5%. 在本實驗中, 光電子能譜顯示，工業標準OSP薄膜的氧含量新增到12.5次無鉛回流後為5%. 因此, 5次無鉛回流焊前後, 氧含量新增了7.5%, 大於1.HTOSP膜的氧含量新增2%. 銅的焊接效能在很大程度上取決於銅的氧化程度和所用助焊劑的强度. 因此, XPS量測的氧含量是OSP薄膜耐熱性的良好名額. 與行業標準OSP膜相比, HTOSP具有更好的耐熱性. 5次無鉛回流後, 變色測試表明，HTOSP薄膜基本上沒有變色, 而行業標準OSP薄膜有明顯變色. 變色測試結果與XPS分析結果一致.

4. Solderability Test
Wetting tin balance tests show that after multiple lead-free reflows, HTOSP膜的通孔可焊性高於當前行業標準0 S P膜. 這與HTOSP薄膜的耐熱性一致. 隨著無鉛回流次數的新增, T. (timetozero) will gradually increase, 但錫的潤濕力將逐漸减小. 然而, 經過7次無鉛回流後，HTOSP膜保持了良好的可焊性. 剪切試驗表明，剪切力逐漸新增，達到25N. 因為剪力取決於剪力的橫截面, 結果將根據焊球的形狀以及剪切和焊盤之間的間隙而有所不同. 本文作者認為，剪切力不受OSP膜厚度的限制，只要銅表面能够充分防止銅氧化.

in conclusion
1. HTOSP膜與其他OSP膜相比的烷基苯並咪唑HT揮發性.
2. HTOSP膜與其他測試OSP膜的降解溫度比較.
3. 5次無鉛回流後, HTOSP膜的含氧量僅新增1%, 而行業標準OSP薄膜的增長了7%.5%. 同時, HTOSP薄膜基本上不會變色.
4. 由於HTOSP膜具有優异的耐熱性, 經過3次以上無鉛回流後, 它在通孔測試和錫浸平衡測試中仍具有良好的可焊性.
5. HTOSP膜可以提供高可靠性的焊點, 剪切試驗可以證明這種可靠性 PCB板.