PCB部落格 - 無鉛PCB板表面處理科技的研究與建議

無鉛科技的出現 PCB電路板 has raised new problems for in-circuit testing (ICT). 本文描述了現有的PCB表面處理工藝，並分析了這些工藝對ICT的影響. 有人指出，影響信通科技的關鍵是探頭和信通科技. 測試了點之間的接觸可靠性，並描述了在PCB構造過程中需要進行的具體更改，以滿足ICT要求. 歷史上, 測試工程師的主要關注點是確保他有一個在生產中表現良好的有效測試程式. "In-Circuit Test (ICT)" remains a very effective method of detecting manufacturing defects. 更先進的ICT系統還可以通過提供對閃存程式設計的方法，為測試功能配寘新增真實價值, PLD, FPGA, 以及測試時的EEPROM. 安捷倫3070系統可在ICT中銷售. ICT still plays an important role in the manufacturing and testing process of the printed circuit board assembly (PCA), 但是，追求無鉛PCB將如何影響ICT階段? 無鉛焊接技術的推動導致了對表面處理科技的大量研究 PCB板s. 這些研究主要基於PCB施工過程中的技術性能. 不同PCB表面處理科技對測試階段的影響大多被忽略, 或者只關注接觸電阻. 本書將詳細介紹在資訊和通信技術中觀察到的影響，以及應對和理解這些變化的必要性.

本文的目的是分享以下方面的經驗： PCB板 表面處理和培訓工程師實施ICT PCB生產工藝要求的變更. 本文將討論無鉛PCB的表面處理問題, 尤其是在製造過程的ICT階段, 並揭示了無鉛表面的成功測試也依賴於PCB構造過程的有益貢獻. 一個成功的ICT測試總是基於針床夾具的測試探針和PCB上的測試焊盤之間接觸點的物理特性. 當非常鋒利的探針接觸焊接測試點時, 焊料將下沉，因為探針的接觸壓力遠高於焊料的屈服强度. 因為焊料是凹進的, 探針穿過測試墊表面上的任何雜質. 下麵的未污染焊料現在接觸探針，與測試點接觸良好. 探針插入深度是目標資料屈服强度的直接函數. 探頭穿透得越深, 接觸越好. An 8-ounce (oz) probe can apply contact pressures ranging from 26,000至160,000磅/平方英寸 (pounds per square inch), 取決於表面直徑. 因為焊料的屈服强度約為5,000 psi, 對於這種相對較軟的焊料，探針觸點更好.

1.PCB表面處理工藝的選擇

在我們理解因果關係之前，重要的是描述可用的PCB表面處理類型以及它們可以提供什麼。 所有印刷電路板（PCB）上都有銅層，如果不受保護，銅層會氧化並損壞。 可以使用多種不同的保護層，常見的有熱空氣焊料流平（HASL）、有機焊料保護（OSP）、化學鍍鎳金浸沒（ENIG）、銀浸沒和錫浸沒。

2.熱空氣焊料整平（HASL）

HASL是工業中使用的主要含鉛表面處理工藝。 該工藝通過將電路板浸入鉛錫合金中形成，多餘的焊料通過“空氣刀”去除，空氣刀是在電路板表面吹出的熱空氣。 對於PCA工藝，HASL具有許多優點：它是PCB板，表面層可以在反復回流、清潔和儲存後進行焊接。 對於ICT，HASL還提供測試焊盤和通孔的自動焊料覆蓋。 然而，與現有替代方法相比，HASL表面的平坦度或共面性較差。 有一些無鉛HASL更換工藝，由於HASL的自然更換特性，這些工藝越來越流行。 多年來，HASL的使用效果良好，但隨著“環保”綠色工藝要求的出現，這一工藝的日子屈指可數。 除了無鉛問題外，董事會複雜性的新增和更精細的間距暴露了HASL流程的許多局限性。 優點：成本低廉的PCB表面技術，在整個製造過程中保持可焊性，對ICT沒有負面影響。 缺點：通常使用鉛基工藝，但現時受到限制，最終將於2007年消除。對於細引脚間距（<0.64mm）的情况，可能會導致焊料橋接和厚度問題。 表面不均勻性會導致裝配過程中的均勻性問題。

3.有機焊料保護劑

有機焊料防腐劑（OSP）用於在PCB板的銅表面上形成薄而均勻的保護層。 該塗層保護電路在儲存和組裝操作期間免受氧化。 這一過程已經存在了很長時間，但直到最近才隨著無鉛科技和精細間距解決方案的蒐索而流行起來。 在共面性和可焊性方面，OSP在PCA組裝上的效能優於HASL，但需要對焊劑類型和熱迴圈次數進行顯著的工藝更改。 需要小心處理，因為其酸性會降低OSP效能，並使銅易於氧化。 裝配人員更喜歡使用更靈活、能承受更多熱迴圈週期的金屬表面。 對於OSP表面處理，如果測試點未焊接，則會導致ICT針床夾具的接觸問題。 簡單地改變為更尖銳的探針類型以穿過OSP層只會導致損壞並刺穿PCA測試通孔或測試焊盤。 研究表明，切換到更高的探測力或改變探針類型對產量幾乎沒有影響。 未處理的銅的屈服强度比含鉛焊料高一個數量級，囙此會損壞暴露的銅測試焊盤。 所有可測試性指南都強烈建議不要直接探測暴露的銅。 使用OSP時，需要為ICT階段定義一組OSP規則。 重要規則要求在PCB工藝開始時打開範本，以允許將焊膏施加到ICT需要接觸的測試焊盤和通孔。 優點：組織成本與HASL相當，共面性好，無鉛工藝，可焊性提高。 缺點：裝配過程需要重大改變，探測粗銅表面將對ICT有害，過尖的ICT探針可能損壞PCB，需要手動預防措施，限制ICT測試並降低測試重複性。

4.化學鍍鎳金浸沒

無電鎳金浸沒（ENIG）是一種成功應用於許多電路板的塗層，儘管組織成本較高，但其表面平坦且具有優异的可焊性。 主要缺點是化學鍍鎳層易碎，並且已經發現在機械應力下會開裂。 這在業內被稱為“黑塊”或“泥裂縫”，這導致了埃尼集團的一些負面報導。 優點：可焊性好，表面平整，保質期長，可承受多次回流焊接。 缺點：成本高（約為HASL的5倍），“黑塊”問題，製造過程中使用氰化物和其他一些有害化學品。

5.浸銀

浸銀是PCB板表面處理的附加方法。 主要用於亞洲，目前正在北美和歐洲推廣。 在焊接過程中，銀層熔化到焊點中，在銅層上留下錫/鉛/銀合金，為BGA封裝提供非常可靠的焊點。 其對比色使其易於檢查，也是HASL焊接處理的天然替代品。 鍍銀是一種非常有前景的表面處理工藝，但與所有新的表面處理科技一樣，最終用戶對此非常保守。 許多製造商將該工藝稱為“正在調查”工藝，但它可能是首選的無鉛表面工藝。 優點：焊接性好，表面光滑，可替代HASL浸沒。 缺點：終端用戶的保守態度意味著行業缺乏相關資訊。

6.浸錫

這是一種較新的表面處理工藝，具有許多類似於銀浸工藝的效能。 然而，由於在PCB製造過程中錫浸漬過程中使用硫脲（可能是致癌物）的預防措施，囙此存在重大的健康和安全問題。 此外，遷移（“錫毛刺”效應）也值得關注，儘管反遷移化學可以在控制這一問題方面取得一些成功。 優點：焊接性好，表面光滑，成本相對較低。 缺點：健康和安全問題，熱迴圈次數有限。

7.PCB表面處理總結

考慮到夾具和工藝的一些問題，用戶認為，一旦這些問題得到解决，他們可以獲得80~90%的合格率。 以上是PCB板無鉛加工的主要方法。 HASL將仍然是廣泛使用的PCB板處理過程，在這種情況下，測試工程師不會有任何改變。 在一些國家，HASL已被法律禁止，並採用了替代方案。 隨著PCA製造擴展到更多不同領域，ICT測試中將出現越來越多的無鉛工藝。 雖然OSP不是HASL的天然替代品，但它已成為PCA製造商正在研究的替代治療方案。 當沒有進行工藝更改以允許在測試焊盤和通孔上使用焊膏時，這將導致實際的ICT

測試可靠性問題

結論是，PCB表面處理的過程並不完美，每種方法都有自己需要考慮的問題。 其中一些問題比其他問題更嚴重，所有這些無鉛PCB表面製備工藝都需要在工藝步驟中進行修改，以防止ICT的夾具接觸可靠性問題。 ICT階段HASL、OSP和鍍銀的比較考慮現在我想重點介紹這些表面處理科技及其對ICT效能的影響。 表面處理在測試點留下軟焊“弧”和暴露的通孔，這是ICT測試對象的理想選擇。 HASL具有OSP不具有的特性是力吸收，HASL是一種共晶SnPB，特別柔軟。 這種軟目標有兩個好處：適應探頭和吸收能量。 OSP PCB板沒有這樣的軟目標。 相比之下，銅表面非常堅硬，不能吸收那麼多能量，囙此探針可以“咬入”的直接接觸面積減少。 外層上的銅鍍層通常在10微米和50微米之間。 將鍍銅與OSP覆層結合起來，您將看到用於探測HASL板的探針不會在OSP飾面板上工作。 研究表明，在回流焊和ICT之間較長的傳輸時間內，OSP在測試目標上形成了非常硬的“外殼”。 資訊和通信技術的交付時間應少於24小時。 還有許多其他工藝因素會影響OSP對測試工程師的混淆程度，其中一些因素包括：OSP供應商類型、回流爐中的通過次數、是否移除了波浪工藝、氮氣回流或空氣回流，以及ICT類比測試的類型。 對銅表面的直接探測加上穿透OSP層所需的更高的探測力產生了破壞薄銅層並導致內部短路的真正潜在威脅。 囙此，我們建議不要探測暴露的銅表面。 最近的例子表明，在5到10次夾具激勵後，可以刺穿板通孔或測試點。 對於一些PCA製造商來說，OSP對ICT的影響是如此之大，以至於他們完全脫離了OSP。 其他製造商也開始學習如何遵循下麵列出的“OSP規則”。 ICT測試夾具和程式的“OSP規則”：對通過率（FPY）有很大影響； 可能需要改變夾具探針以獲得更高的力，例如從2N到3N； 可能需要更換夾具探頭類型，更改為更尖銳的類型； 可能需要“按兩下”夾持器激勵方法，或使用氣動、機械手； 模擬測試程式約束可能需要妥協、開放，甚至忽略； 研究表明，這些星號規則對成品率的影響相對較小，確保可靠測試接觸的方法是確保測試焊盤焊接。 一些製造商認為OSP可以立即節省成本，並將其視為無鉛工藝的替代品。 然而，一些公司最近進行了徹底的轉變，在考慮與生產中斷和延遲相關的實際成本時，正在重新審視其戰畧。

8.浸銀

銀浸沒是銅層頂部的0.4至0.8微米金屬層，提供了測試探針可以咬入的“肉”。 銀浸沒沒有HASL或OSP廣泛使用，但初步研究表明，它是HASL的天然替代品。 對ICT可靠性的一些初步研究表明，蝕刻時間（表面粗糙度/光潔度）和表面厚度是重複性的重要考慮因素。 ICT階段的銀表面處理夾具的接觸可靠性沒有問題，囙此不需要調整測試夾具，但應調整探針或測試軟體。 蝕刻速率對於ICT測試非常重要，因為它决定了銀塗層是光亮還是暗淡。 在銀沉積步驟中，銀沉積在銅表面的輪廓上，囙此如果表面粗糙度新增，囙此面積新增，則表面呈現為暗表面，而具有粗糙度的表面呈現為亮表面。 對這種表面處理工藝的工業研究非常有限，但在科技和商業上似乎很有前景。 最近的經驗表明，這種表面處理對ICT沒有任何問題。 PCB板製造商現在以與HASL產品相同的價格提供銀色飾面板。

9.本文摘要

一些公司的趨勢似乎是OSP被視為HASL的天然替代品. 這種選擇可能源於對組織成本節約的認識. ICT engineers should pay attention to this trend: OSP-coated PCBs will not perform as well as other alternative 領導-free finishes unless the test pads are covered with solder. 如果工藝流程未更改, 初始成本的潜在節約可能被更換夾具探頭的成本抵消, 夾具維護, 修改測試軟體, 以及損壞電路板的廢料. 我們在OSP選擇中看到了許多相反的情况. 建議尚未放弃含鉛HASL工藝的客戶考慮所有可能的無鉛PCB替代工藝的優缺點, 確保試驗涵蓋所有製造階段, 包括測試, 為了銀子 PCB板 關於表面處理工藝對ICT的影響，我們沒有任何結論性結果. 我們已經與使用銀色表面處理的客戶進行了討論，他們沒有注意到使用該表面處理的任何夾具接觸問題.