Thông tin PCB - Màn trình diễn phim OSP trong quá trình tách rời bảng mạch PCB

Để đáp ứng yêu cầu cấp bách của ngành công nghiệp điện tử về việc cấm chì, ngành công nghiệp bảng mạch PCB đang chuyển việc xử lý bề mặt từ phun thiếc cấp bằng không khí nóng (eutectic thiếc-chì) sang các phương pháp xử lý bề mặt khác, bao gồm màng bảo vệ hữu cơ (OSP), bạc ngâm, thiếc ngâm và vàng ngâm niken không điện. Màng OSP được coi là sự lựa chọn tốt nhất do khả năng hàn tuyệt vời, dễ xử lý và chi phí vận hành thấp. Do khả năng hàn tuyệt vời, tính đơn giản và chi phí thấp của OSP (Màng bảo vệ có thể hòa tan hữu cơ), nó được coi là quy trình xử lý bề mặt tốt nhất. Trong bài báo này, giải hấp nhiệt-sắc ký khí-khối phổ (TD-GC-MS), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và quang phổ quang điện tử (XPS) đã được sử dụng để phân tích các đặc tính kháng nhiệt liên quan của thế hệ phim OSP nhiệt độ cao mới. Sắc ký khí đã kiểm tra các thành phần hữu cơ phân tử nhỏ ảnh hưởng đến khả năng hàn trong màng OSP nhiệt độ cao (HTOSP), đồng thời cho thấy rằng alkyl benzimidazole-HT trong màng OSP nhiệt độ cao có rất ít bay hơi. Dữ liệu TGA chỉ ra rằng phim HTOSP có nhiệt độ suy giảm cao hơn so với phim OSP tiêu chuẩn công nghiệp hiện tại. Dữ liệu XPS cho thấy hàm lượng oxy của OSP nhiệt độ cao chỉ tăng khoảng 1% sau 5 chu kỳ tái nung chảy không chì. Các cải tiến trên liên quan trực tiếp đến các yêu cầu về khả năng hàn không chì trong công nghiệp.

Màng OSP đã được sử dụng trong bảng mạch in trong nhiều năm và là màng polyme kim loại được hình thành do phản ứng của azol với các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như đồng và kẽm. Nhiều nghiên cứu đã tiết lộ cơ chế ức chế ăn mòn của các azol trên bề mặt kim loại. G.P.Brown đã tổng hợp thành công các polyme cơ kim loại của benzimidazole và đồng (II), kẽm (II) và các nguyên tố kim loại chuyển tiếp khác, đồng thời mô tả các đặc tính chịu nhiệt độ cao tuyệt vời của poly (benzimidazole-zinc) bằng TGA. Dữ liệu TGA của G.P.Brown cho thấy nhiệt độ phân hủy của poly (benzimidazole-kẽm) cao tới 400 ° C trong không khí và 500 ° C trong môi trường bảo vệ nitơ, trong khi nhiệt độ phân hủy của poly (benzimidazole-đồng) chỉ là 250 ° C . Màng HTOSP mới được phát triển gần đây dựa trên các đặc tính hóa học của poly (benzimidazole-kẽm) và do đó có khả năng chịu nhiệt rất tốt. Màng OSP được cấu tạo chủ yếu từ các polyme cơ kim loại và các phân tử nhỏ hữu cơ bị cuốn theo, chẳng hạn như axit béo và azol, trong quá trình lắng đọng. Polyme cơ kim loại cung cấp khả năng chống ăn mòn cần thiết, độ bám dính bề mặt đồng và độ cứng bề mặt OSP. Nhiệt độ phân huỷ của polyme cơ kim phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy của vật hàn không chì để chịu được quá trình gia công không chì. Nếu không, màng OSP sẽ giảm chất lượng sau quá trình không có chì. Nhiệt độ phân hủy của màng OSP phần lớn phụ thuộc vào khả năng chịu nhiệt của các polyme cơ kim. Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến hoạt động chống oxy hóa đồng là tính dễ bay hơi của các hợp chất azole, chẳng hạn như benzimidazole và phenylimidazole. Các phân tử nhỏ của màng OSP bay hơi trong quá trình nung chảy không chì, do đó ảnh hưởng đến khả năng chống oxy hóa của đồng. Khả năng chịu nhiệt của OSP có thể được chứng minh một cách khoa học bằng phương pháp sắc ký khí-khối phổ (GC-MS), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và quang phổ quang điện tử (XPS).

1. Phân tích bằng phương pháp sắc ký khí-khối phổ
Các tấm đồng được thử nghiệm được phủ bằng: a) một màng HTOSP mới; b) phim OSP tiêu chuẩn công nghiệp và; c) phim OSP công nghiệp khác. Khoảng 0,74-0,79 mg màng OSP được cạo ra khỏi tấm đồng. Cả các tấm đồng được phủ và các mẫu đã cạo đều không được xử lý nóng chảy lại. Dụng cụ H / P6890GC / MS đã được sử dụng trong thí nghiệm này và một ống tiêm không có nòng được sử dụng. Ống tiêm không có ống tiêm có thể khử hấp thụ các mẫu rắn trực tiếp trong buồng tiêm. Bơm tiêm không có ống tiêm có thể chuyển các mẫu từ các ống thủy tinh nhỏ vào khoang đầu vào của máy sắc ký khí. Khí mang liên tục đưa các chất hữu cơ dễ bay hơi đến cột GC để thu gom và phân tách. Đặt mẫu so với đầu cột cho phép sao chép hiệu quả quá trình giải hấp nhiệt. Sau khi có đủ lượng mẫu cần khử hấp thụ, sắc ký khí bắt đầu hoạt động. Trong thí nghiệm này, cột sắc ký khí RestekRT-1 (0,25mm x 30m, độ dày màng 1,0 μm) được sử dụng. Chương trình gia nhiệt của cột sắc ký khí: sau khi gia nhiệt ở 35 ° C trong 2 phút, nhiệt độ được nâng lên 325 ° C, và tốc độ gia nhiệt là 15 ° C / phút. Điều kiện giải hấp nhiệt là: sau khi gia nhiệt ở 250 ° C trong 2 phút. Tỷ lệ khối lượng / điện tích của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi đã tách được phát hiện bằng phương pháp khối phổ trong khoảng 10-700 dalton. Thời gian lưu của tất cả các phân tử hữu cơ nhỏ cũng được ghi lại.

2. Phân tích đo nhiệt độ (TGA)
Tương tự như vậy, một màng HTOSP mới, một màng OSP tiêu chuẩn công nghiệp và một màng OSP công nghiệp khác đã được phủ lên các mẫu tương ứng. Khoảng 17,0 mg màng OSP được cạo từ tấm đồng để làm mẫu thử vật liệu. Cả mẫu và phim đều không được xử lý làm nóng lại không chứa chì trước khi thử nghiệm TGA. Các thử nghiệm TGA được thực hiện trong điều kiện bảo vệ nitơ bằng cách sử dụng 2950TA từ TA Instruments. Nhiệt độ hoạt động được duy trì ở nhiệt độ phòng trong 15 phút và sau đó tăng lên 700 ° C với tốc độ 10 ° C / phút.

3. Quang phổ quang điện tử (XPS)
Quang phổ quang điện tử (XPS), còn được gọi là Quang phổ điện tử để phân tích hóa học (ESCA), là một phương pháp phân tích bề mặt hóa học. XPS đo thành phần hóa học của bề mặt lớp phủ ở bước sóng 10 nm. Màng HTOSP và màng OSP tiêu chuẩn công nghiệp được phủ trên tấm đồng và sau đó trải qua 5 lần cán không chì. Phim HTOSP trước và sau khi điều trị tái tạo được phân tích bằng XPS; màng OSP tiêu chuẩn công nghiệp sau 5 cuộn lại không có chì cũng được phân tích bởi XPS, và thiết bị được sử dụng là VGESCALAB Mark II.

4. Thông qua kiểm tra độ hòa tan lỗ
Kiểm tra khả năng hàn xuyên lỗ được thực hiện bằng cách sử dụng Bảng kiểm tra độ bền (STV). Tổng cộng có 10 mảng STV của bảng kiểm tra độ hàn (4 STV trên mỗi mảng) được phủ với độ dày màng xấp xỉ 0,35 μm, trong đó 5 mảng STV được phủ bằng phim HTOSP và 5 mảng STV khác được phủ bằng phim OSP tiêu chuẩn công nghiệp. Sau đó, các STV được tráng phủ sẽ phải chịu một loạt các xử lý nung chảy lại nhiệt độ cao, không chứa chì trong lò nung chảy lại bằng chất hàn. Mỗi điều kiện thử nghiệm bao gồm 0, 1, 3, 5 hoặc 7 lần tạo lại liên tiếp. Có 4 STV trên mỗi màng cho mỗi điều kiện thử nghiệm tái tạo. Sau quá trình làm nóng lại, tất cả các STV được xử lý để hàn sóng không chì và nhiệt độ cao. Khả năng hàn xuyên lỗ có thể được xác định bằng cách kiểm tra từng STV và đếm số lượng lỗ xuyên được lấp đầy chính xác. Tiêu chí để chấp nhận qua lỗ là chất hàn phải được lấp đầy đến đỉnh của lỗ xuyên qua mạ hoặc tới mép trên của lỗ xuyên qua.

5. Kiểm tra khả năng hàn bằng cân nhúng thiếc
Khả năng hàn của màng OSP cũng có thể được xác định bằng thử nghiệm cân bằng thiếc nhúng. Dán màng HTOS P lên mẫu thử cân bằng nhúng thiếc, sau 7 lần nung chảy không chì, Tpeak = 262 ℃. Quá trình làm nóng lại được thực hiện trong không khí bằng cách sử dụng BTUTRS kết hợp với lò nung nóng lại đối lưu / IR. Thử nghiệm cân bằng làm ướt được thực hiện theo IPC / EIAJ-STD-003A Mục 4.3.1.4, sử dụng máy kiểm tra cân bằng nhúng tự động "Hệ thống quy trình robot", thông lượng EF-8000, thông lượng không sạch và chất hàn hợp kim SAC305.

6. Kiểm tra độ bền mối hàn
Độ bền liên kết hàn có thể được đo bằng lực cắt. Bảng thử nghiệm BGA pad (đường kính 0,76mm) được phủ bằng màng HTOSP có độ dày 0,25 và 0,48 μm, và trải qua ba lần xử lý nung chảy không chì ở 262 ° C. Và được hàn vào các miếng đệm bằng thuốc hàn phù hợp, các viên bi hàn là hợp kim SAC305 (đường kính 0,76mm). Thử nghiệm cắt được thực hiện bằng máy thử độ bám dính DagePC-400 với tốc độ cắt 200 μm / lần.

Kết quả và thảo luận
1. Sắc ký khí-khối phổ
Sắc ký khí-khối phổ có thể phát hiện sự bay hơi của các thành phần hữu cơ trong màng OSP. Các sản phẩm OSP khác nhau trong ngành chứa các azol khác nhau bao gồm imidazol và benzimidazol. Alkylbenzimidazol cho màng HTOSP, alkylbenzimidazol cho màng OSP tiêu chuẩn và phenylimidazol cho các màng OSP khác bốc hơi khi đun nóng trong cột sắc ký khí. Vì các polyme cơ kim không bay hơi nên sắc ký khí-khối phổ không thể phát hiện ra các azol polyme hóa kim loại. Vì vậy, sắc ký khí-khối phổ chỉ có thể phát hiện ra các azol và các phân tử nhỏ khác không phản ứng với kim loại. Các phân tử nhỏ ít bay hơi thường được giữ lại lâu hơn trong cùng điều kiện gia nhiệt và dòng khí trong cột GC. Thời gian lưu trú của alkyl benzimidazole đối với màng OSP tiêu chuẩn và phenyl imidazole đối với màng OSP khác là 19,0 phút, minh họa tính dễ bay hơi của HT alkyl benzimidazole. Sắc ký khí-khối phổ Trong số ba màng OSP, màng HTOSP chứa ít tạp chất hơn. Các tạp chất hữu cơ trong màng OSP cũng có thể ảnh hưởng đến tính hàn của màng trong quá trình xử lý nung chảy lại và gây ra sự đổi màu. Theo báo cáo của Koji Saeki [5] rằng do mật độ ion đồng trên bề mặt màng OSP thấp hơn, phản ứng trùng hợp ở bề mặt yếu hơn ở dưới cùng của màng. Các tác giả của bài báo này tin rằng các azol chưa phản ứng vẫn còn trên bề mặt của phim OSP. Trong quá trình nung chảy lại, nhiều ion đồng di chuyển từ dưới lên lớp bề mặt của màng, do đó tạo cơ hội phản ứng với các hợp chất azole chưa phản ứng trong lớp bề mặt, do đó ngăn chặn quá trình oxy hóa đồng. Alkylbenzimidazole-HT được sử dụng trong màng HTOSP ít bay hơi hơn và do đó có cơ hội phản ứng tốt hơn với các ion đồng di chuyển từ lớp dưới lên lớp bề mặt, do đó làm giảm quá trình oxy hóa đồng trong quá trình nấu chảy lại. XPS có thể hiển thị sự chuyển các ion đồng từ lớp dưới lên lớp bề mặt, do đó làm giảm quá trình oxy hóa đồng trong quá trình nấu chảy lại. XPS có thể hiển thị sự chuyển các ion đồng từ lớp dưới lên lớp bề mặt.

2. Phân tích đo nhiệt độ (TGA)
Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đo lường sự thay đổi khối lượng của các chất do sự thay đổi nhiệt độ và có thể thực hiện phân tích định lượng hiệu quả về sự thay đổi khối lượng. Trong thí nghiệm của bài báo này, phân tích nhiệt trọng lượng là một phương pháp mô phỏng quá trình tái nung chảy không chì dưới sự bảo vệ nitơ, được sử dụng để phân tích sự bay hơi của các phân tử nhỏ và sự suy thoái của các đại phân tử của màng OSP trong quá trình tái nung chảy không chì của Màng OSP dưới lớp bảo vệ nitơ. Kết quả TGA cho thấy nhiệt độ phân hủy của phim OS P tiêu chuẩn công nghiệp là 259 ° C, trong khi của phim HTOSP là 290 ° C. Mặc dù nhiệt độ phân hủy của poly (benzimidazole-kẽm) cao tới 400 ° C, nhiệt độ phân hủy thực tế của màng HTOSP không thể đạt đến nhiệt độ cao 400 ° C do sự hiện diện của poly (benzimidazole-đồng) trong phim. Vì thành phần hóa học của màng OSP tiêu chuẩn công nghiệp là poly (benzimidazole-đồng), nhiệt độ phân hủy của màng thấp, chỉ 259 ° C. Điều thú vị là, một màng HTOSP khác có hai nhiệt độ xuống cấp, lần lượt là 256 ° C và 356 ° C. Nguyên nhân là do màng OSP này có thể chứa sắt [6], hoặc do poly (phenylimidazole-iron) bị phân hủy dần dần. Kết quả TGA do F. Jian và các đồng nghiệp của ông thu được cho thấy poly (imidazole-iron) cũng có hai nhiệt độ phân huỷ, lần lượt là 216 ° C và 378 ° C.

3. Quang phổ quang điện tử
Quang phổ quang điện tử sử dụng các phương pháp phân tích quang điện tử và phân tán năng lượng của quang điện tử phát ra để nghiên cứu thành phần và trạng thái điện tử của bề mặt mẫu. Các điểm năng lượng liên kết của oxy (1s), đồng (2p) và kẽm (2p) được hiển thị trong phổ XPS lần lượt là 532-534eV, 932-934eV và 1022eV. Kỹ thuật này có thể phân tích định lượng thành phần bề mặt của 10 nm bên ngoài của mẫu. Theo phân tích, màng HTOSP chứa 5,02% oxy và 0,24% kẽm trước khi xử lý tái tạo không chứa chì. Sau năm lần nung chảy không chì, hàm lượng oxy và kẽm trong màng HTOSP lần lượt là 6,2% và 0,22%. Sau 5 lần nung không chì, hàm lượng đồng tăng từ 0,60% lên 1,73%. Lý do cho sự gia tăng của các ion đồng có thể là do các ion đồng ở lớp dưới di chuyển lên lớp bề mặt trong quá trình nung chảy lại. E.K. Changetc [8] cũng thực hiện phân tích bề mặt tiêu chuẩn công nghiệp của màng OSP bằng cách sử dụng quang phổ quang điện tử. Trước bất kỳ xử lý hồi lưu nào, hàm lượng oxy là 5,0%, và sau đó hàm lượng oxy tăng lên 9,1% và 11,0% sau khi 1 và 3 SnPb thông thường được làm lại trong không khí, tương ứng. Nó cũng được báo cáo rằng hàm lượng oxy của SnPb tăng lên 6,5% sau khi bảo vệ nitơ và tái tạo. Trong thí nghiệm này, quang phổ quang điện tử cho thấy rằng hàm lượng oxy của phim OSP tiêu chuẩn công nghiệp tăng lên 12,5% sau 5 lần cuộn lại không chì. Do đó, trước và sau 5 lần nung lại không chì, hàm lượng ôxy tăng 7,5%, lớn hơn mức tăng 1,2% hàm lượng ôxy của màng HTOSP. Hiệu suất hàn của đồng phụ thuộc phần lớn vào mức độ ôxy hóa đồng và cường độ của từ thông được sử dụng. Do đó, hàm lượng oxy được đo bằng XPS là một chỉ số tốt về khả năng chịu nhiệt của màng OSP. So với màng OSP tiêu chuẩn công nghiệp, HTOSP có khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Sau 5 lần nung lại không chứa chì, kiểm tra độ đổi màu cho thấy màng HTOSP về cơ bản không bị đổi màu, trong khi màng OSP tiêu chuẩn công nghiệp có sự đổi màu rõ ràng. Kết quả kiểm tra độ đổi màu phù hợp với kết quả phân tích XPS.

4. Kiểm tra khả năng hòa tan
Các thử nghiệm cân bằng thiếc làm ướt cho thấy rằng sau nhiều lần đúc lại không có chì, khả năng hàn qua lỗ của màng HTOSP cao hơn so với màng 0 S P tiêu chuẩn công nghiệp hiện tại. Điều này phù hợp với khả năng chịu nhiệt của màng HTOSP. Với sự gia tăng của thời gian nung chảy không chì, T. (timetozero) sẽ tăng dần, nhưng lực làm ướt thiếc sẽ giảm dần. Tuy nhiên, màng HTOSP vẫn duy trì khả năng hàn tuyệt vời của nó sau 7 chu kỳ tái nung chảy không chì. Thử nghiệm lực cắt cho thấy lực cắt tăng dần và đạt đến điểm là 25N. Vì lực cắt phụ thuộc vào tiết diện của lực cắt, kết quả sẽ khác nhau tùy thuộc vào hình dạng của viên bi hàn và khoảng cách giữa lực cắt và miếng đệm. Các tác giả của bài báo này tin rằng lực cắt không bị giới hạn bởi độ dày của màng OSP miễn là bề mặt đồng được bảo vệ thích hợp để chống lại quá trình oxy hóa đồng.

Tóm lại là
1. Độ bay hơi Alkylbenzimidazole-HT đối với màng HTOSP so với các màng OSP khác được thử nghiệm.
2. Nhiệt độ phân hủy của màng HTOSP so với các màng OSP khác được thử nghiệm.
3. Sau 5 lần nung lại không chì, hàm lượng oxy của màng HTOSP chỉ tăng 1%, trong khi của màng OSP tiêu chuẩn công nghiệp tăng 7,5%. Đồng thời, màng HTOSP về cơ bản không bị đổi màu.
4. Do khả năng chịu nhiệt tuyệt vời của màng HTOSP, sau hơn 3 lần nung chảy lại không chứa chì, nó vẫn cung cấp khả năng hàn tuyệt vời trong thử nghiệm xuyên lỗ và thử nghiệm cân bằng nhúng thiếc.
5. Màng HTOSP có thể cung cấp các mối hàn có độ tin cậy cao, thử nghiệm cắt có thể chứng minh độ tin cậy này trên bảng mạch PCB.