2012秋季国际PCB技术/信息论坛覆铜箔层压板 CCL表面处理与涂覆 Surface Treatment and CoatingOSP表面与孔内膜厚对焊接性能影响研究
Paper Code: A-024沈江华 陈黎阳 乔书晓深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司
摘 要 近年来，受无铅化RoSH指令和WEEE的影响，印制线路板的表面处理正由传统的热风整平工艺逐步转向其它无铅化表面处理。OSP（organic solderability preservatives）
因其特有的优点，在诸多无铅化表面处理中占据了一定的市场份额。对于OSP的可焊性，行业内多数只对回流次数与润湿性能变化做表征研究，鲜见有关于不同热时效下膜厚与润湿性能关系及其三者内在关系的报道。此外，对于表面膜厚与孔内膜厚的差异及其变化对焊接性能的影响也鲜见报道。本文将结合生产实际，阐述不同热时效下膜厚与润湿性能的关系，分析孔内膜厚与爬锡性能的关系，为OSP的无铅化推广提供理论依据。
关键词 有机可焊性保护剂；膜厚；可焊性
中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2012）增刊-0427-06
Research on the in? uence of solderability on surface
and inner hole ? lm thickness
SHEN Jiang-hua CHEN Li-yang QIAO Shu-xiao
Abstract By the effect of RoSH instruction and WEEE, the surface treatment process had been changed from HASL to the other lead free surface treatment process. For its advantage, OSP (organic solderability preservatives) maintained some market share. Research on the solderability, there were many reports about relationship between cycles of re? ow and wettability, few scholars concerned about the relationship among different heat effects, film thickness and wettability. In addition, there were seldom reports about the difference between surface ? lm thickness and inner hole ? lm thickness. In this paper, relationship of different heat effect, ? lm thickness and the solderability had been discussed, and the in? uence of solderability on surface and inner hole ? lm thickness also had been analyzed. The research could provide some theory support for the revolution of lead-free.Key words OSP; Film Thickness; Solderability
1 前言
OSP（organic solderability preservatives，有机保焊膜）早在三四十年前就开始兴起使用，特别是自2006年之后，由于RoSH和WEEE的影响，Pb-Sn热风整平表面处理转向其它无铅表面处理，而OSP因其自身的优点在诸多无铅表面处理中占据了一定的市场份额：（1）优越的平整度；（2）良好的润湿性能；（3）廉价的加工成本。
当然OSP工艺存在两大缺陷：（1）OSP层为有机保护膜,经过热处理后易挥发, 其厚度和润湿性能均有所变化。（2）插件孔的爬锡能力一直较差，且目前多种药水均无力改善此状，爬锡性能与孔内膜厚的关系业界鲜少
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覆铜箔层压板 CCL表面处理与涂覆 Surface Treatment and Coating2012秋季国际PCB技术/信息论坛报道。
本文将结合生产实际对这两方面分别进行探讨，考察表面及孔内膜厚对于焊接性能的影响，为行业内OSP表面处理无铅化推广提供参考。
2 表面膜厚对可焊性的影响研究
2.1 膜厚与润湿力的关系
实验目的：考察OSP膜厚对润湿性能的影响
实验方法：通过调节成膜条件制成不同膜厚的样品，完成OSP膜后在润湿天平进行润湿力测试。（1）实验样品：
调节OSP成膜参数：线速度、pH值、温度等获得三种不同膜厚，润湿天平测试润湿力。膜厚设计水平如下：
表1 膜厚设计水平
（2）结果分析：
表2 膜厚与润湿力测试结果
从实验结果看，三种膜厚水平的润湿力均保持在一个很高的水平，润湿性能很好，因此不做热处理，膜厚对润湿力无影响。
（3）实验结论：不做热处理，膜厚对润湿力无影响。
2.2 热时效、膜厚与润湿力的关系
实验目的：考察热时效对膜厚的影响及热时效对润湿性能的影响情况
实验方法：取2.1制得的其中1种样品分别进行无铅回流焊1/2次处理，无铅回流曲线为国内某知名企业要求的指定曲线。样品经过热处理后进行润湿力测试，并在扫描电镜下观察表观形貌。
（1）实验条件：
表3 热时效与膜厚、润湿力的关系实验条件
（2）实验结果和分析：
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2012秋季国际PCB技术/信息论坛表4 热时效实验测试结果
覆铜箔层压板 CCL表面处理与涂覆 Surface Treatment and Coating从测试结果看，经过高温处理对OSP膜厚及润湿性能有明显影响。回流焊1次后膜厚明显下降，增加回流次数，膜厚变化不明显；经过一次无铅回流后，润湿力严重下降，且润湿力随着回流次数的增加而减小。
实验小结：
①无铅回流条件对膜厚影响很大，经过回流焊后膜厚下降明显但再增加次数膜厚变化不大；②无铅回流条件对润湿性能影响显著，随着回流次数增加润湿性能明显下降。（3）微观结构
将3组样品进一步进行SEM表面微观结构观察，从测试结果看，经过回流焊处理后OSP膜出现空隙、裂缝，OSP膜本身很薄，出现这种空洞、裂缝，底铜很容易被氧化，这也是润湿力下降的主要原因。
图1 1#样品SEM 图2 2#样品SEM
图3 3#样品SEM
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覆铜箔层压板 CCL表面处理与涂覆 Surface Treatment and Coating2012秋季国际PCB技术/信息论坛（4）元素确认
将三组样品进行EDS测试，从机理上解释膜厚下降的原因，
测试结果如表5所示，OSP膜为咪唑类有机衍生物[1][2]，主要元素为C元素，2#样经过一次回流焊之后C元素明显下降，可认为OSP膜中有机化合物分解挥发导致。3#样为经过两次回流处理，C元素较2#样变化不大，这与膜厚测试结果相一致。对比三组样品的O元素和Cu元素含量发现，经过回流焊之后，两者含量均有增加，也即氧化铜含量增加，说明导致润湿力下降的原因为底铜发生氧化，可焊性下降，而导致底铜氧化的原因为OSP膜裂解挥发起不到保护作用。
表5 元素含量测试结果
（5）实验总结
①无铅回流对膜厚和润湿力均有很大的影响，膜厚经过回流1次之后变化不大，润湿力随回流次数增加而下降； ②导致膜厚变化的原因是OSP膜中有机物的裂解挥发，而润湿力也随着OSP膜出现空隙、裂缝而下降。
3 孔内膜厚对爬锡性能的影响研究
OSP孔内膜厚的获得：笔者专门设计一个测试模块，以用于此次专项研究。即设计不同孔径阵列，将其孔环宽度设计为近乎零孔环。再采用与表面膜厚同样方式，用溶解法，溶解出孔内膜厚进行测量，进而考察孔内膜情况。
3.1 孔内膜厚与爬锡性能关系
实验目的：考察孔内膜厚对爬锡性能的影响。
实验方法：设计两种不同的孔内膜厚水平，经过波峰焊后通过爬锡高度考察孔内膜厚与爬锡性能的关系。（1）实验设计
表6 孔内膜厚与爬锡性能实验设计
（2）结果分析
备注：本实验在同等的严格条件下进行，其爬锡高度仅作单向对比。
从实验结果看，孔内膜厚对于OSP板的爬锡能力有显著的影响。在经过1次或2次回流焊后，孔内膜厚大的孔，其爬锡高度明显高于薄膜水平的孔，所以适当增加孔内膜厚对爬锡性能有很大的改善。
由于孔内膜检测不易，下面我们考察孔内膜与表面膜厚的关系，以期获得两者关系，为孔内膜的控制提供依据。
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