Prestanda och karaktärisering av OSP-film i den blyfria processen av PCB Copy Board

OSP (Organic Solderable Protective Film) anses vara den bästa ytbehandlingsprocessen på grund av sin utmärkta lödbarhet, enkla process och låga kostnad.

I denna artikel används termisk desorption-gaskromatografi-masspektrometri (TD-GC-MS), termogravimetrisk analys (TGA) och fotoelektronspektroskopi (XPS) för att analysera värmebeständighetsegenskaperna hos en ny generation av högtemperaturbeständiga OSP-filmer. Gaskromatografi testar de små molekylära organiska komponenterna i den högtemperaturbeständiga OSP-filmen (HTOSP) som påverkar lödbarheten. Samtidigt visar det att alkylbensimidazol-HT i den högtemperaturbeständiga OSP-filmen har mycket liten flyktighet. TGA-data visar att HTOSP-filmen har en högre nedbrytningstemperatur än den nuvarande industristandarden OSP-filmen. XPS-data visar att efter 5 blyfria återflöden av högtemperatur-OSP ökade syrehalten endast med cirka 1 %. Ovanstående förbättringar är direkt relaterade till kraven på industriell blyfri lödbarhet.

OSP-film har använts i kretskort i många år. Det är en organometallisk polymerfilm som bildas genom reaktionen av azolföreningar med övergångsmetallelement, såsom koppar och zink. Många studier [1,2,3] har avslöjat korrosionsinhiberingsmekanismen för azolföreningar på metallytor. GPBrown [3] syntetiserade framgångsrikt bensimidazol, koppar (II), zink (II) och andra övergångsmetallelement i organometalliska polymerer, och beskrev den utmärkta högtemperaturbeständigheten hos poly(bensimidazol-zink) genom TGA-egenskaper. GPBrowns TGA-data visar att nedbrytningstemperaturen för poly(bensimidazol-zink) är så hög som 400°C i luften och 500°C i en kväveatmosfär, medan nedbrytningstemperaturen för poly(bensimidazol-koppar) endast är 250°C . Den nyligen utvecklade nya HTOSP-filmen är baserad på de kemiska egenskaperna hos poly(bensimidazol-zink), som har den bästa värmebeständigheten.

OSP-film består huvudsakligen av metallorganiska polymerer och små organiska molekyler som medbringas under avsättningsprocessen, såsom fettsyror och azolföreningar. Organometalliska polymerer ger den nödvändiga korrosionsbeständigheten, kopparytvidhäftningen och ythårdheten hos OSP. Nedbrytningstemperaturen för den organometalliska polymeren måste vara högre än smältpunkten för det blyfria lodet för att motstå den blyfria processen. Annars kommer OSP-filmen att försämras efter att ha bearbetats med en blyfri process. Nedbrytningstemperaturen för OSP-filmen beror till stor del på värmebeständigheten hos den organometalliska polymeren. En annan viktig faktor som påverkar oxidationsbeständigheten hos koppar är flyktigheten hos azolföreningar, såsom bensimidazol och fenylimidazol. De små molekylerna i OSP-filmen kommer att avdunsta under den blyfria återflödesprocessen, vilket kommer att påverka oxidationsbeständigheten hos koppar. Gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS), termogravimetrisk analys (TGA) och fotoelektronspektroskopi (XPS) kan användas för att vetenskapligt förklara värmebeständigheten hos OSP.

1. Gaskromatografi-masspektrometrianalys

De testade kopparplattorna belades med: a) en ny HTOSP-film; b) en OSP-film av industristandard; och c) en annan industriell OSP-film. Skrapa ca 0.74-0.79 mg OSP-film från kopparplattan. Dessa belagda kopparplattor och de skrapade proverna har inte genomgått någon återflödesbehandling. Detta experiment använder H/P6890GC/MS-instrument och använder spruta utan spruta. Sprutfria sprutor kan direkt desorbera fasta prover i provkammaren. Sprutan utan spruta kan överföra provet i det lilla glasröret till inloppet på gaskromatografen. Bärargasen kan kontinuerligt föra de flyktiga organiska föreningarna till gaskromatografkolonnen för uppsamling och separation. Placera provet nära toppen av kolonnen så att termisk desorption effektivt kan upprepas. Efter att tillräckligt många prover desorberats började gaskromatografin att fungera. I detta experiment användes en RestekRT-1 (0.25 mmmid × 30 m, filmtjocklek 1.0 μm) gaskromatografikolonn. Temperaturhöjningsprogrammet för gaskromatografikolonnen: Efter uppvärmning vid 35°C i 2 minuter börjar temperaturen att stiga till 325°C och uppvärmningshastigheten är 15°C/min. De termiska desorptionsförhållandena är: efter upphettning vid 250°C i 2 minuter. Mass/laddningsförhållandet för de separerade flyktiga organiska föreningarna detekteras med masspektrometri i intervallet 10-700 dalton. Retentionstiden för alla små organiska molekyler registreras också.

2. Termogravimetrisk analys (TGA)

På liknande sätt belades en ny HTOSP-film, en industristandard OSP-film och en annan industriell OSP-film på proverna. Ungefär 17.0 mg OSP-film skrapades från kopparplattan som ett materialtestprov. Före TGA-testet kan varken provet eller filmen genomgå någon blyfri återflödesbehandling. Använd TA Instruments 2950TA för att utföra TGA-test under kväveskydd. Arbetstemperaturen hölls vid rumstemperatur under 15 minuter och ökades sedan till 700°C med en hastighet av 10°C/min.

3. Fotoelektronspektroskopi (XPS)

Fotoelektronspektroskopi (XPS), även känd som Chemical Analysis Electron Spectroscopy (ESCA), är en kemisk ytanalysmetod. XPS kan mäta den 10 nm kemiska sammansättningen av beläggningsytan. Belägg HTOSP-filmen och industristandard OSP-filmen på kopparplattan och gå sedan igenom 5 blyfria reflows. XPS användes för att analysera HTOSP-filmen före och efter återflödesbehandlingen. OSP-filmen av industristandard efter 5 blyfria återflöden analyserades också av XPS. Instrumentet som användes var VGESCALABMarkII.

4. Lödbarhetstest genomgående hål

Använda lödbarhetstestkort (STV) för genomgående lödbarhetstestning. Det finns totalt 10 STV-arrayer för lödbarhetstestkort (varje array har 4 STV) belagda med en filmtjocklek på cirka 0.35 μm, varav 5 STV-arrayer är belagda med HTOSP-film och de andra 5 STV-arrayerna är belagda med industristandard OSP film. Sedan genomgår de belagda STV:erna en serie blyfria högtemperaturbehandlingar i återflödesugnen för lödpasta. Varje testvillkor inkluderar 0, 1, 3, 5 eller 7 på varandra följande återflöden. Det finns 4 STV för varje typ av film för varje återflödestesttillstånd. Efter återflödesprocessen bearbetas alla STV:er för hög temperatur och blyfri våglödning. Genomgående lödbarhet kan bestämmas genom att inspektera varje STV och beräkna antalet korrekt fyllda genomgående hål. Acceptanskriteriet för genomgående hål är att det fyllda lodet måste fyllas till toppen av det pläterade genomgående hålet eller den övre kanten av det genomgående hålet.