ประสิทธิภาพและลักษณะของฟิล์ม OSP ในกระบวนการไร้สารตะกั่วของ PCB คัดลอกบอร์ด

OSP (Organic Solderable Protective Film) ถือเป็นกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวที่ดีที่สุด เนื่องจากมีความสามารถในการบัดกรีที่ยอดเยี่ยม กระบวนการที่เรียบง่าย และต้นทุนต่ำ

ในบทความนี้ การวิเคราะห์ด้วยความร้อนจากการสลายตัว-แก๊สโครมาโตกราฟี-แมสสเปกโตรเมตรี (TD-GC-MS), การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักด้วยความร้อน (TGA) และโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรสโคปี (XPS) ใช้ในการวิเคราะห์ลักษณะการต้านทานความร้อนของฟิล์ม OSP ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงรุ่นใหม่ แก๊สโครมาโตกราฟีจะทดสอบส่วนประกอบอินทรีย์ระดับโมเลกุลขนาดเล็กในฟิล์ม OSP ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง (HTOSP) ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการบัดกรี ในขณะเดียวกัน ก็แสดงให้เห็นว่า alkylbenzimidazole-HT ในฟิล์ม OSP ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงมีความผันผวนน้อยมาก ข้อมูล TGA แสดงให้เห็นว่าฟิล์ม HTOSP มีอุณหภูมิการเสื่อมสภาพที่สูงกว่าฟิล์ม OSP มาตรฐานอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ข้อมูล XPS แสดงให้เห็นว่าหลังจากรีโฟลว์ OSP อุณหภูมิสูงที่ปราศจากสารตะกั่ว 5 ครั้ง ปริมาณออกซิเจนก็เพิ่มขึ้นเพียง 1% เท่านั้น การปรับปรุงข้างต้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับข้อกำหนดของความสามารถในการบัดกรีไร้สารตะกั่วในอุตสาหกรรม

ฟิล์ม OSP ถูกใช้ในแผงวงจรมาหลายปีแล้ว เป็นฟิล์มโพลีเมอร์ออร์กาโนเมทัลลิกที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของสารประกอบอะโซลกับธาตุโลหะทรานซิชัน เช่น ทองแดงและสังกะสี การศึกษาจำนวนมาก [1,2,3] เผยให้เห็นกลไกการยับยั้งการกัดกร่อนของสารประกอบอะโซลบนพื้นผิวโลหะ GPBrown [3] ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์เบนซิมิดาโซล ทองแดง (II) สังกะสี (II) และองค์ประกอบโลหะทรานสิชันอื่นๆ ของพอลิเมอร์ออร์กาโนเมทัลลิก และอธิบายการต้านทานอุณหภูมิสูงที่ยอดเยี่ยมของโพลี (เบนซิมิดาโซล-สังกะสี) ผ่านคุณลักษณะ TGA ข้อมูล TGA ของ GPBrown แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิการย่อยสลายของโพลี (benzimidazole-zinc) สูงถึง 400 °C ในอากาศและ 500 °C ในบรรยากาศไนโตรเจนในขณะที่อุณหภูมิการสลายตัวของ poly (benzimidazole-copper) เพียง 250 ° C . ฟิล์ม HTOSP ใหม่ที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ใช้คุณสมบัติทางเคมีของโพลี (benzimidazole-zinc) ซึ่งทนความร้อนได้ดีที่สุด

ฟิล์ม OSP ส่วนใหญ่ประกอบด้วยพอลิเมอร์ออร์กาโนเมทัลลิกและโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็กที่กักขังระหว่างกระบวนการสะสม เช่น กรดไขมันและสารประกอบอะโซล โพลีเมอร์ออร์กาโนเมทัลลิกให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่จำเป็น การยึดเกาะพื้นผิวทองแดง และความแข็งผิวของ OSP อุณหภูมิการสลายตัวของพอลิเมอร์ออร์กาโนเมทัลลิกต้องสูงกว่าจุดหลอมเหลวของบัดกรีไร้สารตะกั่วเพื่อให้ทนต่อกระบวนการไร้สารตะกั่ว มิฉะนั้น ฟิล์ม OSP จะเสื่อมสภาพหลังจากผ่านกระบวนการไร้สารตะกั่ว อุณหภูมิการเสื่อมสภาพของฟิล์ม OSP นั้นขึ้นอยู่กับความต้านทานความร้อนของพอลิเมอร์ออร์กาโนเมทัลลิกเป็นส่วนใหญ่ ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ส่งผลต่อความต้านทานการเกิดออกซิเดชันของทองแดงคือความผันผวนของสารประกอบอะโซล เช่น เบนซิมิดาโซลและฟีนิลิมิดาโซล โมเลกุลขนาดเล็กของฟิล์ม OSP จะระเหยในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์แบบไร้สารตะกั่ว ซึ่งจะส่งผลต่อความต้านทานการเกิดออกซิเดชันของทองแดง สามารถใช้ Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), thermogravimetric analysis (TGA) และ photoelectron spectroscopy (XPS) เพื่ออธิบายทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความต้านทานความร้อนของ OSP

1. การวิเคราะห์แก๊สโครมาโตกราฟี-แมสสเปกโตรเมทรี

แผ่นทองแดงที่ทดสอบถูกเคลือบด้วย: ก) ฟิล์ม HTOSP ใหม่; b) ฟิล์ม OSP มาตรฐานอุตสาหกรรม และ c) ฟิล์ม OSP อุตสาหกรรมอื่น ขูดฟิล์ม OSP ประมาณ 0.74-0.79 มก. จากแผ่นทองแดง แผ่นทองแดงเคลือบเหล่านี้และตัวอย่างที่คัดลอกมานั้นไม่ได้ผ่านการบำบัดแบบรีโฟลว์ใดๆ การทดลองนี้ใช้เครื่องมือ H/P6890GC/MS และใช้หลอดฉีดยาที่ไม่มีเข็มฉีดยา กระบอกฉีดยาที่ปราศจากเข็มฉีดยาสามารถดูดซับตัวอย่างที่เป็นของแข็งในห้องเก็บตัวอย่างได้โดยตรง กระบอกฉีดยาที่ไม่มีเข็มฉีดยาสามารถถ่ายโอนตัวอย่างในหลอดแก้วขนาดเล็กไปยังทางเข้าของแก๊สโครมาโตกราฟี ก๊าซพาหะนำสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายไปยังคอลัมน์แก๊สโครมาโตกราฟีอย่างต่อเนื่องเพื่อรวบรวมและแยก วางตัวอย่างไว้ใกล้กับส่วนบนของคอลัมน์เพื่อให้สามารถทำซ้ำการคายความร้อนจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลังจากดูดซับตัวอย่างเพียงพอแล้ว แก๊สโครมาโตกราฟีก็เริ่มทำงาน ในการทดลองนี้ ใช้คอลัมน์แก๊สโครมาโตกราฟีแบบ RestekRT-1 (0.25 มม. × 30 ม. ความหนาของฟิล์ม 1.0µm) โปรแกรมเพิ่มอุณหภูมิของคอลัมน์แก๊สโครมาโตกราฟี: หลังจากให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 35°C เป็นเวลา 2 นาที อุณหภูมิจะเริ่มสูงขึ้นเป็น 325°C และอัตราการให้ความร้อนคือ 15°C/นาที สภาวะการคายความร้อนคือ: หลังจากให้ความร้อนที่ 250°C เป็นเวลา 2 นาที อัตราส่วนมวล/ประจุของสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายที่แยกจากกันนั้นตรวจพบโดยแมสสเปกโตรเมทรีในช่วง 10-700 ดาลตัน เวลาการกักเก็บของโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็กทั้งหมดจะถูกบันทึกไว้ด้วย

2. การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักของน้ำหนักตัว (TGA)

ในทำนองเดียวกัน ฟิล์ม HTOSP ใหม่ ฟิล์ม OSP มาตรฐานอุตสาหกรรม และฟิล์ม OSP อุตสาหกรรมอื่นๆ ถูกเคลือบบนตัวอย่าง ฟิล์ม OSP ประมาณ 17.0 มก. ถูกขูดจากแผ่นทองแดงเป็นตัวอย่างทดสอบวัสดุ ก่อนการทดสอบ TGA ทั้งตัวอย่างและฟิล์มไม่สามารถผ่านการบำบัดรีโฟลว์ที่ปราศจากสารตะกั่วได้ ใช้ 2950TA ของ TA Instruments เพื่อทำการทดสอบ TGA ภายใต้การป้องกันไนโตรเจน อุณหภูมิในการทำงานถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 15 นาที และจากนั้นเพิ่มขึ้นเป็น 700 องศาเซลเซียสที่อัตรา 10°C/นาที

3. โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (XPS)

Photoelectron Spectroscopy (XPS) หรือที่รู้จักในชื่อ Chemical Analysis Electron Spectroscopy (ESCA) เป็นวิธีวิเคราะห์พื้นผิวทางเคมี XPS สามารถวัดองค์ประกอบทางเคมี 10nm ของพื้นผิวเคลือบได้ เคลือบฟิล์ม HTOSP และฟิล์ม OSP มาตรฐานอุตสาหกรรมบนแผ่นทองแดง จากนั้นผ่านการรีโฟลว์ไร้สารตะกั่ว 5 ครั้ง XPS ถูกใช้เพื่อวิเคราะห์ฟิล์ม HTOSP ก่อนและหลังการบำบัดรีโฟลว์ XPS ฟิล์ม OSP มาตรฐานอุตสาหกรรมหลังรีโฟลว์ไร้สารตะกั่ว 5 รายการได้รับการวิเคราะห์ด้วย เครื่องมือที่ใช้คือ VGESCALABMarkII

4. ผ่านการทดสอบความสามารถในการบัดกรีในรู

การใช้บอร์ดทดสอบความสามารถในการบัดกรี (STV) สำหรับการทดสอบความสามารถในการบัดกรีผ่านรู มีอาร์เรย์ STV ของบอร์ดทดสอบความสามารถในการบัดกรีทั้งหมด 10 ชุด (แต่ละอาร์เรย์มี 4 STV) เคลือบด้วยฟิล์มหนาประมาณ 0.35μm โดยอาร์เรย์ STV 5 ชุดเคลือบด้วยฟิล์ม HTOSP และอาร์เรย์ STV อีก 5 ชุดเคลือบด้วยมาตรฐานอุตสาหกรรม ฟิล์ม OSP จากนั้น STV ที่เคลือบแล้วจะผ่านการบำบัดแบบรีโฟลว์ที่อุณหภูมิสูงและไร้สารตะกั่วในเตาอบบัดกรีแบบรีโฟลว์ เงื่อนไขการทดสอบแต่ละรายการประกอบด้วยการรีโฟลว์ 0, 1, 3, 5 หรือ 7 ครั้งติดต่อกัน มี 4 STV สำหรับฟิล์มแต่ละประเภทสำหรับเงื่อนไขการทดสอบการรีโฟลว์แต่ละแบบ หลังจากกระบวนการรีโฟลว์ STV ทั้งหมดจะได้รับการประมวลผลสำหรับอุณหภูมิสูงและการบัดกรีด้วยคลื่นไร้สารตะกั่ว ความสามารถในการบัดกรีในรูทะลุสามารถกำหนดได้โดยการตรวจสอบ STV แต่ละตัวและคำนวณจำนวนรูทะลุที่เติมอย่างถูกต้อง เกณฑ์การยอมรับสำหรับรูทะลุคือต้องเติมสารบัดกรีที่เติมไปที่ด้านบนของรูทะลุผ่านหรือขอบด้านบนของรูทะลุ