PCB抄板无铅制程中OSP薄膜的性能与表征

OSP薄膜在无铅工艺中的性能和表征 PCB 复印板

OSP(Organic Solderable Protective Film)因其优良的可焊性、工艺简单、成本低而被认为是最好的表面处理工艺。

本文采用热解吸-气相色谱-质谱(TD-GC-MS)、热重分析(TGA)和光电子能谱(XPS)对新一代耐高温OSP薄膜的耐热特性进行分析。 气相色谱法测试耐高温 OSP 薄膜 (HTOSP) 中影响可焊性的小分子有机成分。 同时说明耐高温OSP薄膜中的烷基苯并咪唑-HT挥发性很小。 TGA 数据表明,HTOSP 薄膜比当前行业标准的 OSP 薄膜具有更高的降解温度。 XPS数据显示,高温OSP无铅回流5次后,氧含量仅增加1%左右。 上述改进直接关系到工业无铅可焊性的要求。

印刷电路板

OSP 薄膜已用于电路板多年。 它是由唑类化合物与铜、锌等过渡金属元素反应形成的有机金属聚合物薄膜。 许多研究 [1,2,3] 揭示了唑类化合物对金属表面的腐蚀抑制机制。 GPBrown[3]成功合成了苯并咪唑、铜(II)、锌(II)等过渡金属元素的有机金属聚合物,并通过TGA特性描述了聚苯并咪唑-锌优异的耐高温性能。 GPBrown的TGA数据显示,聚苯并咪唑-锌在空气中的降解温度高达400°C,在氮气气氛中为500°C,而聚(苯并咪唑-铜)的降解温度仅为250°C . 最近开发的新型 HTOSP 薄膜是基于聚(苯并咪唑-锌)的化学特性,具有最佳的耐热性。

OSP薄膜主要由有机金属聚合物和沉积过程中夹带的有机小分子组成,如脂肪酸和唑类化合物。 有机金属聚合物提供 OSP 所需的耐腐蚀性、铜表面附着力和表面硬度。 有机金属聚合物的降解温度必须高于无铅焊料的熔点才能承受无铅工艺。 否则,OSP 薄膜在经过无铅工艺处理后会退化。 OSP 膜的降解温度很大程度上取决于有机金属聚合物的耐热性。 影响铜抗氧化性的另一个重要因素是唑类化合物的挥发性,如苯并咪唑和苯基咪唑。 OSP膜的小分子在无铅回流过程中会蒸发,影响铜的抗氧化性。 气相色谱-质谱(GC-MS)、热重分析(TGA)和光电子能谱(XPS)可以科学地解释OSP的耐热性。

1. 气相色谱-质谱分析

测试的铜板涂有: a) 新的 HTOSP 薄膜; b) 行业标准 OSP 薄膜; c) 另一种工业 OSP 薄膜。 从铜板上刮下大约 0.74-0.79 毫克的 OSP 薄膜。 这些涂层铜板和刮削的样品没有经过任何回流处理。 本实验使用H/P6890GC/MS仪器,使用不带注射器的注射器。 无注射器注射器可以直接在样品室中解吸固体样品。 没有注射器的注射器可以将小玻璃管中的样品转移到气相色谱仪的入口。 载气可以不断地将挥发性有机化合物带到气相色谱柱进行收集和分离。 将样品靠近色谱柱顶部放置,以便可以有效地重复热解吸。 在解吸足够的样品后,气相色谱开始工作。 本实验使用RestekRT-1(0.25mmid×30m,膜厚1.0μm)气相色谱柱。 气相色谱柱升温程序:35℃加热2分钟后,开始升温至325℃,升温速率15℃/min。 热脱附条件为:250℃加热2分钟后。 被分离的挥发性有机化合物的质荷比在 10-700 道尔顿范围内通过质谱检测。 还记录了所有小有机分子的保留时间。

2. 热重分析 (TGA)

类似地,在样品上涂覆了一种新的 HTOSP 膜、一种工业标准 OSP 膜和另一种工业 OSP 膜。 从作为材料测试样品的铜板上刮下大约17.0mg OSP膜。 在 TGA 测试之前,样品和薄膜都不能进行任何无铅回流处理。 使用 TA Instruments 的 2950TA 进行氮气保护下的 TGA 测试。 工作温度在室温下保持15分钟,然后以700℃/分钟的速率升至10℃。

3. 光电子能谱 (XPS)

光电子能谱(XPS)又称化学分析电子能谱(ESCA),是一种化学表面分析方法。 XPS 可以测量涂层表面的 10nm 化学成分。 在铜板上涂上HTOSP膜和行业标准OSP膜,然后经过5次无铅回流。 XPS 用于分析回流处理前后的 HTOSP 薄膜。 XPS 还分析了 5 次无铅回流后的行业标准 OSP 薄膜。 使用的仪器是 VGESCALABMarkII。

4. 通孔可焊性测试

使用可焊性测试板 (STV) 进行通孔可焊性测试。 可焊性测试板STV阵列共有10个(每个阵列有4个STV),涂膜厚度约为0.35μm,其中5个STV阵列涂有HTOSP膜,另外5个STV阵列涂有行业标准OSP 膜。 然后,带涂层的 STV 在焊膏回流炉中进行一系列高温、无铅回流处理。 每个测试条件包括 0、1、3、5 或 7 次连续回流。 对于每个回流测试条件,每种类型的薄膜有 4 个 STV。 回流焊工艺后,所有 STV 均经过高温无铅波峰焊处理。 通孔可焊性可以通过检查每个 STV 并计算正确填充通孔的数量来确定。 通孔的验收标准是填充的焊料必须填充到镀通孔的顶部或通孔的上边缘。