摘要：為了滿足電子工業(yè)對于禁用鉛的迫切要求，印刷電路板（PCB）工業(yè)正將最后表面處理從熱風(fēng)整平的噴錫（錫鉛共晶）轉(zhuǎn)移到其他表面處理，其中包括有機(jī)保護(hù)膜（OSP）、沉銀、沉錫以及化學(xué)鎳沉金。由于OSP膜的優(yōu)異可焊性、工藝簡單易行以及低操作成本，被認(rèn)為是最佳的選擇。
本文使用熱脫附—氣相色譜—質(zhì)譜分析法（TD-GC-MS）、熱重量分析法（TGA）以及光電子能譜分析法（XPS）分析新一代耐高溫OSP膜的相關(guān)耐熱特性。氣相色譜測試耐高溫OSP膜（HTOSP）內(nèi)影響可焊性的小分子有機(jī)成分，同時(shí)說明耐高溫OSP膜內(nèi)的烷基苯并咪唑-HT具有極小的揮發(fā)性。而TGA數(shù)據(jù)表明HTOSP膜與現(xiàn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜相比具有更高的降解溫度。XPS數(shù)據(jù)顯示耐高溫OSP經(jīng)過5次無鉛回流后，氧含量僅增加了約1％。以上改進(jìn)與工業(yè)無鉛可焊性的要求直接有關(guān)。
OSP膜用于電路板已有多年，是由于唑類化合物（azole）與過渡金屬元素發(fā)生反應(yīng)，如銅和鋅，而形成的有機(jī)金屬聚合物薄膜。許多研究都揭示金屬表面上唑類化合物的腐蝕抑制機(jī)理。G.P.Brown成功地合成了苯并咪唑和銅（ I I ） 、鋅（II）以及其他過渡金屬元素的有機(jī)金屬聚合物，并通過TGA描述了聚（苯并咪唑—鋅）優(yōu)異的耐高溫特性。G.P.Brown的TGA數(shù)據(jù)顯示聚（苯并咪唑—鋅）的降解溫度在空氣中高達(dá)400℃，在氮保護(hù)氣氛下則高達(dá)500℃，而聚（苯并咪唑—銅）的降解溫度只有250℃。最近研發(fā)的新型HTOSP膜是以聚（苯并咪唑—鋅）化學(xué)特性為基礎(chǔ)，從而具有最佳的耐熱性。
OSP膜主要由有機(jī)金屬聚合物和在沉積過程中夾帶有機(jī)小分子組成，如脂肪酸和唑類化合物。有機(jī)金屬聚合物提供必須的抗腐蝕性、銅表面粘附性和OSP的表面硬度。有機(jī)金屬聚合物的降解溫度必須高于無鉛焊料的熔點(diǎn)才能經(jīng)受
PCB抄板無鉛制程處理。否則，OSP膜會在經(jīng)過PCB抄板無鉛制程處理后降解。OSP膜的降解溫度很大程度上取決于有機(jī)金屬聚合物的耐熱性。影響銅抗氧化的另一重要因素是唑類化合物的揮發(fā)性，如苯并咪唑和苯基咪唑。OSP膜的小分子在無鉛回流過程中會蒸發(fā)，因此會影響銅的抗氧化性。可以使用氣相色譜—質(zhì)譜（GC-MS）、熱重量分析法（TGA）以及光電子能譜分析法（XPS）來科學(xué)地說明OSP的耐熱性。
實(shí)驗(yàn)
1.氣相色譜—質(zhì)譜的分析
在這些測試的銅板分別涂上：a)新型HTOSP膜；b)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜以及；c)另外一種工業(yè)用OSP膜。從銅板上刮下約0.74-0.79mg的OSP膜。這些涂好的銅板以及被刮下的樣品都沒有經(jīng)過任何回流處理。本實(shí)驗(yàn)使用H／P6890GC／MS儀器，并使用無針筒注射器。無針筒注射器可以在進(jìn)樣艙內(nèi)直接對固體樣品進(jìn)行脫附處理。無針筒注射器可以將細(xì)小玻管內(nèi)的樣品轉(zhuǎn)移到氣相色譜的進(jìn)艙內(nèi)。載氣可以不斷地將揮發(fā)性有機(jī)物帶到氣相色譜儀柱子內(nèi)進(jìn)行收集和分離。將樣品放置在緊靠柱子的頂端，從而使熱脫附有效重復(fù)。在有足夠的樣品被脫附后，氣相色譜開始工作，本實(shí)驗(yàn)使用RestekRT-1（0.25mmid×30m，膜厚為1.0μm）氣相色譜柱子。氣相色譜柱子的升溫程序：在35℃加熱2分鐘后，開始升溫至325℃，升溫速度為15℃／min。熱脫附條件為：在250℃加熱2分鐘后。質(zhì)譜檢測被分離的揮發(fā)性有機(jī)物，其質(zhì)量／電荷比范圍是10-700daltons。所有有機(jī)小分子的保留時(shí)間也被記錄下來。
2.熱重量分析法（TGA）
同樣，分別在樣板上涂上新型HTOSP膜、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜以及另一工業(yè)用OSP膜。從銅板上刮下大約17.0mg的OSP膜作為材料測試樣品。TGA測試前樣板和膜都不能經(jīng)過任何的無鉛回流處理。使用TA儀器公司的2950TA，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行TGA測試。工作溫度保持為室溫15分鐘，然后以10℃／min的速度升高到700℃。
3.光電子能譜分析法（XPS）
光電子能譜分析法（XPS）也叫化學(xué)分析電子能譜（ESCA），是一種化學(xué)表面分析方法。XPS可測量涂層表面10nm的化學(xué)成分。將HTOSP膜和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜涂在銅板上，然后經(jīng)過5次無鉛回流。用XPS分析回流處理前和后的HTOSP膜；同樣用XPS分析經(jīng)過5次無鉛回流后的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜，所使用的儀器是VGESCALABMarkII。
4.通孔可焊性測試
使用可焊性測試板（STVs）進(jìn)行通孔可焊性測試。總共有10個(gè)可焊性測試板STV陣列（每個(gè)陣列有4個(gè)STVs）涂上的膜厚約為0.35μm，其中5個(gè)STV陣列涂上HTOSP膜，另外5個(gè)STV陣列涂上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OSP膜。然后，涂膜后的STVs在焊膏回流爐內(nèi)經(jīng)過一系列高溫、無鉛回流處理。每個(gè)測試條件包括0、1、3、5或7次連續(xù)回流。每種膜要有4個(gè)STVs進(jìn)行每一種回流測試條件。在回流處理過程后，所有STVs都經(jīng)過高溫和無鉛波動(dòng)焊接的處理。通孔可焊性可通過檢驗(yàn)每個(gè)STV，計(jì)算正確填充的通孔數(shù)量來確定。通孔驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)是填充的焊料必須填充到鍍通孔的頂部或通孔的上端邊緣。
每個(gè)STV有1196個(gè)通孔
10milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads
20milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads
30milholes-Fourgrids，100holeseachgridsquareandrou ndpads
5.通過沾錫天平測試可焊性
OSP膜的可焊性也可通過沾錫天平測試來*定。在沾錫天平測試樣板上涂上HTOS P 膜， 經(jīng)7次無鉛回流后，Tpeak=262℃。使用BTUTRS結(jié)合IR／convection回流爐在空氣中進(jìn)行回流處理。按照IPC／EIAJ-STD-003A第4.3.1.4部分進(jìn)行沾錫天平測試，使用“RoboticProcessSystems”自動(dòng)化沾錫天平測試器、EF-8000助焊劑、無清潔助焊劑以及SAC305合金焊料。
6.焊接結(jié)合力測試
焊接結(jié)合力可通過測量剪切力。在BGA焊盤測試板上（直徑為0.76mm）涂上HTOSP膜，其厚度分別為0.25和0.48μm并經(jīng)過3次最高溫度為262℃的無鉛回流處理。并用匹配的焊膏焊接到焊盤上，焊球是SAC305合金（直徑為0.76mm）。用DagePC-400粘合力測試儀以200μm／see的剪切速度進(jìn)行剪切測試。
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