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选择性OSP中异色问题的研究和改善印制电路信息2012No.2表面涂覆SurfaceFinish选择性OSP中异色问题的研究和改善陈世金(博敏电子股份有限公司,广东梅州514017)摘要主要针对选择性0sP中出现异色(如发黑,发红和色差等)问题的表观现象和进行原因分析,并对此问题的解决提出一些改善措施.关键词选择-性有机可焊-l生保护剂;异色;解决方法中图分类号:TN41文献标识码:A文章编号:10090096(2012)02-005905Theresearchandimprovement0fdifferencecolordefectforselectiveoSPboardCHENShi-jinAbstractThearticlemainlyanalyzedthedifferentcolordefect(suchasblack,redandoffcolor,etc.)phenomenonandcauses,andbroughtoutthesolutionandimprovementmethods.KeyWOrdsSelectiveOSP;Differentcolor;Solution1日IJ罱根据Prismark预测,2011年全球PCB产值增速将达7.0%,达到546亿美元.2011年-2015年期间,全球PCB将保持6.5%的速度稳定增长,在2015年整体规模将有望达到698亿美元.近年来PCB产业的发展主要得益于电信设备,智能手机和数码产品等产业市场的火爆,广泛应用于手机终端线路板的OSP(有机可焊性保护剂,俗称防氧化剂)产品市场也随之大幅增长.选择性OSP防氧化工艺应用于铜/金混载板已经超过了10年的历史,因其具有防氧化,耐热冲击,耐湿性和成本低廉等优点,已备受业界的青睐.近年来,唑类OSP药水已经历了几代的产品升级,特别是第五代APA为芳基苯基咪唑.它不仅厚度有0.2gtm0.3pm,且OSP膜裂解温度高达354.7,可耐3次无铅焊接(峰值为260),此外,它还能兼容于各种免洗助焊剂,完全不沾金面,而且因为.59.膜厚较薄,更易通过电测.所以,随着PCB高密度化和无铅焊接技术的进步与发展,选择性OSP必将成为能应用于”无铅化”焊接表面涂覆(镀)层五大类型(即无铅热风整平,化学镀镍/浸金,化学镀锡,化学镀银和有机可焊性保护剂)的首选,并且OSP必然要取代HASL(热风焊料整平),未来的PCB表面涂(镀)覆层,将主要是OSP的世界.其实,这一点林金堵教授早在2008年10月14日的OSP表面技术研讨会中发表题为有机可焊性保护剂的现状与未来演讲就已经指出来了.由于手机终端产品等特点和铜/金混载板的特殊结构,出现在生产过程中的铜面外观问题和贾凡尼效应等对产品质量产生了一定的影响.其表现出来的外观问题最常见的就是异色(包括铜面发红,发黑,色差等,文中后面均同),文章主要针对选择性OSP工艺中出现的异色问题进行分析,探讨改善此问题的一些方法.表面涂覆SurfaceFinish印制电路信息2012No.22选择性0SP工艺中异色问题的表现近年来随着PCB向”短,小,轻,薄”的方向发展,手机等终端产品BGA(球栅阵列)区域的间距和连接盘设计是越来越小了,因此对我们的OSP药水和工艺控制提出了更高的要求.由于连接盘的变小使之与药水的”接触”和处理变得越来越困难,尤其是大铜面开窗的连接盘,本身存在一定的高度落差,加上表面的张力影响,使得这类连接盘极易出现异色问题.下面就来介绍几种最常见的异色现象:2.1pad发红,发黑等选择性OSP工艺过程中一般有除油,微蚀,预浸(或酸洗)等前处理,这些前处理效果直接决定了后面OSP的外观效果.就拿微蚀药水来说,其药水体系和微蚀方式的不同就会产生不同的微蚀效果,而微蚀效果的好坏也就决定了OSP的最终效果,当然最主要的是通过外观颜色表现出来的.选择性OSP最常见的异色问题就是BGA区域的小连接盘呈现出发红,发黑等现象,可参见图片1.(a)小照(b)小匣(c)良品图1BGA区域连接盘不良品(发黑,发红)与良品对比从以上图片我们可以清晰的看到,就算是相隔很近的pad也会呈现较大的异色现象,而发黑和发红的本质基本是相同的,只是颜色的深浅程度不同而已.这类异常在大铜面是很少出现的,主要集中在手机等终端通讯产品的BGA区域的连接盘,这部分的连接盘除了具有”小”的特点外,还有就是”密”,”落差大”等特点,正因为具有这些自身特点才导致了在各制程中容易出现不同的”难处理”的问题.2.2连接盘呈现明显色差,发彩等应该说这类异色较前面的发红,发黑要轻微一些,一般检查员还不是那么容易发现此类异常的,而且目前选择性OSP铜面的外观尚无统一的规范标准,很多时候就是根据客户的接受标准来定的.所以,针对这类较轻微的异色问题可能有些客户接受而有些客户不接受,但是一般情况下如能保证良好.60.的焊锡性话,绝大多数客户还是愿意接受的.请参见图2(a类一般可以接受):(a)轻微色差(b)严重色差图2BGA区域连接盘不良品(色差)“发彩”现象用图片还无法显示出差异来,简单地说,就是OSP后的膜面呈现七彩颜色,一般这类异常与药水失调有很大的关系.而这类异色一般要通过改变观察角度才能看得出来,所以,对于视觉因素和人的不同而引起的判定差异是一定存在的.3选择性0SP中异色产生的原因及解决方法3.10SP前制程影响OSP前制程影响就有很多了,主要前工序铜面污染,阻焊显影不净和选化油墨残留等.0SP一般为PCBt程的最后工序(不含品质检验和测试),前面经过了许多的制作工序,对铜面造成影响的也就很多了.如电镀后铜面粗糙,污染,阻焊显影不净,塞孔不良,选化油墨残留,烤死等等,因为选择性OSP的铜面一般都很小,一点点的铜面不良都很容易显露出来,而且由于需要做OSP的连接盘很小,前制程的处理(如磨刷,酸洗,喷砂和微蚀等)都很难保证铜面处理的”一致性”,即连接盘铜面的处理程度会存在必然的差异,这种差异有可能为后面的OSP出现异色埋下”炸弹”.另外,由于BGA区域部分连接盘的开窗是在大铜面上,这样就会存在一定的高度落差,受药水张力会的影响会给后面的显影,0sP制程等处理带来”接触”困难.基于成本等因素的考虑,现在许多公司都是采用选化油墨来作为BGA区域铜面的抗镀层,如烤板参数不当或操作异常等都会造成选化油墨退不干净和被烤死等情况出现,由于连接盘较小这些缺陷或异常具有一定的隐蔽性,不是很容易被发现,经过部分连接盘糙度或高度差异,致使铜面给后面的处理(主要影响药关系,有时也会由于盲孔或边缘出现显影不净问本身不良或经过处理后有水交换)带来困难,给OSP通孔塞孔不良藏药水而影题,有时也会整个连接盘颜色等外观差异.外观不良造成一定的隐患.响铜面质量.有阻焊油墨残留.要解决这个问题当然就得从前制程来改善,而这些前制程的影响原因均通过目视或SEM,EDX等检测手段来发现,在此就不做探讨.3.2OSP生产参数或设备的影响选择性OSP药水的种类其实并不多,但是不同厂家生产的药水肯定是存在一定差异的.这里就以某药水厂家的OSP药水为例,讲解一下其具体的控制参数及影响.该OSP药水的主要成分为烷基苯骈咪唑衍生物(Alkyrlbenzimidazolederivatives简称ABI),它能在铜或铜合金表面产生化学反应,并形成一层薄而均匀的有机保护皮膜,在焊接时能迅速被助焊剂去除,露出清洁的铜面,利于后续的焊接.其主要工艺流程如下:响外,还与微蚀药水的稳定性,设备(如喷淋或浸泡)和参数控制等有较大的关系.如果微蚀出来的铜面就很难看,在经过预浸和强风吹干后这种色差就会显露的更加明显,那么待完成OSP后的外观就必然出现异色问题.预浸除了起到保护主槽抗氧化药水外,还有一个预上膜的作用,预上膜的效果好坏又与预浸药水参数和设备有很大关系,因为”底层”的膜没有上好(主要表现为不均匀),在主槽进行OSP时一般很难掩盖前面的缺陷.还有一个影响因素就是预浸后有一道强风吹干,如果前面微蚀,预浸出现处理不好的情况下,再经过强风吹干就会加速铜面氧化,形成部分铜面上膜,部分铜面出现氧化的局面.而(38c42C)(25-30*c)(28”C-32C)(38c42c)(85C-95C)(15s-25s)(15s25s)(25s35s)(40s60s)(30s60s)从整个工艺流程来看,微蚀和抗氧化对整体OSP铜面外观的影响较大,微蚀效果对OSP膜的颜色有着直接影响,因为OSP膜本身是相对透明的.微蚀药水的体系不同其微蚀效果也是有很大差异的,如硫酸一双氧水微蚀的铜面相对光滑平整,OSP处理后的铜面呈浅红色,而过硫酸盐微蚀的铜面相对粗糙,不均匀,OSP处理后的铜面颜色呈深红色,微蚀效果相对差一下,因此一般选择性OSP绝大多数均选用如硫酸双氧水微蚀药水.但是由于目前PCB板的连接盘越来越小,就算是硫酸.双氧水体系的微蚀药水也很难保证微蚀的均匀性,因为除了PCB本身特点影.61.如果主槽药水失调或上膜不良也是极易引起铜面异色问题的.除此之外,还有水质,水洗效果,循环泵,吸水海绵等都对OSP膜面的外观造成一定的影响,如水质或水洗效果差(尤其是OSP后)就会影响清洗效果,使膜溶解等;而循环泵有问题(如漏气)就有可能出现小气泡附着在铜面上,导致部分连接盘或铜面出现不上膜的现象.针对这类异常的改善我们简单列举了一些,请参见表2:3.3贾凡尼效应影响贾凡尼效应也叫原电池效应,指的是两种以表面涂覆SurfaceFinish印制电路信息2012No.2表2OSP制作参数和设备异常对外观异色的影响注:如果生产较小的连接盘时,一般建议关闭预浸后的强风吹干,在OsP主槽中间加装1-2对Pu(聚氨酯)材质的吸水海绵.上不同导体(金属)相连接,因电动势差异(电位差)所造成之电化学反应,此时较活拨的金属更容易丢失电子(氧化或被腐蚀).当PCB上存在两种以上导体金属时,同一个连接盘所在线路网络有金又有铜,当经过表面抗氧化(OSP)流程时,必须经过微蚀前处理强电介质,在pad所在线路网络中金和铜相连的条件下,同时流入这两种介质中,但由于之间有较大的电势差(Cu一2e=Cu,V=0.0337V,Aue=Au,V=1.691V),从而产生了贾凡尼效应,因此加快了铜腐蚀速度.(参见图3)贾凡尼效应的发生是一定存在的,但是其影响程度又受到以下几个因素的影响:(1)相对面积比:较活泼的金属(如铜)相对面积.图3贾凡尼效应示意图相对越大影响越小,不活泼的金属(如金)相对面积越大影响越大.而我们在选择性OSP中的金铜面积之比超过200:1的都有很多,所以贾凡尼效应的.62.影响将会更加明显.(2)相对距离的远近:同一条线路上贾凡尼效应会集中发生在较活泼金属最接近不活泼金属的部位.(3)相对局部电荷密度高低有别:受贾凡尼效应影响部位其表面局部电荷密度分布会倾向于趋于一致,所以局部电荷密度较高的部位(如尖锐部位)受到影响较大.贾凡尼效应在微蚀段和OSP主槽段均会发生,铜面咬蚀量越大其微观表面平坦,巨观表面色泽就会越白.OSP段的成膜受微蚀影响,铜面颜色也会呈现出一定的差异.同时,OSP主槽的酸度和铜离子含量对选择性OSP板子的异色有较大的贡献度.贾凡尼效应不但会引起色差问题,严重的时候还会出现掉连接盘现象,具体可在参见图4:图4贾凡尼效应引起的色差和掉连接盘现象针对贾凡尼效应对选择性OSP异色造成的影响,一般来说更改线路设计时不太现实的,那么我们需要注意哪些方面的控制呢?根据笔者经验和相关资料,建议可从如下几个方面入手:(1)控制微蚀量:微蚀量越大贾凡尼效应就会表现得越明显,因此控制微蚀量是有效解决贾凡尼效应产生的方法之一.对于选择性OSP一般要求微印制电路信息2012No.2表面涂覆SurfaceFinish蚀量控制在0.5gm0.8gm之间,同时还须严格控制OSP重工,如返工是在外观良好的前提下可以关闭微蚀段生产.(2)使用低腐蚀性和低点解质浓度的OSP产品:选择性OSP配套的专用除油剂和相对较高PH操作条件的OSP药水,对改善贾凡尼效应产生的色差有较好的改善效果.PH值较低的OSP药水除了易产生较严重的贾凡尼效应外,对于金厚控制较薄的PCB来说也是一个致命的杀手,因为它会对金面产生较大的攻击作用,易出现金面”氧化”,造成镍腐蚀(黑连接盘),甚至出现焊接不良的风险.(3)铜离子的控制:可通过减少微蚀铜离子含量对OSP外观的影响,对于含有高金铜比结构的板,可相应采取低含铜(5g/L)的前处理工艺.主槽中的铜离子控制也是很重要的,虽然铜离子是成膜不可或缺的重要角色,但是过高的铜离子带来的金面变色问题也是十分突出的,因此控制主槽的铜离子成为选择性OSP工艺中必控点.控制主槽的铜离子上升最好的办法选择带有”预浸”处理的OSP药水,预浸可以预上膜还可以有效控制过多的铜离子带入主槽中.另外一个控制主槽铜离子上升的要点是,尽量避免大批量生产全铜OSP的PCB产品,也就是选择性的OSP板和全铜OSP板尽量做到分线生产.4结论通过分析选择性OSPI艺中异色问题产生原因,主要受到有前工序,生产参数控制和设备以及贾凡尼效应等的几个方面影响,针对各类异色问题提出了相应的解决方法.对于异色问题的控制重点应放在防止贾凡尼效应的改善上来,因此对于选择性OSP体系的选择和微蚀量,铜离子等重点参数的控制就成为控制贾凡尼效应影响的关键.团参考文献1集萃丝印特印网行业资讯.2011年12015年全球PCB将保持6.5%的速度稳定增长.2011,7,18.2何坚明.PCBcityOSP技术应用与发展趋势.2009,3,20.3】龚淼.印制电路资讯.选择性OsP工艺中贾凡尼效应解决方案.2011,9,27.作者简介陈世金,工程师,研发主管,主要从事新技术研究及新产品的开发.(上接第25页)续停留过程中出现抗蚀不良现象,因受诸多因素影响的限制,有时无法做到电镀后印制板立即时刻,存在停留时间较长,使铅锡层受到攻击的隐患.因此在电镀后需确保抗蚀层清洗干净,并使其干燥.除了对镀铅锡预浸槽和镀铅锡槽中主要药液的浓度进行控制监测外,还需对该工序完成后镀铅锡层的厚度进行定期或不定期测定.因为只有足够厚度的镀铅锡层,才能在随后进行的碱性蚀刻中,对铜镀层起到很好的保护作用,避免造成不必要的质量缺陷.3总结本文列出了空洞的存在位置,形状,了解到产生镀层空洞的原因及缺陷的特点,对如何识别缺陷加以讨论,对生产工艺提出一些建议以避免这些问题发生.孔壁空洞有时是单个因素引起,有时是多.63.种工艺条件相互影响产生,也可能具有先后顺序.沿工艺流程步骤仔细分析缺陷表征才有可能一针见血的找到根本所在.由于本人的水平经验有限,在此列举了一些平时生产中遇到的实际问题,与同行共享和交流.囫参考文献1林金堵主编.现代印制电路基础M.中国:印制电路行业协会,2005,6.2方景礼着.电镀添加剂理论与应用M】.国防工业出版社出版,2006,4.3白蓉生着.金相剖切图片分析M.台湾:印制电路行业协会,1996,5.作者简介卢大伟,工程师,工程技术部部长,对HDI,高多层板,陶瓷板,铝基板,铜基板等工艺及制程改善深入研究,并对其新产品开发及项目管理有丰富的工作经验.