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OSP

OSP是印刷电路板(PCB)铜箔表面处理的符合RoHS指令要求的一种工艺。 OSP是Organic Solderability Preservatives的简称,中译为有机保焊膜,又称护铜剂,英文亦称之Preflux。 简单地说,OSP就是在洁净的裸铜表面上,以化学的方法长出一层有机皮膜。这层膜具有防氧化,耐热冲击,耐湿性,用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈(氧化或硫化等);但在后续的焊接高温中,此种保护膜又必须很容易被助焊剂所迅速清除,如此方可使露出的干净铜表面得以在极短的时间内与熔融焊锡立即结合成为牢固的焊点。

随着人们对电子产品的轻、薄、短、小型化、多功能化方向发展,印制线路板向着高精密度、薄型化、多层化、小孔化方向发展,尤其是SMT的迅猛发展,从而使SMT 用高密度薄板(如IC 卡、移动电话、笔记本电脑、调谐器等印制板)不断发展,使得热风整平工艺愈来愈不适应上述要求。同时热风整平工艺使用的Sn-Pb 焊料也不符合环保要求,随着2006 年7 月1 日欧盟RoHS 指令的正式实施,业界急需寻求PCB 表面处理的无铅替代方式,最普遍的是有机焊料防护(OSP)、无电镀镍金沉浸(ENIG)、银沉浸以及锡沉浸。

下图是常见的几种PCB 表面处理方式热风整平(Sn-Pb HASL)、浸Ag、浸Sn、OSP、无电镀镍浸金(ENIG)的性能比较,其中后4种适用于无铅工艺。可以看出OSP的工艺简单、成本低,所以越来越受到业界的欢迎。

物理性能 Sn-Pb HASL 浸 Ag 浸Sn OSP ENIG

保存寿命(月) 12 12 12 12 6

可经历回流次数 4 5 5 》4 4

成本 中等 中等 中等 低 高

工艺复杂程度 高 中等 中等 低 高

工艺温度 240°C 50°C 70°C 40°C 80°C

厚度范围, 微米 1-25 0.05-0.20 0.8-1.2 0.2-0.5 0.05-0.2Au 3-5Ni

助焊剂兼容性 好 好 好 一般 好

OSP是Organic Solderability Preservatives 的简称,中译为有机保焊膜,又称护铜剂,英文亦称之Preflux。简单的说OSP 就是在洁净的裸铜表面上,以化学的方法长出一层有机皮膜,这层膜具有防氧化,耐热冲击,耐湿性,用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈(氧化或硫化等);但在后续的焊接高温中,此种保护膜又必须很容易被助焊剂所迅速清除,如此方可使露出的干净铜表面得以在极短时间内与熔融焊锡立即结合成为牢固的焊点。

其实OSP并非新技术,它实际上已经有超过35年,比SMT历史还长。OSP 具备许多好处,例如平整面好,和焊盘的铜之间没有IMC 形成,允许焊接时焊料和铜直接焊接(润湿性好),低温的加工工艺,成本低(可低于HASL),加工时的能源使用少等等。OSP 技术早期在日本十分受欢迎,有约4 成的单面板使用这种技术,而双面板也有近3成使用它。在美国,OSP 技术也在1997 年起激增,从1997 以前的约10%用量增加到1999年的35%。

OSP 有三大类的材料:松香类(Rosin),活性树脂类(Active Resin)和唑类(Azole)。

目前使用最广的是唑类OSP。唑类OSP 已经经过了约5 代的改善,这五代分别名为BTA,IA,BIA,SBA和最新的APA。

除油-->二级水洗-->微蚀-->二级水洗-->酸洗-->DI水洗-->成膜风干-->DI 水洗-->干燥

1、除油

除油效果的好坏直接影响到成膜质量。除油不良,造成膜厚度不均匀。一方面,可以通过分析溶液,将浓度控制在工艺范围内。另一方面,也要经常检查除油效果是否好,若除油效果不好,则应及时更换除油液。

2、微蚀

微蚀的目的是形成粗糙的铜面,便于成膜。微蚀的厚度直接影响到成膜速率,因此,要形成稳定的膜厚,保持微蚀厚度的稳定是非常重要的。一般将微蚀厚度控制在1.0-1.5um 比较合适。每班生产前,可测定微蚀速率,根据微蚀速率来确定微蚀时间。

3、成膜

成膜前的水洗最好采有DI 水,以防成膜液遭到污染。成膜后的水洗也最好采用DI水,且PH值应控制在4.0-7.0之间,以防膜层遭到污染及破坏。OSP 工艺的关键是控制好防氧化膜的厚度。膜太薄,耐热冲击能力差,在过回流焊时,膜层耐不往高温(190-200°C),最终影响焊接性能,在电子装配线上,膜不能很好的被助焊剂所溶解,影响焊接性能。一般控制膜厚在0.2-0.5um之间比较合适。

OSP 当然也有它不足之处,例如实际配方种类多,性能不一。也就是说供应商的认证和选择工作要做得够做得好。

OSP工艺的不足之处是所形成的保护膜极薄,易于划伤(或擦伤),必须精心操作和运放。同时,经过多次高温焊接过程的OSP膜(指未焊接的连接盘上OSP膜)会发生变色或裂缝,影响可焊性和可靠性。

图1 OSP氧化变色的可接受标准和实物图片

锡膏印刷工艺要掌握得好,因为印刷不良的板不能使用IPA 等进行清洗,会损害OSP 层。

透明和非金属的OSP 层厚度也不容易测量,透明性对涂层的覆盖面程度也不容易看出,所以供应商这些方面的质量稳定性较难评估。

OSP技术在焊盘的Cu和焊料的Sn之间没有其它材料的IMC隔离,在无铅技术中,含Sn 量高的焊点中的SnCu 增长很快,影响焊点的可靠性。

OSP PCB 表面的有机涂料极薄, 若长时间暴露在高温高湿环境下,PCB 表面将发生氧化,可焊性变差, 经过回流焊制程后,PCB 表面有机涂料也会变薄,导致PCB 铜箔容易氧化。所以OSP PCB 与SMT 半成品板保存方式及使用应遵守以下原则:

(a) OSP PCB 来料应采用真空包装,并附上干燥剂及湿度显示卡。运输和保存时,带有OSP的PCB之间要使用隔离纸以防止摩擦损害OSP表面。

(b)不可暴露于直接日照环境,保持良好的仓库储存环境,相对湿度: 30~70%, 温度: 15~30℃, 保存期限小于6 个月。

(c)在SMT 现场拆封时,必须检查湿度显示卡,并于12 小时内上线,绝对不要一次拆开好多包,万一打不完,或者设备出了点什么问题要用很长时间解决,那就容易出问题。印刷之后尽快过炉不要停留,因为锡膏里面的助焊剂对OSP皮膜腐蚀很强。保持良好的车间环境:相对湿度 40~60%, 温度: 22~27℃) 。生产过程中要避免直接用手接触PCB 表面,以免其表面受汗液污染而发生氧化。

(d)SMT 单面贴片完成后,必须于24 小时内要完成第二面SMT 零件贴片组装。

(e)完成SMT 后要在尽可能短的时间内(最长36小时)完成DIP 手插件。

(f)OSP PCB不可以烘烤,高温烘烤容易使OSP变色劣化。假若空板超过使用期限,可以退厂商进行OSP 重工。

OSP 相对于普通的喷锡板钢网开口面积会稍大一点,所以当PCB 由喷锡改为OSP 时,钢网最好重开,要保证焊锡能盖住整个焊盘。钢板开刻基本上可以使用喷锡板的原则,考虑到OSP 因为平整,对锡膏成形有利,而且PAD 不能提供一部分焊锡了,所以开口可以适当增大,但是要以吃饱锡为好,不要过分了。开口增大以后,为了解决SMT CHIP 件锡珠、立碑及OSP PCB 露铜问题,将锡膏印刷机钢网开孔设计方式, 改为凹型设计。

(a)在锡膏印刷钢板设计时, 尽可能让焊锡全部覆盖焊盘。根据IPC 610-D 版PCBA 焊锡质量目视检验标准, 焊盘边缘小部分露铜的情况是可以被判定允收的,但覆盖率至少要达到焊盘面积的80%以上。

(b)若是PCB上零件位置因故未放置零件, 锡膏也需尽量覆盖焊盘。

(c)为了防止OSP PCB在SMT 制程中等待时间太久造成贯穿孔氧化,以致产生焊锡性及可靠度问题,可以考虑在锡膏印刷站将所有ICT 测试点及DIP 贯穿孔印上锡膏,以保护贯穿孔不致氧化生锈。

(a) 尽量避免印刷错误,因为清洗会损害OSP保护层。

(b) 当PCB 印刷锡膏不良时,由于OSP保护膜极易被有机溶剂侵蚀,所有OSP PCB不能用高挥发性溶剂浸泡或清洗,建议以无纺布沾75%酒精擦除锡膏。

(c)重工完成后的PCB ,应该在2 小时内完成当次重工PCB 面的SMT 焊锡作业。

回流焊时峰值温度设置的不要太高(240-245℃),炉内时间要控制好,否则再做第二面的时候可能会出现焊盘吃锡问题,当然,出现这个情况也说明板子的耐高温不过关。

对双面装配,首次回流需要氮气环境来维持第二面的可焊性。现在的OSP也会在有助焊剂和热的时候消失,但第二面的保护剂保持完整,直到印有锡膏或过波峰焊,此时回流或波峰焊才不一定要求在惰性气体环境下。

在首次的有氧加热情况下通孔里的OSP(不耐热的品种)会与焊盘上一样产生部分乃至全部的分解,以至于有漏出基材的可能,这可通过OSP的变色程度观察到,而分解和氧化的OSP残留物溶解性和流动性都会显著的下降,非原焊剂可对付的,通孔的主要焊接面积在内孔,内孔的可焊面积会受到分解和氧化的OSP残留物的影响。

采用OSP 表面处理,如果测试点没有被焊料覆盖,将导致在ICT 测试时,出现针床夹具的接触问题。有很多任务艺因素会影响ICT 测试效果,其中的一些因素是:OSP 提供商类型、在回流炉中经过的次数、是否波峰工艺、氮气回流还是空气回流,以及在ICT 时的模拟测试类型等。仅仅改以采用更锋利的探针类型来穿过OSP 层,将只会导致损坏并戳穿PCA 测试过孔或者测试焊盘。所以强烈建议不要直接对裸露的铜焊盘进行探测,要求在开制钢网时考虑给所有测试点上锡。

图2 测试点和插件焊盘要上锡


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