電子廠OSP表面處理PCBA焊接不良原因分析和改善對

作者：brt 來源：湖南百瑞通機電發(fā)布時間：2022-04-08 10:10:48 瀏覽量：0

OSP是印刷電路板(PCB)銅箔表面處理的符合RoHS指令要求的一種工藝。

OSP是(Organic Solderability Preservatives) 的簡稱，中譯為有機保焊膜，又稱護銅劑，英文亦稱之Preflux。

有機保焊膜（OSP）是一種在PCB上用于銅焊盤的超薄有機表面涂層，能夠在大部分條件下為銅焊盤提供抗氧化保護，阻擋濕氣，防止焊盤氧化，保持焊接銅面具有良好的可焊性。

由于OSP表面平整度好，焊點可靠性高、PCB制造工藝相對簡單，對比其它表面處理PCB優(yōu)勢明顯，與金屬表面涂層相比，OSP表面涂層有成本低、加工簡單、共面性極佳等優(yōu)點，這使OSP成為PCB制造商和組裝廠商的理想選擇，越來越受到業(yè)界的歡迎。

目前國內(nèi)板廠的PCB便面處理工藝有：噴錫（HASL，hot air solder leveling 熱風(fēng)整平）、沉錫、沉銀、OSP(防氧化)、化學(xué)沉金（ENIG）、電鍍金等等，當(dāng)然，特殊應(yīng)用場合還會有一些特殊的PCB表面處理工藝。

OSP表面處理形成的焊點不含任何來自表面處理金屬雜質(zhì)，因此電遷移趨勢可忽略不計。最新調(diào)查顯示，OSP已占據(jù)了60％以上的PCB市場并延伸到諸如汽車這樣的高可靠性市場中，這些市場傳統(tǒng)上都是使用金屬化表面處理。

然而，OSP涂層也有一些缺點。接觸一次或多次熱處理后的OSP對焊料而言更具挑戰(zhàn)性，尤其是在波峰焊和選擇性焊接應(yīng)用中。

比如說，厚的多層雙面OPS處理PCB經(jīng)過一次或多次表面貼裝回流焊接后，在波峰焊時可能會發(fā)生焊料潤濕或孔填充性能的下降。這對所有裝配商都構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)，尤其是對于使用更高工作溫度的SAC合金的無鉛工藝而言。

一般情況下，OSP表面處理的PCB上錫性良好，如PCB生產(chǎn)過程控制不當(dāng)或SMT使用管控不當(dāng)都會導(dǎo)致焊接不良的問題。

1、引言

PCB是現(xiàn)代電子產(chǎn)品不可缺少的材料，隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)、集成電路(IC)技術(shù)的高速發(fā)展, PCB需要滿足高密度、高平整化、高可靠性、更小孔徑、更小焊盤的發(fā)展要求，對PCB表面處理和制作環(huán)境的要求也越來越高。

OSP表面處理是目前常見的一種PCB表面處理技術(shù)，是在潔凈的裸銅表面上，以化學(xué)的方法長出一層0.2~0.5um的有機皮膜，這層膜在常溫下具有防氧化、耐熱沖擊、耐濕性，可以保護銅表面發(fā)生氧化或硫化的作用，在后續(xù)的高溫焊接中，此種保護膜又必須很容易地被助焊劑所迅速清除，露出干凈的銅表面在極短時間內(nèi)與熔融焊錫結(jié)合成為牢固的焊點。

OSP表面處理對比其它表面處理有如下優(yōu)缺點：

a. OSP表面平整均勻，膜厚0.2~0.5um適合SMT密間距元件的PCB；

b. OSP膜耐熱沖擊性能好，適合無鉛工藝及單雙面板加工，并與任意焊料兼容；

c.水溶性操作，溫度可控制在80 ℃以下，不會造成基板彎曲變形的問題；

d.操作環(huán)境好，污染少，易于自動化生產(chǎn)線；

e.工藝相對簡單，良率高，成本較低等；

f.缺點是形成的保護膜極薄，OSP膜容易劃傷（或擦傷）；

g. PCB經(jīng)過多次高溫焊接后，OSP膜（指未焊接焊盤上的OSP膜）會發(fā)生變色、裂解變薄、氧化，影響可焊性和可靠性；

h.藥水配方種類多，性能不一，品質(zhì)參差不齊等。

2、問題描述

在實際生產(chǎn)過程中，OSP板容易出現(xiàn)表面變色、膜厚不均勻、膜厚超差（太厚或太?。┑葐栴}；

在PCB制作的后期階段，已成型的PCB如儲存和使用不當(dāng)容易出現(xiàn)焊盤氧化、焊盤上錫不良、不能形成牢固的焊點、虛焊及焊錫不飽滿等焊接問題；

SMT生產(chǎn)雙面板第二面及錫爐焊接時容易出現(xiàn)回流焊接不良、焊點漏銅、外觀滿足不了IPC3級標(biāo)準(zhǔn)、錫爐焊接不良率高等問題。

3、案例分析

公司某OSP表面處理PCB產(chǎn)品在SMT生產(chǎn)第一面時元件焊盤上錫良好，在生產(chǎn)第二面時出現(xiàn)過爐后連接器及部分位置元件焊盤上錫不良，焊料在焊盤上出現(xiàn)一定的反濕潤和拒焊問題，如下圖1。

本案例中的PCB是OSP表面處理方式，SMT制程是無鉛工藝，根據(jù)基本焊接原理及實際工程經(jīng)驗分析，拒焊及反濕潤出現(xiàn)與PCB表面焊盤的可焊性有直接的關(guān)系。

因此，本案例的分析思路是首先通過外觀檢查，再分別使用異丙醇(清洗IPA)和鹽酸清洗不良焊盤進行可焊性對比，再借助第三方實驗室使用EDS進行成分分析等方法，找出OSP可焊性差的原因，并給出相應(yīng)的改善對策。

3.1 分析過程

a.使用顯微鏡觀察不良品，發(fā)現(xiàn)PCBA上存在多處潤濕不良，潤濕不良焊盤上呈球狀、不規(guī)則網(wǎng)狀，PCB pad呈現(xiàn)明確的不可焊形貌如上圖1。

b. 使用異丙醇(IPA)對潤濕不良焊盤進行清洗，清洗后浸入255OC錫槽5秒鐘。

驗證目的：如為異物污染導(dǎo)致的不潤濕，IPA清洗后可以潤濕上錫。

結(jié)論：IPA清洗無助于焊盤上錫，說明焊盤不上錫不是異物覆蓋導(dǎo)致的[3]。

c.使用鹽酸對潤濕不良焊盤清洗，清洗后浸入255OC錫槽5秒鐘。

驗證目的：如為焊盤氧化導(dǎo)致的不潤濕，鹽酸清洗后可以潤濕上錫。

結(jié)論：鹽酸清洗后焊錫潤濕良好，說明不潤濕焊盤表面存在金屬氧化物，導(dǎo)致焊接過程中焊錫無法潤濕[3]，如圖3。

d.對拒焊位置做EDS分析。

驗證目的：對拒焊焊盤表面不良位置元素成分進行分析，確定導(dǎo)致上錫不良的根本原因。

結(jié)論：不上錫焊盤區(qū)域銅占絕對優(yōu)勢，說明未被焊錫覆蓋，無其它金屬污染；拒焊區(qū)域焊錫邊緣區(qū)域存在碳氧等元素，是焊接過程及空氣中成分影響所致[3]。

e. PCB可焊性測試。依照IPC J-STD-003B中測試A1的方法，對同周期的PCB光板及光板模擬過一次回流焊后再進行可焊性測試。

驗證目的：對比光板和模擬過一次回流爐后PCB可焊性的差異。

結(jié)論：同周期PCB光板，焊盤上錫良好，外觀符合IPC要求，如圖5；

經(jīng)過一次回流之后OSP膜劣化減薄，PCB可焊性變差，部分焊盤潤濕不良,。

3.2綜合分析結(jié)論

PCB板面存在多處拒焊現(xiàn)象，拒焊區(qū)域經(jīng)異丙醇清洗無效，證明無異物覆蓋焊盤；鹽酸清洗后可以正常潤濕，證明焊盤表面存在金屬氧化物，該氧化層影響焊接效果；對焊盤拒焊區(qū)域做EDS成分分析，結(jié)果顯示主要成分為銅、碳、氧，證明拒焊焊盤表面存在金屬氧化層，無其它金屬污染物及其它覆蓋物；對比模擬一次回流焊的光板作可焊性驗證，發(fā)現(xiàn)部分焊盤可焊性變差，有潤濕不良的現(xiàn)象。

經(jīng)過上面的綜合分析，此案例為OSP膜厚不夠及不耐多次高溫導(dǎo)致。新拆封的OSP板保護膜完好，未出現(xiàn)焊盤氧化現(xiàn)象，焊錫潤濕性良好。經(jīng)過一次回流高溫后OSP膜受熱分解減薄，部分區(qū)域OSP膜損耗殆盡，無法有效保護焊盤銅箔導(dǎo)致焊盤氧化，焊接時出現(xiàn)拒焊現(xiàn)象。需要PCB廠商加強OSP工藝過程控制，嚴格管控OSP膜的厚度及均勻性。

4、改進措施

4.1 選擇合適的OSP藥水

OSP 有三大類的材料：松香類（Rosin），活性樹脂類（Active Resin）和唑類（Azole）。目前使用最廣的是唑類OSP。唑類OSP已經(jīng)經(jīng)過了約6代的改善，現(xiàn)分解溫度可高達354.9℃[4，5]，適合無鉛工藝和多次回流焊接。PCB在生產(chǎn)前需根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝選擇合適的藥水。

4.2 PCB在生產(chǎn)過程中要嚴格控制OSP膜的厚度及均勻性

OSP工藝的關(guān)鍵是控制好保護膜的厚度。膜厚太薄，耐熱沖擊能力差，在回流焊接時，膜層耐不住高溫，裂解變薄，容易造成焊盤氧化，影響可焊性；膜厚太厚，在焊接時，不能很好的被助焊劑所溶解和去除，也會導(dǎo)致焊接不良。

4.2.1 OSP板的生產(chǎn)工藝流程

放板→除油→水洗→微蝕→水洗→預(yù)浸→DI水洗→吸干→上保護膜（OSP）→吸干→DI水洗→吹干→烘干→吹干→烘干→收板

4.2.2 影響OSP膜厚的主要因素

a.除油。除油效果的好壞直接影響到成膜質(zhì)量。除油不良，則成膜厚度不均勻。一方面，可以通過分析溶液，將濃度控制在工藝范圍內(nèi)。另一方面，要經(jīng)常檢查除油效果是否良好，若除油效果不好，則應(yīng)及時更換除油液。

b. 微蝕。微蝕的目的是形成粗糙的銅面，便于成膜。微蝕的厚度直接影響到成膜速率，要形成穩(wěn)定的膜厚，需要保持微蝕厚度的穩(wěn)定。一般將微蝕厚度控制在1.0~1.5um 比較合適。每班生產(chǎn)前，需要測定微蝕速率，根據(jù)微蝕速率來確定微蝕時間。

c. 預(yù)浸。預(yù)浸可以防止氯離子等有害離子對OSP缸溶液的損害。OSP預(yù)浸缸的主要作用是加快OSP膜厚的形成和處理其它有害離子對OSP缸的影響。預(yù)浸劑溶液中有適量的銅離子，能促進絡(luò)合物保護膜的生成，縮短浸涂時間。一般認為，由于銅離子的存在，在預(yù)焊劑溶液中烷基苯并咪唑與銅離子已有一定程度的絡(luò)合。這種有一定程度聚集的絡(luò)合物再沉積到銅表面形成絡(luò)合膜時，能在較短的時間內(nèi)形成較厚的保護層，因而起到絡(luò)合促進劑的作用。如預(yù)浸劑中烷基苯并咪唑或類似成分（咪唑類）含量極少，當(dāng)銅離子過量時，就會使預(yù)浸劑溶液過早老化, 需要更換。因此，需要重點管控預(yù)浸液的濃度和預(yù)浸時間。

d. OSP主要成分濃度。烷基苯并咪唑或類似成分（咪唑類）是OSP藥液中的主成分，濃度高低是決定OSP膜厚的關(guān)鍵。在生產(chǎn)過程中需要重點監(jiān)控OSP藥水的濃度。

e. 溶液的PH值。PH值的穩(wěn)定對成膜速率的影響較大，為了保持PH值的穩(wěn)定，溶液槽中添加了一定量的緩沖劑。一般PH值控制在2.9~3.1，可得到致密、均勻厚度適中的OSP膜。當(dāng)PH值偏高，PH>5時，烷基苯并咪唑的溶解度降低，有油狀物析出；當(dāng)PH值偏低，PH<2時，會使用形成的膜部分溶解。所以，需要重點監(jiān)控PH值。

f.溶液的溫度。溫度的變化對成膜速率的影響也比較大，溫度越高，成膜速率越快，因此，需要控制OSP槽的溫度。

g. 成膜時間（浸涂時間）。在確定的OSP槽液組成、溫度和PH值條件下，成膜時間越長，成膜越厚，因此，需要管控好成膜的時間。

4.2.3 OSP膜厚的檢測

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目前大部分PCB廠都是采用UV紫外光譜儀來測定OSP膜厚的，原理主要是利用OSP膜中的咪唑類化合物在紫外區(qū)有較強吸收的特性，再通過測定該處極大時的吸光度而折算出OSP的膜厚，這種方法簡單易行，但測試誤差較大。還有一種方法是使用FIB技術(shù)測量OSP膜的實際厚度[6]。PCB廠在生產(chǎn)時需要使用合適的方法檢測和管控OSP膜的厚度，確保OSP膜的厚度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 OSP板的包裝及儲存要求

由于OSP 膜極薄, 若長時間暴露在高溫高濕環(huán)境下，PCB 表面將發(fā)生氧化，可焊性變差，經(jīng)過回流焊制程后，PCB 表面的OSP也會裂解變薄，容易導(dǎo)致PCB銅箔氧化，可焊性變差。

4.3.1 OSP板包裝要求

OSP板來料應(yīng)采用真空包裝，并附上干燥劑及濕度顯示卡。PCB板與板之間要使用隔離紙隔開，避免劃傷或摩擦損壞OSP膜。

4.3.2 OSP板儲存要求

不能直接暴露在日照環(huán)境下,要儲存在相對濕度:30~70%，溫度:15~30℃的環(huán)境下,保存期限小于 6個月，建議使用專用的防潮柜儲存。如PCB受潮或過期，不能烘烤，只能退回PCB廠進行OSP重工。

4.4. OSP板在SMT段的使用與注意事項

a. PCB開封前需檢查PCB包裝是否有破損，濕度顯示卡是否有變色，如有破損或變色，則不能使用。開封后8小時內(nèi)需上線生產(chǎn)，建議使用多少開封多少，未生產(chǎn)完或尾數(shù)的PCB要及時使用真空包裝。

b.需要控制好SMT車間的溫濕度，建議車間溫度：25±3℃，濕度：50±10%。生產(chǎn)過程中禁止裸手直接接觸PCB焊盤表面，防止汗液污染，造成氧化，導(dǎo)致焊接不良。

c. 印刷錫膏的PCB應(yīng)盡快貼裝完元件過爐，盡量避免印刷錯誤或貼裝問題導(dǎo)致洗板，因為洗板會損害OSP膜，如確實要洗板，不能使用高揮發(fā)性溶劑浸泡或清洗，建議以無紡布沾75%酒精擦除錫膏，清洗后的PCB在2小時內(nèi)需完成焊接。

d. SMT單面貼片完成后，需要在24小時內(nèi)完成第二面SMT元件的貼裝，最長36小時內(nèi)要完成DIP（插件）元件的選擇焊或波峰焊焊接。

e. 由于OSP表面處理的PCB相對其它表面處理的PCB錫膏流動性會差一些，焊點容易露銅。鋼網(wǎng)開口設(shè)計時可適當(dāng)加大一些，建議按焊盤1:1.05或1:1.1開孔，但需要注意做好CHIP 元件的防錫珠處理。

f. OSP板回流焊時的峰值溫度和回流時間在滿足焊接質(zhì)量的情況下建議盡量偏制程窗口的下限，峰值溫度和回流時間盡量低一點；生產(chǎn)雙面板時，建議將生產(chǎn)第一面（小元件面）的溫度適當(dāng)調(diào)低一些，兩面的溫度分開設(shè)置，減少高溫對OSP膜的損傷。如有條件的，推薦使用氮氣生產(chǎn)，可有效改善雙面OSP板第二面焊盤氧化焊接不良的問題。

5、結(jié)論

影響OSP表面處理PCB焊接不良的因素有很多，如OSP藥水的成分和質(zhì)量、OSP膜的厚度及均勻性、OSP板的包裝和儲存、SMT段的使用與時間管控、以及生產(chǎn)過程工藝參數(shù)（如鋼網(wǎng)開口、爐溫等）都有著密切的關(guān)系。

其中，OSP藥水的質(zhì)量和OSP膜的厚度及均勻性是保證焊接質(zhì)量的前提條件，這些PCB制造問題導(dǎo)致的焊接缺陷在SMT生產(chǎn)過程中，通過工藝方法是很難甚至是無法解決的，因此，要提高和保證良好的焊接質(zhì)量，需要PCB廠嚴格管控PCB制造的關(guān)鍵工藝參數(shù)，保證OSP膜的質(zhì)量和PCB的生產(chǎn)質(zhì)量；

生產(chǎn)后的PCB需嚴格按照OSP板的要求進行包裝儲存；

SMT在使用時要嚴格按照使用時間進行管控；

對鋼網(wǎng)開口、爐溫等工藝參數(shù)進行管控和優(yōu)化，并制定完善的OSP板生產(chǎn)工藝流程。

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