OSP技术基础知识及膜厚问题分析

  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。
  OSP的工艺流程:
  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,则成膜厚度不均匀。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有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 工艺的缺点
  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。
  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。
  影响OSP膜厚的主要因素有:
  1.OSP主要成分浓度:烷基苯并咪唑或类似成分(咪唑类)是OSP药液中的主成分,其浓度高低是决定OSP膜厚的根本所在。
  2.有机酸:有机酸的加入可以增加烷基苯并咪唑在水溶液中的溶解度。促进络合保护膜的形成。而用量过多反而会使沉积在铜表面上的保护膜溶解,因而控制有机酸的加入值(即PH值)是至关重要的。PH值过高时,烷基苯并咪唑的溶解度降低,有油状物析出,对浸涂不利。PH值控制合理就可得到致密、均匀、厚度适中的络合膜。而PH 值过低,则因络合膜溶解度增加,可使沉积在铜上的络合物溶解而不能形成要求厚度的膜。
  3.浸涂时间:在确定的OSP槽液组成、温度和PH值条件下,络合物保护膜形成的厚度开始将随着浸涂时间的增加而直线上升,然后随着时间的延长而缓慢的进行,超过一定时间以后,膜厚度基本上没有增加。
  4.预浸:预浸可以防止氯离子等有害离子对OSP缸溶液的损害。而且预浸剂溶液中有适量的铜离子(恒桥要求预浸缸铜离子≤10ppm),能促进络合物保护膜的生成,缩短浸涂时间。一般认为,由于铜离子的存在,在预焊剂溶液中烷基苯并咪唑与铜离子已有一定程度的络合。这种有一定程度聚集的络合物再沉积到铜表面形成络合膜时,能在较短的时间内形成较厚的保护层,因而起到络合促进剂的作用。但预浸剂中烷基苯并咪唑或类似成分(咪唑类)含量极少。且铜离子过量时,会使预浸剂溶液过早老化,需要更换。
  OSP预浸缸主要的作用是加快OSP膜厚的形成和处理其它有害离子对OSP缸的影响。建议药水性能好的化,尽量不用预浸缸作为常规流程环节。这样可以减少成本。
 

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