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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，其中包括有機保護膜（OSP）、沉銀、沉錫以及化學鎳沉金。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成分，同時說明耐高溫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)標準的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400℃，在氮保護氣氛下則高達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）化學特性為基礎(chǔ)，從而具有最佳的耐熱性。

　　OSP膜主要由有機金屬聚合物和在沉積過程中夾帶有機小分子組成，如脂肪酸和唑類化合物。有機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。有機金屬聚合物的降解溫度必須高于無鉛焊料的熔點才能經(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）來科學地說明OSP的耐熱性。

　　實驗

　　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)標準的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。本實驗使用H／P6890GC／MS儀器，并使用無針筒注射器。無針筒注射器可以在進樣艙內(nèi)直接對固體樣品進行脫附處理。無針筒注射器可以將細小玻管內(nèi)的樣品轉(zhuǎn)移到氣相色譜的進艙內(nèi)。載氣可以不斷地將揮發(fā)性有機物帶到氣相色譜儀柱子內(nèi)進行收集和分離。將樣品放置在緊靠柱子的頂端，從而使熱脫附有效重復。在有足夠的樣品被脫附后，氣相色譜開始工作，本實驗使用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)性有機物，其質(zhì)量／電荷比范圍是10-700daltons。所有有機小分子的保留時間也被記錄下來。

　　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)標準的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，在氮氣保護下進行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）也叫化學分析電子能譜（ESCA），是一種化學表面分析方法。XPS可測量涂層表面10nm的化學成分。將HTOSP膜和工業(yè)標準的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)標準的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）進行通孔可焊性測試。總共有10個可焊性測試板STV陣列（每個陣列有4個STVs）涂上的膜厚約為0.35μm，其中5個STV陣列涂上HTOSP膜，另外5個STV陣列涂上工業(yè)標準的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STVs進行每一種回流測試條件。在回流處理過程后，所有STVs都經(jīng)過高溫和無鉛波動焊接的處理。通孔可焊性可通過檢驗每個STV，計算正確填充的通孔數(shù)量來確定。通孔驗收的標準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STV有1196個通孔

　　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回流爐在空氣中進行回流處理。按照IPC／EIAJ-STD-003A第4.3.1.4部分進行沾錫天平測試，使用“RoboticProcessSystems”自動化沾錫天平測試器、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的剪切速度進行剪切測試。