Blogue PCB - Performance du film OSP dans le processus sans plomb de copie de PCB

Afin de répondre à l'exigence urgente de l'industrie électronique d'interdire le plomb, l'industrie des cartes imprimées déplace le traitement de surface de la pulvérisation d'étain à air chaud (eutectique étain-plomb) à d'autres traitements de surface, y compris le film protecteur organique (OSP), l'argent d'immersion, l'étain d'immersion et l'or d'immersion en nickel sans électrode. Les films OSP sont considérés comme le meilleur choix en raison de leur excellente soudabilité, de leur facilité de traitement et de leurs faibles coûts d'exploitation. En raison de l'excellente soudabilité, de la simplicité et du faible coût de l'OSP (Organic Solderable Protective Film), il est considéré comme le meilleur procédé de traitement de surface. Dans ce document, la desorption thermique-chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (TD-GC-MS), l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la spectroscopie photoélectronique (XPS) ont été utilisées pour analyser les propriétés de résistance thermique connexes de la nouvelle génération de films OSP à haute température. La chromatographie à gaz a testé les petits composants organiques moléculaires qui affectent la soudabilité dans le film OSP à haute température (HTOSP), et a montré en même temps que l'alkylbenzimidazole-HT dans le film OSP à haute température avait très peu de volatilité. Les données de la TGA ont indiqué que le film HTOSP présentait une température de dégradation plus élevée que le film OSP standard actuel de l'industrie. Les données de XPS ont montré que la teneur en oxygène de l'OSP à haute température n'a augmenté que d'environ 1% après 5 cycles de reflux sans plomb. Les améliorations ci-dessus sont directement liées aux exigences de soudabilité industrielle sans plomb.

Les films OSP sont utilisés dans les circuits imprimés depuis de nombreuses années et sont des films polymères organométalliques formés par la réaction des azoles avec des éléments métalliques de transition tels que le cuivre et le zinc. De nombreuses études ont révélé le mécanisme d'inhibition de la corrosion des azoles sur les surfaces métalliques. G.P.Brown a réussi à synthétiser des polymères organométalliques de benzimidazole et de cuivre (II), de zinc (II) et d'autres éléments métalliques de transition, et a décrit les excellentes propriétés de résistance à haute température du poly (benzimidazole-zinc) par TGA. Les données TGA de G.P.Brown montrent que la température de dégradation du poly(benzimidazole-zinc) est aussi élevée que 400 °C dans l'air et 500 °C dans l'atmosphère protectrice de l'azote, tandis que la température de dégradation du poly(benzimidazole-cuivre) est seulement de 250 °C. Le nouveau film HTOSP récemment développé est basé sur les propriétés chimiques du poly(benzimidazole-zinc) et présente donc une excellente résistance à la chaleur. Les films OSP sont principalement composés de polymères organométalliques et de petites molécules organiques entraînées, telles que les acides gras et les azoles, lors du dépôt. Les polymères organométalliques offrent la résistance à la corrosion nécessaire, l'adhésion à la surface du cuivre et la dureté de surface de l'OSP. La température de dégradation du polymère organométallique doit être supérieure au point de fusion de la soudure sans plomb pour résister à un traitement sans plomb. Sinon, le film OSP se dégradera après le processus sans plomb. La température de dégradation des films OSP dépend en grande partie de la résistance thermique des polymères organométalliques. Un autre facteur important affectant l'activité antioxydante du cuivre est la volatilité des composés azolaires, tels que le benzimidazole et le phénylimidazole. Les petites molécules du film OSP s'évaporent pendant le processus de reflux sans plomb, affectant ainsi la résistance à l'oxydation du cuivre. La résistance thermique de l'OSP peut être démontrée scientifiquement en utilisant la chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS), l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la spectroscopie photoélectronique (XPS).1. Analyse par chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse Les panneaux en cuivre testés ont été revêtus de: a) un nouveau film HTOSP; b) un film OSP standard de l'industrie; c) un autre film OSP industriel. Environ 0,74-0,79 mg de film OSP ont été grattés de la plaque de cuivre. Ni les plaques de cuivre revêtues ni les échantillons grattés n'ont été soumis à aucun traitement de reflux. L'instrument H/P6890GC/MS a été utilisé dans cette expérience, et une seringue sans baril a été utilisée. Les seringues sans seringue peuvent désorber des échantillons solides directement dans la chambre d'injection. Les seringues sans seringue peuvent transférer des échantillons provenant de minuscules tubes de verre vers la chambre d'entrée d'un chromatographe à gaz. Le gaz porteur apporte continuellement des matières organiques volatiles dans la colonne GC pour collecte et séparation. Plaçant l'échantillon contre le haut de la colonne permet une réplication efficace de la désorption thermique. Après avoir suffisamment d'échantillon pour être désorbé, la chromatographie gazeuse commence à fonctionner. Dans cette expérience, on a utilisé une colonne de chromatographie gazeuse RestekRT-1 (0,25 mm à 30 m, épaisseur de film de 1,0 μm). Le programme de chauffage de la colonne de chromatographie à gaz: après chauffage à 35°C pendant 2 minutes, la température a été portée à 325°C, et le taux de chauffage était de 15°C/min. Les conditions de désorption thermique étaient: après chauffage à 250°C pendant 2 minutes. Les rapports masse/charge des composés organiques volatils séparés ont été détectés par spectrométrie de masse dans la gamme de 10 à 700 daltons. Les temps de rétention de toutes les petites molécules organiques ont également été enregistrés.2. De même, un nouveau film HTOSP, un film OSP standard industriel et un autre film OSP industriel ont été revêtus sur les échantillons, respectivement. Environ 17,0 mg de film OSP ont été grattés de la plaque de cuivre comme échantillon de test de matériau. Ni l'échantillon ni le film ne peuvent être soumis à aucun traitement de reflux sans plomb avant le test TGA. Les tests TGA ont été effectués sous protection par azote en utilisant un 2950TA de TA Instruments. La température de fonctionnement est maintenue à température ambiante pendant 15 minutes puis augmentée à 700°C à une vitesse de 10°C/min.3. La spectroscopie à électrons (XPS), également connue sous le nom de spectroscopie à électrons pour l'analyse chimique (ESCA), est une méthode d'analyse de surface chimique. XPS mesure la composition chimique de la surface de revêtement à 10 nm. Le film HTOSP et le film OSP standard de l'industrie ont été revêtus sur la plaque de cuivre puis soumis à 5 reflux sans plomb. Le film HTOSP avant et après le traitement de reflux a été analysé par XPS; le film OSP standard de l'industrie après 5 reflux sans plomb a également été analysé par XPS, et l'instrument utilisé était VGESCALAB Mark II.4. Tests de soudabilité à travers les trous Les tests de soudabilité à travers les trous sont effectués à l'aide de plateaux d'essai de soudabilité (STV). Un total de 10 tableaux STV de test de soudabilité (4 STV par tableau) ont été revêtus d'une épaisseur de film d'environ 0,35 µm, dont 5 tableaux STV ont été revêtus de film HTOSP et les 5 autres tableaux STV ont été revêtus de film OSP standard de l'industrie. Les STV revêtus sont ensuite soumis à une série de traitements de reflux sans plomb à haute température dans un four de reflux de pâte à soudure. Chaque condition d'essai comprenait 0, 1, 3, 5 ou 7 reflux consécutifs. Il y avait 4 STV par membrane pour chaque condition d'essai de reflux. Après le processus de reflux, tous les STV sont traités pour une soudure à haute température et sans plomb. La soudabilité des trous traversants peut être déterminée en inspectant chaque STV et en comptant le nombre de trous traversants correctement remplis. Le critère d'acceptation du trou traversant est que le remplissage de soudure doit être rempli au sommet du trou traversant plaqué ou au bord supérieur du trou traversant. Chaque STV a 1196 trous traversants: 10milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads20milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads30milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads5. La soudabilité du film OSP peut également être déterminée par un test d'équilibre d'étain par trempage. Appliquer le film HTOS P sur l'échantillon d'essai de balance de trempage en étain, après 7 fois de reflux sans plomb, Tpeak = 262 â ¢. Le processus de reflux a été réalisé en air à l'aide d'un BTUTRS combiné avec un four de reflux IR/convection. L'essai d'équilibre d'humidité a été effectué conformément à la section 4.3.1.4 de la norme IPC/EIAJ-STD-003A, en utilisant le testeur automatique d'équilibre d'immersion "Robotic Process Systems", le flux EF-8000, le flux sans nettoyage et la soudure en alliage SAC305.6. La résistance de la liaison de soudure peut être mesurée par la force de cisaillement. La planche d'essai de tampon BGA (0,76 mm de diamètre) a été revêtue de films HTOSP d'épaisseurs de 0,25 et 0,48 μm, et soumise à trois traitements de reflux sans plomb à 262°C. Et soudées aux coussinets avec la pâte de soudure correspondante, les billes de soudure sont en alliage SAC305 (diamètre de 0,76 mm). Des essais de cisaillement ont été réalisés avec un testeur d'adhésion DagePC-400 à une vitesse de cisaillement de 200 µm/see. Résultats et discussion1. La chromatographie gazeuse-spectrométrie de masseLa chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse peut détecter la volatilité des composants organiques dans les films OSP. Différents produits OSP dans l'industrie contiennent différents azoles, y compris les imidazoles et les benzimidazoles. Les alkylbenzimidazoles pour les membranes HTOSP, les alkylbenzimidazoles pour les membranes OSP standard et les phénylimidazoles pour d'autres membranes OSP se volatilisent lorsqu'ils sont chauffés dans une colonne de chromatographie à gaz. Comme les polymères organométalliques ne s'évaporent pas, la chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse ne peut pas détecter les azoles polymérisés par métal. Par conséquent, la chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse ne peut détecter que les azoles et d'autres petites molécules qui ne réagissent pas avec les métaux. Les petites molécules moins volatiles sont généralement conservées plus longtemps dans les mêmes conditions de chauffage et de débit de gaz dans une colonne GC. Le temps de résidence de l'alkylbenzimidazole pour la membrane OSP standard et du phénylimidazole pour l'autre membrane OSP était de 19,0 min, illustrant la volatilité de l'alkylbenzimidazole HT. Parmi les trois films OSP, le film HTOSP contenait moins d'impuretés. Les impuretés organiques dans les films OSP peuvent également affecter la soudabilité du film lors du traitement de reflux et provoquer une décoloration. Il a été rapporté par Koji Saeki [5] qu'en raison de la faible densité d'ions de cuivre sur la surface de la membrane OSP, la réaction de polymérisation à la surface était plus faible que celle au fond de la membrane. Les auteurs de cet article pensent que les azoles non réagits restent encore à la surface du film OSP. Au cours du processus de reflux, plus d'ions cuivre se déplacent du fond vers la couche de surface du film, offrant ainsi l'occasion de réagir avec des composés azoles non réagissants dans la couche de surface, empêchant ainsi l'oxydation du cuivre. L'alkylbenzimidazole-HT utilisé dans le film HTOSP est moins volatile et a donc une meilleure chance de réagir avec les ions cuivre se déplaçant de la couche inférieure à la couche superficielle, réduisant ainsi l'oxydation du cuivre pendant le processus de reflux. XPS peut montrer le transfert d'ions de cuivre de la couche inférieure à la couche de surface, réduisant ainsi l'oxydation du cuivre pendant le processus de reflux. XPS peut montrer le transfert d'ions de cuivre de la couche inférieure à la couche de surface.2. Analyse thermogravimétrique (TGA) L'analyse thermogravimétrique (TGA) mesure le changement de masse des substances en raison des changements de température et peut effectuer une analyse quantitative efficace des changements de masse. Dans l'expérience de cet article, l'analyse thermogravimétrique est une méthode de simulation de reflux sans plomb sous protection d'azote, qui est utilisée pour analyser la volatilisation de petites molécules et la dégradation des macromolécules du film OSP pendant le processus de reflux sans plomb du film OSP sous protection d'azote. Les résultats du TGA ont montré que la température de dégradation du film OS P standard de l'industrie était de 259 °C, tandis que celle du film HTOSP était de 290 °C. Bien que la température de dégradation du poly(benzimidazole-zinc) soit aussi élevée que 400 °C, la température réelle de dégradation du film HTOSP ne peut pas atteindre une température élevée de 400 °C en raison de la présence de poly(benzimidazole-cuivre) dans le film. Puisque la composition chimique du film OSP standard de l'industrie est poly(benzimidazole-cuivre), la température de dégradation du film est faible, seulement 259 °C. Fait intéressant, un autre film HTOSP avait deux températures de dégradation, 256 °C et 356 °C, respectivement. La raison est que ce film OSP peut contenir du fer [6], ou en raison de la décomposition progressive du poly(phénylimidazole-fer). Les résultats du TGA obtenus par F. Jian et ses collègues ont montré que le poly(imidazole-fer) a également deux températures de dégradation, 216 °C et 378 °C, respectivement.3. La spectroscopie photoélectronique utilise les méthodes analytiques de photoionisation et de dispersion d'énergie des photoélectrons émis pour étudier la composition et l'état électronique de la surface de l'échantillon. Les points d'énergie de liaison de l'oxygène (1s), du cuivre (2p) et du zinc (2p) sont représentés dans le spectre XPS comme 532-534eV, 932-934eV et 1022eV, respectivement. Cette technique permet d'analyser quantitativement la composition de surface des 10 nm extérieurs de l'échantillon. Par analyse, le film HTOSP contient 5,02 % d'oxygène et 0,24 % de zinc avant traitement de reflux sans plomb. Après cinq refluxs sans plomb, les teneurs en oxygène et en zinc du film HTOSP étaient respectivement de 6,2 % et de 0,22 %. Après 5 refluxs sans plomb, la teneur en cuivre est passée de 0,60 % à 1,73 %. La raison de l'augmentation des ions cuivre peut être que les ions cuivre dans la couche inférieure migrent vers la couche de surface pendant le processus de reflux. E.K. Changetc [8] a également effectué une analyse de surface standard de l'industrie des films OSP en utilisant la spectroscopie photoélectronique. Avant tout traitement de reflux, la teneur en oxygène était de 5,0%, puis la teneur en oxygène a augmenté à 9,1% et 11,0% après 1 et 3 refluxs classiques de SnPb dans l'air, respectivement. Il a également été signalé que la teneur en oxygène du SnPb a augmenté à 6,5 % après protection par azote et reflux. Dans cette expérience, la spectroscopie photoélectronique a montré que la teneur en oxygène du film OSP standard de l'industrie a augmenté à 12,5% après 5 reflux sans plomb. Par conséquent, avant et après 5 refoulements sans plomb, la teneur en oxygène a augmenté de 7,5%, ce qui était supérieur à l'augmentation de 1,2% de la teneur en oxygène du film HTOSP. La performance de soudure du cuivre dépend dans une large mesure du degré d'oxydation du cuivre et de la résistance du flux utilisé. Par conséquent, la teneur en oxygène mesurée par XPS est un bon indicateur de la résistance thermique des films OSP. Comparé au film OSP standard de l'industrie, HTOSP a une meilleure résistance à la chaleur. Après 5 refluxs sans plomb, le test de décoloration a montré que le film HTOSP n'avait pratiquement aucune décoloration, tandis que le film OSP standard de l'industrie avait une décoloration évidente. Les résultats de l'essai de décoloration étaient conformes aux résultats de l'analyse XPS.4. Les tests d'équilibre de l'étain mouillant montrent qu'après plusieurs reflux sans plomb, la soudabilité à travers les trous du film HTOSP est supérieure à celle du film 0 S P standard actuel de l'industrie. Ceci est conforme à la résistance thermique du film HTOSP. Avec l'augmentation des temps de reflux sans plomb, T. (timetozero) augmentera progressivement, mais la force de mouillage de l'étain diminuera progressivement. Cependant, le film HTOSP a maintenu son excellente soudabilité après 7 cycles de reflux sans plomb. Les essais de cisaillement ont montré que la force de cisaillement augmentait progressivement et atteignait un point de 25N. Comme la force de cisaillement dépend de la section transversale du cisaillement, les résultats varieront en fonction de la forme de la bille de soudure et de l'espace entre le cisaillement et le coussin. Les auteurs de cet article estiment que la force de cisaillement n'est pas limitée par l'épaisseur du film OSP tant que la surface du cuivre est suffisamment protégée contre l'oxydation du cuivre. Volatilité de l'alkylbenzimidazole-HT pour les membranes HTOSP par rapport à d'autres membranes OSP testées.2. Température de dégradation du film HTOSP par rapport aux autres films OSP testés.3. Après 5 fois de reflux sans plomb, la teneur en oxygène du film HTOSP n'a augmenté que de 1%, tandis que celle du film OSP standard de l'industrie a augmenté de 7,5%. Dans le même temps, le film HTOSP ne change fondamentalement pas de couleur.4. En raison de l'excellente résistance thermique du film HTOSP, après plus de 3 fois de reflux sans plomb, il offre toujours une excellente soudabilité dans l'essai de trou traversant et l'essai d'équilibre de trempage en étain.5. Le film HTOSP peut fournir des joints de soudure de haute fiabilité, le test de cisaillement peut prouver cette fiabilité sur la carte PCB.