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Prestazioni della pellicola OSP nel processo senza piombo della scheda di copia PCB
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Prestazioni della pellicola OSP nel processo senza piombo della scheda di copia PCB

Prestazioni della pellicola OSP nel processo senza piombo della scheda di copia PCB

2022-04-21
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Author:pcb

Per soddisfare l'urgente esigenza dell'industria elettronica di vietare il piombo, il circuiti stampati L'industria sta spostando il trattamento superficiale dallo spruzzo di stagno livellato ad aria calda (eutettico stagno-piombo) ad altri trattamenti superficiali, compreso il film protettivo organico (OSP)Introdurre, argento ad immersione, Stagno di immersione e nichel elettroless immersion oro. I film OSP sono considerati la scelta migliore per la loro eccellente saldabilità, facilità di processo, e bassi costi operativi. Grazie all'eccellente saldabilità, simplicity and low cost of OSP (Organic Solderable Protective Film), è considerato il miglior processo di trattamento superficiale. In questo articolo, thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry (TD-GC-MS), L'analisi termogravimetrica (TGA) e la spettroscopia fotoelettronica (XPS) sono state utilizzate per analizzare le relative proprietà di resistenza al calore della nuova generazione di pellicole OSP ad alta temperatura. La gascromatografia ha testato i piccoli componenti organici molecolari che influenzano la saldabilità nel film OSP ad alta temperatura (HTOSP), e allo stesso tempo ha mostrato che l'alchilbenzimidazolo-HT nel film OSP ad alta temperatura ha una volatilità molto bassa. I dati TGA indicavano che il film HTOSP aveva una temperatura di degradazione più elevata rispetto all'attuale film OSP standard industriale. I dati XPS hanno mostrato che il contenuto di ossigeno dell'OSP ad alta temperatura è aumentato solo dell'1% circa dopo 5 cicli di riflusso senza piombo. I miglioramenti di cui sopra sono direttamente correlati ai requisiti di saldabilità industriale senza piombo.

Scheda PCB

I film OSP sono stati utilizzati in stampato circuiti stampati da molti anni e sono film polimerici organometallici formati dalla reazione degli azoli con elementi metallici di transizione come rame e zinco. Molti studi hanno rivelato il meccanismo di inibizione della corrosione degli azoli sulle superfici metalliche.G.P.Brown ha sintetizzato con successo polimeri organometallici di benzimidazolo e rame (II), zinco (II) e altri elementi metallici di transizione e ha descritto le eccellenti proprietà di resistenza alle alte temperature di poli (benzimidazolo-zinco) da TGA. I dati TGA di G.P.Brown mostrano che la temperatura di degradazione del poli(benzimidazolo-zinco) è alta fino a 400°C in aria e 500°C in atmosfera protettiva azotata, mentre la temperatura di degradazione del poli(benzimidazolo-rame) è di soli 250°C. Il nuovo film HTOSP recentemente sviluppato si basa sulle proprietà chimiche del poli(benzimidazolo-zinco) e quindi ha un'eccellente resistenza al calore. I film OSP sono composti principalmente da polimeri organometallici e piccole molecole organiche entrained, come acidi grassi e azoli, durante la deposizione. I polimeri organometallici forniscono la necessaria resistenza alla corrosione, adesione superficiale in rame, durezza superficiale OSP. La temperatura di degradazione del polimero organometallico deve essere superiore al punto di fusione della saldatura senza piombo per resistere alla lavorazione senza piombo. Altrimenti, la pellicola OSP si degrada dopo il processo senza piombo. La temperatura di degradazione dei film OSP dipende in gran parte dalla resistenza al calore dei polimeri organometallici. Un altro fattore importante che influenza l'attività antiossidante del rame è la volatilità dei composti azolici, come benzimidazolo e fenilimidazolo. Le piccole molecole del film OSP evaporano durante il processo di riflusso senza piombo, influenzando così la resistenza all'ossidazione del rame. La resistenza termica di OSP può essere dimostrata scientificamente utilizzando la spettrometria di massa gascromatografia (GC-MS), l'analisi termogravimetrica (TGA) e la spettroscopia fotoelettronica (XPS)..

1. Analysis by gas chromatography-mass spectrometry

I pannelli di rame testati sono stati rivestiti con: a) un nuovo film HTOSP; b) un film OSP standard del settore e; c) un altro film OSP industriale. Circa 0.74-0.79 mg di pellicola OSP sono stati raschiati dalla piastra di rame. Né le lastre di rame rivestite né i campioni raschiati sono stati sottoposti ad alcun trattamento di riflusso. La H/P6890GC/Lo strumento MS è stato utilizzato in questo esperimento, e una siringa senza canna è stata usata. Le siringhe prive di siringhe possono desorbire campioni solidi direttamente nella camera di iniezione. Le siringhe senza siringhe possono trasferire campioni da piccoli tubi di vetro alla camera di ingresso di un gascromatografo. Il gas vettore porta continuamente sostanze organiche volatili alla colonna GC per la raccolta e la separazione. Posizionare il campione contro la parte superiore della colonna consente una replica efficiente del desorbimento termico. Dopo che c'è abbastanza campione per essere desorbito, la gascromatografia inizia a funzionare. In questo esperimento, a RestekRT-1 (0.25mmid×30m, spessore del film di 1.0μm) gas chromatography column was used. Il programma di riscaldamento della colonna di gascromatografia: dopo riscaldamento a 35°C per 2 minuti, la temperatura è stata elevata a 325°C, e la velocità di riscaldamento era di 15°C/min. Le condizioni di desorbimento termico sono state: dopo il riscaldamento a 250°C per 2 minuti. La massa/I rapporti di carica dei composti organici volatili separati sono stati rilevati mediante spettrometria di massa nell'intervallo 10-700 dalton. Sono stati registrati anche i tempi di ritenzione di tutte le piccole molecole organiche.

2. Analisi termogravimetrica (TGA)

Likewise, un nuovo film HTOSP, an industry standard OSP film, e un altro film OSP industriale sono stati rivestiti sui campioni, rispettivamente. Circa 17.0 mg di pellicola OSP è stato raschiato dalla piastra di rame come campione di prova materiale. Né il campione né il film possono essere sottoposti ad alcun trattamento di riflusso senza piombo prima della prova TGA. I test TGA sono stati eseguiti sotto protezione dall'azoto utilizzando un 2950TA di TA Instruments. La temperatura di esercizio è stata mantenuta a temperatura ambiente per 15 minuti e poi aumentata a 700°C ad una velocità di 10°C/min.

3.Spettroscopia fotoelettronica (XPS)

Spettroscopia fotoelettronica (XPS), nota anche come Spettroscopia elettronica per l'analisi chimica (ESCA), è un metodo chimico di analisi superficiale. XPS misura la composizione chimica della superficie di rivestimento a 10 nm. Il film HTOSP e il film OSP standard industriale sono stati rivestiti sulla piastra di rame e poi sottoposti a 5 riflusso senza piombo. Il film HTOSP prima e dopo il trattamento di reflow è stato analizzato da XPS; Il film OSP standard del settore dopo 5 reflow senza piombo è stato analizzato anche da XPS, e lo strumento utilizzato era VGSCALAB Mark II.

4. Attraverso la prova di saldabilità del foro

La prova di saldabilità attraverso foro è eseguita utilizzando le schede di prova di saldabilità (STV). Un totale di 10 matrici STV del bordo di prova di saldabilità (4 STV per array) sono stati rivestiti con uno spessore del film di circa 0.35 μm, Di cui 5 matrici STV sono stati rivestiti con film HTOSP e gli altri 5 matrici STV sono stati rivestiti con film OSP standard industriale. Gli STV rivestiti sono quindi sottoposti ad una serie di alte temperature, Trattamenti di riflusso senza piombo in un forno di riflusso a pasta di saldatura. Ogni condizione di prova includeva 0, 1, 3, 5 o 7 riflusso consecutivi. Ci sono stati 4 STV per membrana per ogni condizione del test di riflusso. Dopo il processo di riflusso, Tutti gli STV sono elaborati per la saldatura ad onde ad alta temperatura e senza piombo. La saldabilità del foro passante può essere determinata ispezionando ogni STV e contando il numero di fori passanti correttamente riempiti. Il criterio per l'accettazione del foro passante è che il riempimento della saldatura deve essere riempito alla parte superiore del foro passante placcato o al bordo superiore del foro passante.

Ogni STV ha 1196 fori passanti:
10milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads
20milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads
30milholes-Fourgrids, 100holeseachgridsquareandrou ndpads

5. Saldabilità della prova da stagno-immersione equilibrio

La saldabilità del film OSP può anche essere determinata da una prova di equilibrio dello stagno di immersione. Applicare la pellicola HTOS P sul campione di prova dell'equilibrio di immersione in stagno, dopo 7 volte di riflusso senza piombo, Tpeak=262℃. Il processo di riflusso è stato eseguito in aria utilizzando un BTUTRS combinato con un IR/forno a riflusso a convezione. La prova della bilancia bagnata è stata eseguita in conformità con IPC/EIAJ-STD-003A Sezione 4.3.1.4, utilizzando il tester automatico "Robotic Process Systems", Flusso EF-8000, flusso non pulito, saldatura in lega SAC305.


6. Prova di resistenza del legame di saldatura

La forza del legame della saldatura può essere misurata dalla forza di taglio. La scheda di prova BGA pad (0,76 mm di diametro) è stata rivestita con film HTOSP con spessori di 0,25 e 0,48 μm, e sottoposto a tre volte di trattamento di riempimento senza piombo a 262°C. E saldato ai pad con la pasta di saldatura corrispondente, le sfere di saldatura sono in lega SAC305 (diametro 0.76mm). I test di taglio sono stati eseguiti con un tester di adesione DagePC-400 ad una velocità di taglio di 200 μm/vedi.


Risultati e discussione

1. Gascromatografia-spettrometria di massa

La spettrometria di massa gascromatografia può rilevare la volatilità dei componenti organici nei film OSP. Diversi prodotti OSP nell'industria contengono diversi azoli tra cui imidazoli e benzimidazoli. Alchilbenzimidazoli per membrane HTOSP, alchilbenzimidazoli per membrane OSP standard, e fenilimidazoli per altre membrane OSP volatilizzano quando riscaldati in una colonna di gascromatografia. Poiché i polimeri organometallici non evaporano, La spettrometria di massa gascromatografia non può rilevare azoli metallizzati. Pertanto, La spettrometria di massa gascromatografia può rilevare solo azoli e altre piccole molecole che non reagiscono con i metalli. Piccole molecole meno volatili sono generalmente trattenute più a lungo nelle stesse condizioni di riscaldamento e flusso di gas in una colonna GC. Il tempo di residenza dell'alchilbenzimidazolo per la membrana standard OSP e del fenil imidazolo per l'altra membrana OSP è stato 19.0 min, che illustra la volatilità dell'alchilbenzimidazolo HT. Gascromatografia-spettrometria di massa Tra i tre film OSP, il film HTOSP conteneva meno impurità. Le impurità organiche nei film OSP possono anche influenzare la saldabilità del film durante la lavorazione del reflow e causare scolorimento. È stato riferito da Koji Saeki [5] che a causa della minore densità di ioni di rame sulla superficie della membrana OSP, la reazione di polimerizzazione alla superficie era più debole di quella nella parte inferiore della membrana. Gli autori di questo articolo ritengono che gli azoli non reattivi rimangano ancora sulla superficie del film OSP. Durante il processo di riflusso, Più ioni di rame si muovono dal basso allo strato superficiale del film, fornendo così l'opportunità di reagire con composti azolici non reattivi nello strato superficiale, impedendo così l'ossidazione del rame. L'alchilbenzimidazolo-HT utilizzato nel film HTOSP è meno volatile e quindi ha una migliore probabilità di reagire con gli ioni di rame che si spostano dallo strato inferiore allo strato superficiale, riducendo così l'ossidazione del rame durante il processo di riflusso. XPS può mostrare il trasferimento degli ioni di rame dallo strato inferiore allo strato superficiale, riducendo così l'ossidazione del rame durante il processo di riflusso. XPS può mostrare il trasferimento degli ioni di rame dallo strato inferiore allo strato superficiale.


2. Analisi termogravimetrica (TGA)

L'analisi termogravimetrica (TGA) misura il cambiamento di massa delle sostanze dovuto ai cambiamenti di temperatura, e può eseguire un'analisi quantitativa efficace dei cambiamenti di massa. Nell'esperimento di questo articolo, L'analisi termogravimetrica è un metodo di simulazione di riflusso senza piombo sotto protezione di azoto, che viene utilizzato per analizzare la volatilizzazione di piccole molecole e la degradazione delle macromolecole del film OSP durante il processo di riflusso senza piombo del film OSP sotto protezione di azoto. I risultati del TGA hanno mostrato che la temperatura di degradazione del film OS P standard del settore era 259 °C, mentre quella del film HTOSP era di 290 °C. Although the degradation temperature of poly(benzimidazole-zinc) is as high as 400 °C, the actual degradation temperature of HTOSP film cannot reach a high temperature of 400 °C due to the presence of poly(benzimidazole-copper) in the film. Since the chemical composition of the industry-standard OSP film is poly(benzimidazole-copper), la temperatura di degradazione del film è bassa, solo 259°C. Interessante, Un altro film HTOSP aveva due temperature di degradazione, 256 °C e 356 °C, rispettivamente. The reason is that this OSP film may contain iron [6], or due to the gradual decomposition of poly(phenylimidazole-iron). Risultati TGA ottenuti da F. Jian and his colleagues showed that poly(imidazole-iron) also has two degradation temperatures, 216°C e 378°C, rispettivamente.


3. Spettroscopia fotoelettronica

La spettroscopia fotoelettronica utilizza i metodi analitici di fotoionizzazione e dispersione di energia dei fotoelettroni emessi per studiare la composizione e lo stato elettronico della superficie del campione. I punti energetici di legame di ossigeno (1s), rame (2p) e zinco (2p) sono mostrati nello spettro XPS come 532-534eV, 932-934eV e 1022eV, rispettivamente. Questa tecnica può analizzare quantitativamente la composizione superficiale dei 10 nm esterni del campione. Per analisi, la pellicola HTOSP contiene 5.02% ossigeno e 0.24% zinco prima del trattamento di riflusso senza piombo. Dopo cinque volte di riflusso senza piombo, i contenuti di ossigeno e zinco della pellicola HTOSP erano 6.2% e 0.22%, rispettivamente. Dopo 5 riflusso senza piombo, il contenuto di rame è aumentato da 0.60% a 1.73%. La ragione dell'aumento degli ioni di rame può essere che gli ioni di rame nello strato inferiore migrano allo strato superficiale durante il processo di riflusso. E.K. Changetc [8] also performed industry standard surface analysis of OSP films by using photoelectron spectroscopy. Prima di qualsiasi trattamento di reflusso, il contenuto di ossigeno era 5.0%, e poi il contenuto di ossigeno è aumentato a 9.1% e 11.0% dopo 1 e 3 riflusso SnPb convenzionali in aria, rispettivamente. È stato anche riferito che il contenuto di ossigeno di SnPb è aumentato a 6.5% dopo la protezione e il riflusso dell'azoto. In questo esperimento, La spettroscopia fotoelettronica ha mostrato che il contenuto di ossigeno del film OSP standard dell'industria è aumentato a 12.5% dopo 5 riflusso senza piombo. Pertanto, prima e dopo 5 riflusso senza piombo, il contenuto di ossigeno aumentato di 7.5%, che era maggiore di 1.Aumento del 2% del contenuto di ossigeno della pellicola HTOSP. Le prestazioni di saldatura del rame dipendono in larga misura dal grado di ossidazione del rame e dalla resistenza del flusso utilizzato. Pertanto, il contenuto di ossigeno misurato da XPS è un buon indicatore della resistenza al calore dei film OSP. Rispetto alla pellicola OSP standard del settore, HTOSP ha una migliore resistenza al calore. Dopo 5 riflusso senza piombo, il test di scolorimento ha mostrato che il film HTOSP non aveva praticamente scolorimento, mentre la pellicola OSP standard del settore presentava evidenti scolorimenti. I risultati del test di scolorimento erano coerenti con i risultati dell'analisi XPS.


4. Prova di saldabilità

I test di bilanciamento dello stagno di bagnatura mostrano che dopo molteplici riflusso senza piombo, la saldabilità a foro passante della pellicola HTOSP è superiore a quella dell'attuale pellicola standard industriale 0 S P. Questo è coerente con la resistenza al calore del film HTOSP. Con l'aumento dei tempi di riflusso senza piombo, T. (timetozero) will gradually increase, ma la forza di bagnatura dello stagno diminuirà gradualmente. Tuttavia, Il film HTOSP ha mantenuto la sua eccellente saldabilità dopo 7 cicli di riflusso senza piombo. La prova di taglio ha mostrato che la forza di taglio gradualmente è aumentata e ha raggiunto un punto di 25N. Poiché la forza di taglio dipende dalla sezione trasversale del taglio, i risultati variano a seconda della forma della palla di saldatura e dello spazio tra la cesoia e il pad. Gli autori di questo articolo ritengono che la forza di taglio non sia limitata dallo spessore del film OSP purché la superficie di rame sia adeguatamente protetta contro l'ossidazione del rame.


in conclusione

1. Volatilità alchilbenzimidazolo-HT per membrane HTOSP rispetto ad altre membrane OSP testate.
2. Temperatura di degradazione del film HTOSP rispetto ad altri film OSP testati.
3. Dopo 5 volte di riflusso senza piombo, il contenuto di ossigeno della pellicola HTOSP è aumentato solo dell'1%, mentre quella della pellicola OSP standard industriale è aumentata di 7.5%. Allo stesso tempo, la pellicola HTOSP fondamentalmente non cambia colore.
4. Grazie all'eccellente resistenza al calore del film HTOSP, dopo più di 3 volte di riflusso senza piombo, fornisce ancora un'eccellente saldabilità nella prova del foro passante e nella prova del bilanciamento dello stagno.
5. Il film HTOSP può fornire giunti di saldatura ad alta affidabilità, La prova di taglio può dimostrare questa affidabilità su Scheda PCB.