PCB无铅装配制程中耐高温OSP膜的性能及厚度评估

　　本文将介绍 HT OSP的化学特性，包括膜层成分分析，主要唑类衍生物和OSP膜的热分析，以及OSP膜的表面分析。气相色谱一质谱分析法（GC/MS）可以测定交链反应中夹带在OSP膜中的小分子有机化合物。热重量分析法/差动扫描测热法（TGA/DSC）用于测试唑类衍生物和OSP膜的热稳定性。光电子能谱分析法（XPS）用于分析 HTOSP膜经过多次无铅回流后的表面的氧化情况。

　　本文也将从实际的生产经验出发，介绍OSP膜厚控制的稳定性。HT OSP工艺提供了稳定而灵活的膜厚控制方法。厚度分析显示OSP膜在膜形成的过程中具有微整平效果，而且所形成的膜厚度能够完全保护在工业生产中经过不同微蚀处理的各种板材的铜面不被氧化。HT OSP膜的耐高温性及稳定的膜厚控制确保了PCB在无铅焊接时具有优异的可靠性。

　　引言

　　OSP膜在印制电路板行业的应用已有多年，OSP 膜是通过唑类衍生物与过渡金属，如铜和锌，发生化学反应而生成薄的有机金属聚合物膜。众多的学术研究[1，2，3]结果揭示了唑类衍生物对金属的腐蚀抑制机理。G.P.Brow[3]成功地合成了苯并咪唑与Cu（ll）、Zn（ll）及其他过渡金属的有机金属聚合物，并通过热重量分析法（TGA）专门分析了聚苯并咪唑锌所具有的罕见的高温稳定性。根据他的TGA实验数据，聚苯并咪唑锌在空气条件下具有高达400℃的降解温度，在氮气保护条件下具有高达500℃的分解温度，而聚苯并咪唑铜的分解温度只有250℃。新研发的HT OSP是基于聚苯并咪唑锌的化合物，因此具有卓越的热稳定性。

　　OSP膜的主要成分是夹带有脂肪酸和唑类衍生物小分子的有机金属聚合物，这种有机金属聚合物提供了所需要的耐腐蚀性、铜附着性和表面硬度。为了能承受无铅组装工艺的温度条件，有机金属聚合物的分解温度必须高于无铅焊料的熔点温度，否则经过无铅组装工艺后OSP膜的主成分会出现分解。OSP膜的分解温度在很大程度上取决于有机金属聚合物的自身特性。已知的另一个保护铜面不受氧化影响的关键因素是唑类衍生物的挥发性，当然其中也包括了苯并咪唑衍生物和苯基咪唑。在无铅回流焊接过程中，因为OSP膜中小分子的挥发而明显降低了铜的抗氧化性。

　　耐高温性和足够的膜厚度是无铅焊接对 OSP工艺最为关键的两个要求。没有足够的耐高温性和膜厚度，在无铅组装过程中铜表面就会被氧化而降低焊接可靠性。

　　气相色谱一质谱分析法（GC/MS）分析OSP膜的成分

　　气相色谱一质谱分析法（GC/MS）是一种可用来分析OSP膜成分的非常有用的工具。各种唑类衍生物，其中包括咪唑衍生物和苯并咪唑衍生物，被应用于PCB生产中的各种OSP产品中。可以用气相色谱一质谱分析法（GC/MS）对使用烷基苯并咪唑的HT OSP 和使用芳基苯并咪唑的另一种OSP一（S）进行分析。因为有机金属聚合物不挥发，所以GC/MS不能检测和金属发生共聚合的唑类衍生物，只能检测那些不与金属和其他小分子发生化学反应的唑类衍生物。一般来说，在气相色谱柱内完全相同的加热和气流条件下，挥发性较低的分子保留的时间会更长。两种OSP膜含有相同的脂肪酸、不同的唑类衍生物和其它一些杂质。烷基苯并咪唑的峰值及芳基苯并咪唑的峰值分别出现在20.5分钟和19.0分钟。烷基苯并咪唑在气相色谱柱加热和载气流动时挥发性较小，另一种OSP-（S）所使用的芳基苯并咪唑的保留时间较短且挥发性较大。

　　GC/MS测试结果也表明 HT OSP膜含有的杂质较少，OSP膜中的有机杂质在回流焊接过程中会导致膜层可焊性下降和变色现象。因此，HT OSP膜受杂质对性能的影响也小于另一种OSP-（S）膜。

　　唑类衍生物（TGA/DSC）和OSP膜（TGA）的热稳定性分析

　　用TA公司的TGA2950和DSC Q-100仪器分别在氮气保护条件下测试。用在HT OSP膜的烷基苯并咪唑样品和用在另一种OSP-（S）膜的芳基苯并咪唑样品，工作温度初始先保持25℃ 15分钟，然后以10℃/min的速度升温至700℃。用于HT OSP膜的烷基苯并咪唑和用于另一种OSP-（S）膜的芳基苯并咪唑的DSC和TGA热分析图。一个显著的单吸热峰（Tm=192℃）和一个大幅度的热重量损失（Tonset=213℃），这说明用于HT OSP膜的烷基苯并咪唑的熔点为192℃，然后在213℃迅速挥发或分解。图4所示的是在比烷基苯并咪唑熔点温度稍低的位置出现的一个显著的双吸热峰（Tm=168℃和175℃）, 随之先出现一次小幅度但非常明显的热重量损失（约7%），紧接着出现一次大幅度的热重量损失，Tonset大约为154℃。HT OSP的烷基苯并咪唑和用于OSP-（S）膜的芳基苯并咪唑的DSC和TGA热分析图，很明显，用于HT OSP的烷基苯并咪唑热稳定性要比用于OSP-（S）膜的芳基苯并咪唑的热稳定性好。

　　从经过 HT OSP工艺和另一种OSP（S）工艺处理的铜表面上刮下大约17.0mg的膜作为测试样品。在进行TGA测试前，这些铜板和膜样品都没有经过任何组装回流焊处理。TGA测试是使用TA公司的TGA 2 950仪器在氮气保护条件下进行的。工作温度初始先保持25℃分钟，然后以10℃/min的速度升温至700℃。

　　HT OSP膜的分解温度为290℃。HT OSP膜之所以有较高的分解温度，是因为它是基于聚苯并咪唑锌的化合物，而聚苯并咪唑锌的分解温度高达400℃。但是因为铜共沉积在HT OSP膜中，所以HT OSP膜的实际分解温度并没有达到400℃。OSP-（S）膜却有两个分解温度，分别是256℃和356℃（见图10），原因是此类OSP可能含有铁[6]且聚（芳基苯并咪唑-铁）发生了逐级分解。F.Jian和他的同事得到的TGA结果也表明聚（咪唑-铁）有两个分解温度，分别为216℃ and 378 ℃[7]。因此，HT OSP膜比OSP-（s） 胸膜有更高的分解温度和更好的耐热性。

　　等离子辐照射和回流工艺

　　近年来，混合金属最终表面处理的印制电路板（PCB）越来越普及而且持续增长。为了清洁金表面，需要用等离子辐照射的方法清洁PCB有BGA的板面，此时OSP膜也会暴露于等离子的环境中并变薄[5]，因此选择一种具有高热稳定性的唑类衍生物非常关键。基于之前的研究结果，我们确信由热稳定性较高的烷基苯并咪唑所形成的HT OSP膜承受等离子辐照射的性能比由芳基苯并咪唑形成的OSP-（S）膜要强。

　　研究结果指出[5]，因为OSP膜表面的铜离子浓度较低，所以膜表面的聚合反应要比底部的聚合反应弱。我们也确信OSP膜的表面存在未反应的唑类衍生物分子，在等离子清洁或回流焊接过程中，更多的铜离子从底部迁移到表面，这样表面未反应的具有更高耐热性的唑类衍生物分子就有更多机会与铜离子反应而被保留下来，防止铜被空气氧化。之前的测试数据表明用于HT OSP膜的烷基苯并咪唑比用于OSP-（S） 膜的芳基苯并咪唑具有更高的热稳定性，因此与从底部迁移上来的铜离子发生反应的可能性也更大，进而降低了铜在回流焊和等离子清洁过程中被氧化的可能性。铜离子从底部迁移到顶部的过程可以通过光电子能谱分析仪（XPS）分析，将在下文讨论。

　　通过光电子能谱分析法（XPS）分析HT OSP膜表面

　　光电子能谱分析法（XPS），也称电子能谱化学分析（ESCA），是一种化学表面分析方法。XPS可以测量样品最外层10-100A的化学成分。涂覆HT OSP膜的覆铜板经过5次的无铅回流焊处理。用VG ESCALAB Mark 11型XPS对 HT OSP膜 5次无铅回流焊前后进行分析。

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