微蚀与混合金属OSP_廖贵圣

微蚀与混合金属OSP

Paper Code: A-124

廖贵圣 刘 政

昆山市贝加尔电子材料有限公司

摘 要 文章介绍了混合金属基板OSP及选择合适的微蚀剂能有效抑制贾凡尼效应，防止因贾凡

尼效应而引起的品质隐患，杜绝金面变色；同时介绍了不同微蚀体系对可焊性影响。

关键词 微蚀；邮寄可焊性保护剂；焊锡浸润性；混合金属

中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2010）增刊-0056-05

Micro-etching and compound metal OSP

LIAO Gui-sheng LIU Zheng

Abstract This article describes the OSP for mixed-metal ? nishes and chooses a suitable micro-etching, which can prevent quality risks caused by Galvanic effect and prevent gold surface discoloration. And it also describes the different Micro-etching effect on the solderability.

Key words microetch; OSP; Solderability; mixed-metal

1 前言

有机可焊性保护剂（OSP organic solderability preservatives）在早期称为耐热预焊剂（preflux）。实质上，它是一种烷基苯并咪唑（ABI alkyl benzimidazole）类化合物，具有很高的耐热性，其分解温度一般在300℃以上。因此，它能够很好地保护着新鲜的铜表面不被氧化和污染，在高温焊接时，由于焊料的作用除去OSP而显露出新鲜铜表面并迅速与焊料进行牢固焊接。

有机可焊性保护剂的基本原理是烷基苯并咪唑类有机化合物中的咪唑环能与铜原子的2d10电子形成配位键，从而形成烷基苯并咪唑-铜络合物。其中，连链烷基之间又通过范得华力互相吸引着，这样便在新鲜的铜表面上形成一定厚度（一般为0.2 μm ~ 0.5 μm之间）的保护层，加上苯环的存在，所以这层保护膜便具有很好的耐热性和高的分解温度。其中R基（烷基）的选择或结合将决定着能不能作为PCB的OSP使用问题。烷基（R）的选择会影响到OSP的耐热性能和分解温度高低程度，因此，烷基（R）的链长和结构是OSP研究和开发中的主要课题，也是不断改进OSP耐热性能和提高分解温度的主要内容，更是OSP供应商保密的主要原因。随着现代电子工业的发展，特别是单一的表面处理方式不能满足生产的要求，例如大部份手机板表面处理方法为：化金+OSP，手机的BGA焊盘为OSP（裸铜上有一层防氧化膜）的只要原因是：PCB板材本身为铜皮，如果使用无铅（Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5）锡膏进行焊接无铅（Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5）BGA的话，可以增加彼此间的IMC层，使其焊点焊接的剪切力增加，同时减少BGA空洞的形成防止用化镍浸金工艺带来的黑垫。

而作为适用于混合金属，比普通OSP具有更高的要求：能够抑制贾凡尼效应；不在金面上沾膜等。

2 混合金属OSP工艺

2.1 混合金属OSP工艺主要有两种，分为单液型与双液型

单液型流程：除油→水洗→微蚀→水洗→酸洗→水洗→防氧化

双液型流程：除油→水洗→微蚀→水洗→预浸→水洗→防氧化

在双液型混合金属OSP工艺中，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，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。

2.2 微蚀剂的类型

目前OSP主要运用的微蚀剂有硫酸+过硫酸钠、硫酸+双氧水+添加剂、过硫酸氢钾（2KHSO

5?KHSO

4

?

K

2SO

4

）+硫酸、过硫酸氢钾（2KHSO

5

?KHSO

4

?K

2

SO

4

）+磷酸以及基于以上主成份的商用微蚀剂。而对选择性化

金基板来说其绕不开的是贾凡尼效应。

3 优化微蚀剂的选择

3.1 试验方法

目前应用的OSP微蚀剂品种繁多，而对于混合金属基板，要选用一种合适的微蚀剂却是不容易的，特别是要兼顾足够的微蚀量与防止过于严重的贾凡尼效应。贾凡尼效应不可以避免但可以选用不同的微蚀剂同时配合现场的参数减轻到可以接受的范围之内。在相同微蚀量的情况下（采用贝加尔安定剂M101）：

3.2 试验及结果

固定参数，所有微蚀量统一为1.0微米，过两遍，金P AD面积单个面积15.455mm2，BGA直径原设计为0.30 mm。每一种测试条件统一选取固定三个点。

图1 图2 图3

图4 图5 图6

3.3 试验结果

a、在选化基板中，无论使用何种微蚀剂均有不同程度的贾凡尼效应，而在三种微蚀剂的贾凡尼效应排序为：硫酸+过硫酸钠＞硫酸+过硫酸氢钾＞硫酸+双氧水+安定剂，图3与图4、图5与图6、图1与图2分别为其对应微蚀效果；

b、金铜比越大，贾凡尼效应越明显；

c、微蚀液中，随铜离子的上升，贾凡尼效应越明显。

4 微蚀剂对焊锡浸润性的影响

4.1 可焊性的影响因素

若纯就可被焊接之金属而言，影响其焊锡性（Solderability）好坏的机理作用甚多，其中要点之一就是“表面自由能”（Surface Free Energy）的大小。也就是说可焊与否将取决于：

（1）被焊底金属表面之表面能（Surface Energy）；

（2）焊锡焊料本身的＂表面能＂等二者而定。

凡底金属之表面能大于焊锡本身之表面能时，则其沾锡性会非常好，反之则沾锡性会变差。也就是说当底金属之表面能减掉焊锡表面能而得到负值时，将出现缩锡（Dewetting），负值愈大则焊锡愈差，甚至造成不沾锡（Non-Wetting）的恶劣地步，大家可能知道，抗氧化膜本身耐热性能不好或过薄，导致过炉时铜面氧化是造成铜面氧化不沾锡的罪魁祸首，而铜面的铜面的污染情况、铜面的粗糙度均影响铜表面的自由能。微蚀剂中硫酸-双氧水微蚀的铜面较为细腻光滑平整因而PCB板经过OSP处理后颜色为浅红色，而过硫酸盐微蚀的铜面较为粗糙因而PCB板经过OSP处理后颜色为相对的深红色，过硫酸氢钾的微蚀效果介于二者之间，通过实验确认其对可焊性的影响。

4.2 实验方法

a、选取试验板，需要有2mm×2mm以上焊盘，用于搭载锡珠；

b、将试验板过OSP，微蚀分别采用硫酸+双氧水+安定剂、硫酸+过硫酸钠、硫酸+过硫酸氢钾，并选取用于搭载锡珠的焊盘；

c、涂助焊剂后，往焊盘搭载φ0.4mm无铅锡珠（市售）；

d、将搭载无铅锡珠的基板平置于锡炉上，搭载面朝上，锡炉温度240±5℃，持续1分钟，无铅锡珠将熔化，并取出；

e、测量熔化后直径，直径越大代表浸润性越好，即可焊性越好，一般无铅锡珠要求直径≥0.70mm。

4.3 试验结果

图7 图8 图9

从以上数据可以看出，硫酸与双氧水体系对可焊性性更有利，其微蚀后铜面细腻光滑，

其表面具有更大的表面自由能。

5 结语

在混合金属OSP加工中，针对贾凡尼效应，需要选择的合适的微蚀剂至关重要，另外需要控制微蚀槽的铜离子；通过一些特殊的设计来减小金铜比，能有效抑制贾凡尼效应。还需防止金面变色，一般而言，改良过后的不沾金面OSP 制程，在管控得宜的生产条件下应不致在金面上出现OSP 皮膜。但如果是ENIG 制程中，因药水污染而有铜、镍、钴、锡、铅、铁等金属杂质与金面共镀出来，就可能导致OSP 皮膜的异常生长。另一个造成金面变色的可能原因在于当金层厚度太薄时所出现的金面疏孔（Pores）暴露底镍。此一缺点无法以目视或简易的放大镜予以辨别，其外观与正常的ENIG板并无差异。但是当板子进入OSP 制程中的酸性腐蚀环境中（如微蚀、酸洗等工作液中），便会产生贾凡尼效应。此时黄金仍然扮演阴极的角色，但此次扮演阳极的苦主则由底镍来担纲。镍金属溶成镍离子时抛出的两个电子将使溶液中的铜离子还原沉积于金面上导致金面变色。

在日常生产参数方面，需要严格控制微蚀量，1 μm以内为宜；无铅焊已成主流，一般无铅锡膏回流焊的工作温度要求245 ℃ ~ 250 ℃，同时一般要求OSP皮膜能耐受住三次以上回流焊，皮膜偏薄等异常将大大减弱其保护功能，若有预浸体系药水，预浸膜将直接影响膜厚，需要防止铜离子对预浸槽的污染；预浸后水温过高也将

破坏预浸膜，影响最后成膜。参考文献

[1]印制电路世界

[J]. 78-86, 2007, 5.

作者简介

廖贵圣，资深工程师，主要从事PCB制程药水应用推广及技术服务。Tel: 0512-******** Email: liaoguisheng @https://www.wendangku.net/doc/c03243106.html,