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1 有机保焊剂与金面污染

[日期:2010-05-19] [来源:http://www.sbing.net/] [作者admin] [点击:]

业界俗称的 Entek 是指美商 Enthone 公司近年来所提供一种“有机护铜剂”之湿制程技术,目前正式的商品名称是 Entek Plus CU-106A。事实上这就是“有机保焊剂”(Organic Solderability Preservatives;OSP)各类商品的一种(其余如欧洲流行的 Shercoat,以及日本流行的 Cucoat 等),是绿漆后裸铜待焊面上经涂布处理,所长成的一层有机铜错化物的棕色皮膜,电路板制程分类法将其归之为表面终饰 Final Finish。  
 
  此等 OSP 制程的反应原理,是“苯基三连唑”BTA(Benzo-Tri-Azo)之类的化学品,在清洁的铜表面上,形成一层错合物式具保护性的有机物铜皮膜(均 0.35μm或 14μin)。一则可保护铜面不再受到外界的影响而生锈;二则其皮膜在焊接前又可被稀酸或助焊剂所迅速除去,而令裸铜面瞬间仍能展现良好的焊锡性;故正式学名称之为“有机保焊剂”即着眼于后者之功能。   
 
  目前 OSP 各种商品均已经过多次改进,实用上均可耐得住数次高温高湿环境的考验,得以维持不错的焊锡性。故而某些讲究焊垫平坦性的主机板,与面积较大的附加卡(Add-on card)等板类,其等焊垫处理已逐渐选用 OSP 制程,其目的当然是针对 SMT 锡膏印刷与引脚放置平稳性的考量。实际上其操作成本并不比喷锡便宜(原液 100 公升成本即达台币 10 万元),不过在整体环保上似较有利。   
 
  不幸当板面已有金手指或其它局部金面时,则经过 OSP(Entek)流程后,该等镀金表面上也会生长出一层薄浅棕色的异常皮膜,虽然在插接或压迫接触过程(Press-Fit)中,尚不致造成接触电阻太大的烦恼,然而一般比较挑剔外观的用户则很难放心允收。此等局部性金表面应如何预防其异常皮膜的生长,或长成皮膜后又如何在不损及金表面外观下而设法予以清除,均成为生产线上十分恼人的问题。

二、Entek 流程简介

Entek 是目前在台湾最流行的有机保焊剂制程,其中原因当然要拜大部份美国订单之爱国所赐,现将其水平自动联机之各流程站简介如后(至于各流程站间之水洗则未予列入):  

 1.酸性清洁脱脂 MAcid Cleaner(以纯水配槽)  

须采用 Enthone 公司原装的 SC-1010DE 之铜面活化与清洁剂,不同于其它化学品可能会使金面上造成 Entek 皮膜增厚的麻烦。且本槽液不含螯合剂(Che-lator)故很容易清洗,使后续离子污染问题大为降低。根据经验一旦此酸性清洗槽中含有螯合剂时,处理后的金手指上除了 Entek 皮膜外还会出现化学铜的异常沉积,进而产生较严重的变色情形。

 

2.微蚀 MMicroetch(以纯水配槽)

可采 Enthone 专密性微蚀剂 ME-1020,比硫酸双氧水或过硫酸铵(APS)等一般性微蚀液效果更好,可产生均匀光亮的微粗铜面,将使后来所长出的 106A 皮膜更为细致均匀。但要注意此槽中之铜含量不宜超过 2000 ppm,以防金面上出现极薄的化学铜层附着。

3.酸洗 Acid Dip(以纯水配槽)

采 5-10% 体积比之浓硫酸配槽,板子在室温下处理约 1-3 分钟即可,注意此槽液中的铜含量不可超过 500 ppm,以防在金面上产生铜膜的附着,且离槽的板子也应尽量吸干,以无水状态进入后站 106A 槽。

4.有机保焊剂处理 Entek Plus CU-106A  

本槽液完全使用原液不加任何水份,分析后若发现浓度不够时,可采用 10 倍浓度之补充液去添加补足(每公升应另搭配 37ml 之铵水)。操作时须进行过滤循环(每小时须翻槽 3-4 次),但不可吹气搅拌以防其中蚁酸(Formic Acid)逸出而充塞环境有害工安。其作业情况如下:

 

       本槽之处理应严格管控温度于±2℃之内以防厚度发生变化,另 pH 也会影响厚度,当厚度不足时应以铵水提高其 pH,厚度超过时则加蚁酸以降低其 pH。且本槽液对浓度的管制也非常重要,所有进入槽区的板子必须要先用冷风吹干,避免带入水份才行。

5.吹干(以冷风吹干)  

至于处理完毕离开槽区的板子,也须立即用冷风吹到不沾手的干燥程度 (TackDried),以防板子进入后续清洗站时,其初生之软质皮膜可能受损而使厚度在冲洗中有所损失。故离槽的板子须先用挤水滚轮去排除多余的 106A 药液,再用冷风继续强力吹掉残余湿气。未干的湿膜径行清洗时,不但会造成皮膜厚度的减薄,而且外观也很不均匀甚至十分难看。注意此种完工的 Entek 皮膜也很容易被稀酸所洗掉,故不宜接触任何酸液。 

6.纯水清洗  

以纯水清洗完工板约 30-60 秒,可减少板面的离子污染情形。注意此时尚未足够老化的皮膜,经常会出现轻微溶解的现象,故此 Final Cleaning 所用纯水的酸碱值不可低于 pH 5,以防溶解速度变快。

7.最后吹干  

最后以强力冷风将已洗净板面彻底吹干,注意不可用手指触及板面,只能戴手套用双手掌以卡紧板边的方式持取。

三、反应机构

Cu-106A 的皮膜是利用原液中的

衍生性“苯并咪唑”(Substituted Benzimidazole,BID);
刻意加入的铜离子
有机酸(即甲酸 Formic Acid 与其它有机酸类)等; 
 
  在清洁的裸铜面上反应而产生一层含铜错合物的有机皮膜,故上述三种化学品都要保持正确的比例,方能得到厚度合格(0.35μm)外观均匀与焊锡性良好的皮膜。  
 
  下列之有机金属(Organometallic)结构式,即为铜面 CU-106A 皮膜的假想组织,式中胺基(Amine Group-NH-)上的氮原子(N),会在清洁铜面上首先产生反应,出现错合共价链之单层结构,随即着落上一层 BID 的分子层。但若铜面不洁时,则该反应无法进行,也就长不出均匀的皮膜。之后其它的氮原子又陆续与溶液中的铜离子形成另一层错合物(Complexes)而继续使皮膜长厚。  
 
  事实上 Entek 之所以能够让铜面抗氧化而不锈,除了皮膜厚度的保护外,结构式胺环上的炼状衍生物“R Group”,也决定了皮膜的保护能力与防止氧气渗透的功效。不过但此层皮膜却与各种助焊剂遭遇时,却仍可保持其等应有的活性,换句话说此种皮膜仍可被助焊剂所清除,进而使清洁的铜面展现其良好的焊锡性。

四、浓度分析与厚度测定

1.  浓度分析法: 

此处之浓度是指 CU-106A 现场槽液,针对原液浓度比较所得之百分比而言,其做法如下:
1.1先将 UV 分光光度计(UV Spectrophoto-Meter)温机 10 分钟。
1.2取 4ml CU-106A 槽液移入一公升标准量瓶(Volumetric Flask)中,并以纯水稀释至一公升之记号处。
1.3将光度计之波长调到 270.0nm,另在 1cm 的石英方型试管中充入干净的蒸馏水,并安置在待测试之位置上,然后将光度计的吸收度归零。
1.4另取一支方形石英管,利用上述已稀释的 CU-106A 去冲洗数次,然后再使充满 106A 试液。
1.5再将此 CU-106A 的试管装置在机器的待测位置,即可测取其吸光度的读值并换算成为百分浓度。

即:吸光度读值×F(s)=CU-106A 百分浓度;

此处 F(s) 即为原液之设定值 100。

2.皮膜厚度之量测与变异:
  Enthone 公司建议 Entek 皮膜厚度的允收范围为 0.2-0.5μm(即 8-20μin),最佳数值定在 0.35μm(即 14μin)。太薄将耐不住两三次高温环境的考验,在焊锡性方面会有不良的影响。太厚则不易被后来焊接前的助焊剂所清除掉,故也会发生焊锡性的问题。其厚度的测法是将铜面试样(30×50mm)上的皮膜,用 5% 的定量(25ml)稀盐酸溶解洗下来,然后利用 UV 分光光度计(Spectrophotometer)在 270.0μm 的波长处,去测出 CU-106A 的浓度,再利用下述经验公式去算出厚度来,即:

 CU-106A 厚度(μm)=吸光度(Absorbance)×F(t)

至于式中 F(t)之厚度因子,则又需利用另一经验公式 F(t)=F(s)/157.4去获得;F(s)值则系将原液当成 100% 时的常数 100。流程中除了主角 CU-106A 槽液之表现会左右皮膜厚度外,

其它数项外在因素也会影响到皮膜的厚度,现分述于后:

2.1 事先微蚀──须控制铜面之蚀厚在 30μin 左右,太低时可能会导致膜厚不足与外观不均匀。而蚀铜过度时则又将使皮膜生长太厚,以至减少了铜层可重工的次数,甚至金手指附近所连接的铜导线也会因蚀铜过度而变得太薄形成异常的下陷现象(Nick Down)。

〔注〕此乃由于金层在电解质腐蚀环境中扮演阴极,并强迫附近的铜面扮演阳极,因而在电化学加速腐蚀之下出现了过度蚀铜的现象。

 

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