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左为烷基咪唑的结构式,右为与铜面生成有机保护膜结构图 8
此种OSP平均厚度很薄,只有10nm而 已,故不耐高温的考验,温度愈高时保护性愈 差,原因是铜面发生氧化的机会愈大之故.下 图即为其高温劣化后出现氧化铜并以其厚 度为指标,比较其焊锡性的下降情形.故本配 方其亦无法进行多次高温焊接.
9Байду номын сангаас
苯基咪唑(BIA)类,第三代
若将上述的咪唑再以衍生或替代上苯环时, 则护铜效果更好.此种第三代BIA在铜面上也 能快速形成高分子式的有机铜络合物,厚度可 从10nm到1000nm不等,端视其反应时间与状 况而定,但仍以0.3~0.4um最为适宜,不过此代 之OSP会造成金面的变色,而遭到业者的反感, 现已被淘汰.
10
现役衍生式苯基咪唑(SBA)类,第四代
12
现役的OSP商业制程,其配方中成份可分为七类,即: 1)主反应剂为烷基苯基咪唑(APA). 2)高级脂肪酸做为聚合皮膜之成形剂. 3)稀释剂,如甲酸乙酸等,均具强力刺激味. 4)氨水做为中和与络合剂. 5)少量进渡金属之盐类. 6)有机螯合剂. 7)其他助剂等.
13
OSP的基本性能主要是以下三大特性
4
5
6
若将上BTA分子式三连氮的五解环的1位与2位(见前图1)处,另处替 换上其他的官能基时(例如甲基),则比起原始BTA的抑制效应要减低若干. 但将六角苯环中的4与5位的氢原子,替换上甲基时,则又比起原始BTA的 抑制效果增大了一些,将会使得皮膜在铜面上的吸附力更强,其抑制力强 弱可排列为: 4Me-BTA(3nm)或5Me-BTA(7nm)>BTA> 1Me-BTA或 2Me-BTA
2
1、有機保焊劑OSP
簡單的說OSP就是在潔淨的裸銅表面上,長 出一層有機皮膜,用以保護銅面於常態環境中不再 繼續生锈(氧化或硫化等);但在后续的焊接高温中, 此种保护膜又必须很容易被助焊剂所快速趕走清 除,如此方可使露出的幹淨銅面，得以在極短時間 內得與熔融焊錫立即結合為牢固的焊點，此等可 護銅抗鏽的有機皮膜,一律稱之為有機保護劑.
后1997年时IBM研究员Sirtori等,发现进一步替代 性的苯基咪唑类,其耐热性比早先各种Azole类都要 好.于是这种新开发产品替代衍生式的Azole,就成为 现役商品Entek106A基本配方了.不过此保护膜主反 应(OSP Coat)的蓝色主槽液中早先的配方需先行溶 入铜离子,使铜面反应后形成浅棕色的皮膜.如此一 来反应虽较顺利,但却常在皮膜中会出现不均匀的变 色或斑点.于是后改进OSP主剂之无铜无色槽液者, 皮膜均匀性才又变得较好一些.
OSP在PCB中的应用,是早期松香型助焊剂 的延续、深化与发展。到目前为止，它经历了苯 基连唑类 咪唑类 苯基咪唑类 烷基苯 并咪唑类 烷基苯基咪唑类等五代的演变，其 核心是不断提高耐热问题。
3
苯基连唑(BTA),第一代
此BTA可使铜面免于腐蚀与氧化的护铜方法,可追溯到1960年代 IBM在其PCB制程中,保护铜面的暂时性皮膜Cu-56(1%的BTA水溶液), 后经供应商Enthone公司的继续研究改进,而成为知名的ENTEK处理 法.
O.S.P 製程教育訓練
(Organic Solderability Preservatives)
1
一、各表面处理的介绍与比较
无铅焊接除了焊料(Solder)必须全部禁用铅外,电路板板面(含各式封装载)之焊 垫、通孔焊环以及零件脚等各种表面处理,也都必须无铅.在无铅化焊接中,目前,能 够适应无铅化焊接的表面处理主要有五大类: (一)有机保焊剂(OSP) (二)化镍浸金(ENIG) (三)浸镀银(I-Ag) (四)浸镀锡(I-Sn) (五)喷锡(HASL)所用喷锡之焊料将改为99.3Sn/0.7Cu.熔点高达227℃,操作
温度高达280 ℃ 它们的最主要功能主要有三个方面: (一)保护性-----在焊接高温条件下,牢固地保护着新鲜铜表面不受氧化、污染； (二)耐热性-----在无铅化化焊接加热过程中，不分层、不变色、不裂解（分
解）； (三)可焊性-----在无铅化高温焊接时，能熔入熔融焊料或熔融焊料中的助焊剂发
生熔解作用，然后分解挥发除去或浮着于焊点焊料表面。
11
面对无铅焊接的烷基苯基咪唑类，第五代
无铅焊接不但焊温升高（平均20℃以上）而 且焊时也拉长（熔接时200℃以上约60秒;波焊时 不但200 ℃以上吸热段在60秒以上,且峰温更高达 265℃),造成现役的各种OSP阻挡不住铜的氧化。 加以免洗助焊剂又软弱不强下,想要3pass比较困 难。后第五代OSP出笼,其特色有:A.完全不沾面,B. 裂解温度高达350 ℃以上,可耐3次无铅焊接,C.均 匀被各种免洗助焊剂所能推开,D.厚度还可减薄到 0.2~0.4um.
BTA之所以能抗蚀护铜的原理,是因与铜材表面的氧化亚铜Cu2O 进行立即直接的反应,而生成高分子态有机铜式之错合盐类,下式为其 反应过程的示意结构,亦即于铜面形成多重薄膜的假想图.此等BTA与 氧化亚铜所成的皮膜,属半透明性无色皮膜,在槽液中将会不断长厚,与 温度,时间,PH值等有关.当BTA分子与氧化亚铜首先进行反应的瞬 间,BTA会以其分子中三连唑之特殊方向性产生互动,并令其朝外而生 成的〔Cu(I)BTA〕n的长链,再配合其他吸附的机理下,即可形成平面状 分子膜面附著在铜面上.
BTA式有机保焊剂,厚度约4~14nm,在干燥空气中的保固寿命可达 两年.但在高湿度的环境中,不耐高温环境,根本无法进行2~3次或多次焊 接,而且金手指表面上也会长出不该有的OSP膜,太厚时更将使得接触导 通受阻,或造成电阻的困扰,目前已不使用.
7
咪唑(IA)类,第二代
此类第二代化学品常用者为烷基咪唑,也可与氧化亚铜进行反应而 形成高分子状的络合物皮膜,目前本类仅做为单面板助焊剂之用.下两图 即分别为其结构式,及在铜面反应所生成有面铜高分子保护膜的过程.
❖ OSP的保护性 ❖ OSP的耐热性 ❖ OSP的可焊性
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OSP的保护性
由于PCB焊盘铜新鲜表面极易氧化,形成牢固 的不可焊的氧化表面. 因此,必须进行耐热防氧化 的保护.而采用HASL是在新鲜的铜表面热涂(形成 金属间互化物)无铅化焊料层,而化学镍/金、化学 锡、化学银是在新鲜铜表面镀覆(金属置换作用) 上相应的金属层,形成耐热保护性金属层.同理, OSP必须牢固地附着在新鲜铜表面上,而不是简单 地附着新鲜铜表面上来进行保护,所以OSP是采用 含高活性咪唑类与新鲜铜形成牢固络合物,其厚度 为0.2~0.4um之间,由于形成络合物,所以能耐热,即 使在加热条件下,也可避免氧化和污染.
此种OSP平均厚度很薄,只有10nm而 已,故不耐高温的考验,温度愈高时保护性愈 差,原因是铜面发生氧化的机会愈大之故.下 图即为其高温劣化后出现氧化铜并以其厚 度为指标,比较其焊锡性的下降情形.故本配 方其亦无法进行多次高温焊接.
9Байду номын сангаас
苯基咪唑(BIA)类,第三代
若将上述的咪唑再以衍生或替代上苯环时, 则护铜效果更好.此种第三代BIA在铜面上也 能快速形成高分子式的有机铜络合物,厚度可 从10nm到1000nm不等,端视其反应时间与状 况而定,但仍以0.3~0.4um最为适宜,不过此代 之OSP会造成金面的变色,而遭到业者的反感, 现已被淘汰.
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现役衍生式苯基咪唑(SBA)类,第四代
12
现役的OSP商业制程,其配方中成份可分为七类,即: 1)主反应剂为烷基苯基咪唑(APA). 2)高级脂肪酸做为聚合皮膜之成形剂. 3)稀释剂,如甲酸乙酸等,均具强力刺激味. 4)氨水做为中和与络合剂. 5)少量进渡金属之盐类. 6)有机螯合剂. 7)其他助剂等.
13
OSP的基本性能主要是以下三大特性
4
5
6
若将上BTA分子式三连氮的五解环的1位与2位(见前图1)处,另处替 换上其他的官能基时(例如甲基),则比起原始BTA的抑制效应要减低若干. 但将六角苯环中的4与5位的氢原子,替换上甲基时,则又比起原始BTA的 抑制效果增大了一些,将会使得皮膜在铜面上的吸附力更强,其抑制力强 弱可排列为: 4Me-BTA(3nm)或5Me-BTA(7nm)>BTA> 1Me-BTA或 2Me-BTA
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1、有機保焊劑OSP
簡單的說OSP就是在潔淨的裸銅表面上,長 出一層有機皮膜,用以保護銅面於常態環境中不再 繼續生锈(氧化或硫化等);但在后续的焊接高温中, 此种保护膜又必须很容易被助焊剂所快速趕走清 除,如此方可使露出的幹淨銅面，得以在極短時間 內得與熔融焊錫立即結合為牢固的焊點，此等可 護銅抗鏽的有機皮膜,一律稱之為有機保護劑.
后1997年时IBM研究员Sirtori等,发现进一步替代 性的苯基咪唑类,其耐热性比早先各种Azole类都要 好.于是这种新开发产品替代衍生式的Azole,就成为 现役商品Entek106A基本配方了.不过此保护膜主反 应(OSP Coat)的蓝色主槽液中早先的配方需先行溶 入铜离子,使铜面反应后形成浅棕色的皮膜.如此一 来反应虽较顺利,但却常在皮膜中会出现不均匀的变 色或斑点.于是后改进OSP主剂之无铜无色槽液者, 皮膜均匀性才又变得较好一些.
OSP在PCB中的应用,是早期松香型助焊剂 的延续、深化与发展。到目前为止，它经历了苯 基连唑类 咪唑类 苯基咪唑类 烷基苯 并咪唑类 烷基苯基咪唑类等五代的演变，其 核心是不断提高耐热问题。
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苯基连唑(BTA),第一代
此BTA可使铜面免于腐蚀与氧化的护铜方法,可追溯到1960年代 IBM在其PCB制程中,保护铜面的暂时性皮膜Cu-56(1%的BTA水溶液), 后经供应商Enthone公司的继续研究改进,而成为知名的ENTEK处理 法.
O.S.P 製程教育訓練
(Organic Solderability Preservatives)
1
一、各表面处理的介绍与比较
无铅焊接除了焊料(Solder)必须全部禁用铅外,电路板板面(含各式封装载)之焊 垫、通孔焊环以及零件脚等各种表面处理,也都必须无铅.在无铅化焊接中,目前,能 够适应无铅化焊接的表面处理主要有五大类: (一)有机保焊剂(OSP) (二)化镍浸金(ENIG) (三)浸镀银(I-Ag) (四)浸镀锡(I-Sn) (五)喷锡(HASL)所用喷锡之焊料将改为99.3Sn/0.7Cu.熔点高达227℃,操作
温度高达280 ℃ 它们的最主要功能主要有三个方面: (一)保护性-----在焊接高温条件下,牢固地保护着新鲜铜表面不受氧化、污染； (二)耐热性-----在无铅化化焊接加热过程中，不分层、不变色、不裂解（分
解）； (三)可焊性-----在无铅化高温焊接时，能熔入熔融焊料或熔融焊料中的助焊剂发
生熔解作用，然后分解挥发除去或浮着于焊点焊料表面。
11
面对无铅焊接的烷基苯基咪唑类，第五代
无铅焊接不但焊温升高（平均20℃以上）而 且焊时也拉长（熔接时200℃以上约60秒;波焊时 不但200 ℃以上吸热段在60秒以上,且峰温更高达 265℃),造成现役的各种OSP阻挡不住铜的氧化。 加以免洗助焊剂又软弱不强下,想要3pass比较困 难。后第五代OSP出笼,其特色有:A.完全不沾面,B. 裂解温度高达350 ℃以上,可耐3次无铅焊接,C.均 匀被各种免洗助焊剂所能推开,D.厚度还可减薄到 0.2~0.4um.
BTA之所以能抗蚀护铜的原理,是因与铜材表面的氧化亚铜Cu2O 进行立即直接的反应,而生成高分子态有机铜式之错合盐类,下式为其 反应过程的示意结构,亦即于铜面形成多重薄膜的假想图.此等BTA与 氧化亚铜所成的皮膜,属半透明性无色皮膜,在槽液中将会不断长厚,与 温度,时间,PH值等有关.当BTA分子与氧化亚铜首先进行反应的瞬 间,BTA会以其分子中三连唑之特殊方向性产生互动,并令其朝外而生 成的〔Cu(I)BTA〕n的长链,再配合其他吸附的机理下,即可形成平面状 分子膜面附著在铜面上.
BTA式有机保焊剂,厚度约4~14nm,在干燥空气中的保固寿命可达 两年.但在高湿度的环境中,不耐高温环境,根本无法进行2~3次或多次焊 接,而且金手指表面上也会长出不该有的OSP膜,太厚时更将使得接触导 通受阻,或造成电阻的困扰,目前已不使用.
7
咪唑(IA)类,第二代
此类第二代化学品常用者为烷基咪唑,也可与氧化亚铜进行反应而 形成高分子状的络合物皮膜,目前本类仅做为单面板助焊剂之用.下两图 即分别为其结构式,及在铜面反应所生成有面铜高分子保护膜的过程.
❖ OSP的保护性 ❖ OSP的耐热性 ❖ OSP的可焊性
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OSP的保护性
由于PCB焊盘铜新鲜表面极易氧化,形成牢固 的不可焊的氧化表面. 因此,必须进行耐热防氧化 的保护.而采用HASL是在新鲜的铜表面热涂(形成 金属间互化物)无铅化焊料层,而化学镍/金、化学 锡、化学银是在新鲜铜表面镀覆(金属置换作用) 上相应的金属层,形成耐热保护性金属层.同理, OSP必须牢固地附着在新鲜铜表面上,而不是简单 地附着新鲜铜表面上来进行保护,所以OSP是采用 含高活性咪唑类与新鲜铜形成牢固络合物,其厚度 为0.2~0.4um之间,由于形成络合物,所以能耐热,即 使在加热条件下,也可避免氧化和污染.