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        淺談無鉛PCB表面處理工藝及其對ICT影響的策略

        2012-05-18

          摘要:無鉛PCB的出現對在電路測試(ICT)提出了新的問題,本文描述了現有的PCB表面處理工藝,并分析了這些工藝對ICT的影響,指出影響ICT的關鍵是****與測試點間的接觸可靠性,并介紹了為滿足ICT的要求在PCB構建過程中需要做出的特定改變。

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        圖1:用戶采用了一套推薦的OSP規則集,但是依然發現對一次通過的良率有12%的影響。


          一直以來,測試工程師主要關注的是確保他有一個有效的測試程序,該程序能在生產中很好地執行。“在電路測試(ICT)”依然是一種檢測制造缺陷的非常有效的方法。更先進的ICT系統還能在測試時,通過提供對Flash存儲器、PLD、FPGA和EEPROM編程的方法,在測試功能配置中增加實際價值。安捷倫3070系統在ICT方面是市場的領導者。
          現在ICT 依然在印刷電路板組裝(PCA)的制造和測試過程中發揮重要的作用,但是人們對無鉛PCB的追求將對ICT階段有怎樣的影響呢?
          對無鉛焊接技術的推動導致了對PCB表面處理技術的大量研究。這些研究主要基于在PCB構建過程中的技術性能。不同的PCB表面處理技術對測試階段的影響大部分被忽略掉,或者僅僅關注于接觸阻力。本報告將介紹在ICT中觀察到的影響的細節,以及對這些變化做出響應和理解的需要。
          本文的目的是分享PCB表面處理經驗,以及針對為實現ICT PCB生產工藝要求的改變對工程師進行培訓。本文將講述在無鉛PCB表面處理問題,特別是在的制造過程中的ICT階段,并揭示對無鉛表面處理的成功測試也依賴于PCB構建工藝的有益貢獻。
          成功的ICT測試總是與針床夾具的測試****和PCB上測試焊盤的接觸點的物理特性上。當很尖的****接觸到一個已焊接的測試點時,焊料將凹陷,因為****的接觸壓力遠遠高于焊料的屈服強度。隨著焊料的凹陷,****穿過測試焊盤表面的任何雜質。下面未受污染的焊料現在接觸到****,以實現對測試點的良好接觸。****插入的深度是目標材料的屈服強度成直接的函數關系。****穿透的越深,接觸越好。
          8盎司(oz)的****可以施加26,000至160,000psi(磅/平方英寸)的接觸壓強,具體壓力大小取決于表面直徑。因為焊料的屈服強度大約為5,000psi,對于這種相對較軟的焊料,****的接觸更好。
          PCB表面處理工藝選擇
          在我們了解前因后果之前,描述已有的PCB表面處理工藝的類型以及這些類型能提供什么非常重要。所有的印刷電路板(PCB)在板上都有銅層,如果銅層未受保護將氧化和損壞。有多種不同的保護層可以使用,最普遍的是熱風焊料平整(HASL)、有機焊料防護(OSP)、無電鍍鎳金沉浸(ENIG)、銀沉浸以及錫沉浸。
          熱風焊料平整(HASL)
          HASL是工業中用到的主要的有鉛表面處理工藝。工藝由將電路板沉浸到鉛錫合金中形成,過多的焊料被“風刀”去除,所謂的風刀就是在板子表面吹的熱風。對于PCA工藝,HASL具有很多的優勢:它是最便宜的PCB,而且通過多次回流焊、清洗和存儲后表面層還可以焊接。對于ICT而言,HASL也提供了焊料自動覆蓋測試焊盤和過孔的工藝。然而,與現有的替代方法相比,HASL表面的平整性或者同面性很差,F在出現了一些無鉛的HASL替代工藝,由于具有HASL的自然而然的替代的特性而越來越普及。多年來HASL應用的效果不錯,但是隨著“環保”綠色工藝要求的出現,這種工藝存在的日子屈指可數。除了無鉛的問題,越來越高的板子復雜性和更精細的間距已經使HASL工藝暴露出很多的局限性。
          優勢:最低成本PCB表面工藝,在整個制造過程中保持可焊接性,對ICT無負面的影響。
          劣勢:通常使用含鉛工藝,含鉛工藝現在受到限制,最終將在2007年前消除。對于精細引腳間距(<0.64mm)的情況,可能導致焊料的橋接和厚度問題。表面不平整會導致在組裝工藝中的同面性問題。
          有機焊料防護劑
          有機焊料防護劑(OSP)用來在PCB的銅表面上產生薄的、均勻一致的保護層。這種覆層在存儲和組裝操作中保護電路不被氧化。這種工藝已經存在很久了,但是直到最近隨著尋求無鉛技術和精細間距解決方案才獲得普及。
          就同面性和可焊接性而言,OSP相對于HASL在PCA組裝上具有更好的性能,但是要求對焊劑的類型和熱循環的次數進行重大的工藝改變。因為其酸性特征會降低OSP性能,使銅容易氧化,因此需要仔細處理。裝配者更喜歡處理更具柔韌性和能承受更多熱循環周期的金屬表面。
          采用OSP表面處理,如果測試點沒有被焊接處理,將導致在ICT出現針床夾具的接觸問題。僅僅改以采用更鋒利的****類型來穿過OSP層將只會導致損壞并戳穿PCA測試過孔或者測試焊盤。研究表明改用更高的探測作用力或者改變****類型對良率影響很小。未處理的銅具有比有鉛焊接高一個數量級的屈服強度,唯一的結果是將損壞裸露的銅測試焊盤。所有的可測試性指導方針都強烈建議不直接對裸露的銅進行探測。當使用OSP時,需要對ICT階段定義一套OSP規則。最重要的規則要求在PCB工藝的開始打開版膜(Stencil),以允許焊膏能加到ICT需要接觸的那些測試焊盤和過孔上。
          優點:在單位成本上與HASL具有可比性、好的共面性、無鉛工藝、改善的可焊性。
          缺點:組裝工藝需要進行大的改變,如果探測未加工的銅表面會不利于ICT,過尖的ICT****可能損壞PCB,需要手動的防范處理,限制ICT測試和減少了測試的可重復性。
          無電鍍鎳金沉浸
          無電鍍鎳金沉浸(ENIG)這種敷層在很多的電路板上得到成功應用,盡管它具有較高的單位成本,但它具有平整的表面和出色的可焊接性。主要的缺點是無電鍍鎳層很脆弱,已經發現在機械壓力下破裂的情況。這在工業上稱為“黑塊”或者“泥裂”,這導致了ENIG的一些負面報道。
          優點:良好的可焊接性,平整的表面、長的儲存壽命、可以承受多次的回流焊。
          缺點:高成本(大約為HASL的5倍)、“黑塊”問題、制造工藝使用了氰化物和其他一些有害的化學物質。
          銀沉浸
          銀沉浸是對PCB表面處理的一種最新增加的方法。主要用在亞洲地區,在北美和歐洲正在獲得推廣。在焊接過程中,銀層融化到焊接點中,在銅層上留下一種錫/鉛/銀合金,這種合金為BGA封裝提供了非?煽康暮附狱c。其對比色使其很容易被檢查到,它也是HASL在焊接處理上的自然替代方案。
          銀沉浸是一種具有非常好發展前景的表面加工工藝,但和所有新的表面工藝技術一樣,終端用戶對此非常保守。很多的制造商將這種工藝作為一種“正在考察”的工藝,但是它很可能成為最好的無鉛表面工藝選擇。
          優點:好的可焊接性、表面平整、HASL沉浸的自然替代。
          缺點:終端用戶的保守態度意味著行業內缺少相關的信息。
          錫沉浸
          這是一種較新的表面處理工藝,與銀沉浸工藝具有很多相似的特性。然而,由于要對PCB制造過程中錫沉浸工藝使用的硫脲(可能是一種致癌物)加以防范,所以有重大的健康和安全問題需要考慮。此外,還要關注錫遷移(“錫毛刺”效應),盡管抗遷移化學制劑在控制這種問題上能獲得一定的效果。
          優點:良好的可焊接性、表面平整、相對低的成本。
          缺點:健康和安全問題、熱循環周期的次數有限。
          PCB表面處理總結

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        表1:OSP實驗的條件參數。

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        表2:結論是當使用焊接測試點時,ICT性能大大提高?紤]到夾具和工藝的一些問題,用戶相信一旦處理好這些問題,他們能獲得的一次通過良率在80~90%之間。


          上面是PCB無鉛處理的主要方法。HASL仍將是最廣泛使用的PCB處理工藝,這種情況下對于測試工程師來說沒有任何變化。在某些國家,HASL已經被法律禁止,并采用了替代方案。隨著PCA制造擴展到更多的不同的全球區域,在ICT測試中可以看到的無鉛處理工藝將越來越多。盡管OSP并不是HASL的自然替代,但是它已經成為PCA制造商研究的首選替代處理方案。當沒有改變工藝以允許在測試焊盤和過孔上用焊膏時,這將導致實際的ICT測試可靠性問題
          結論是,PCB表面處理的工藝沒有十全十美的,每種方法都有其需要考慮的問題。其中一些問題比其它問題更嚴重,所有這些無鉛PCB表面處理工藝都需要在工藝步驟中進行修改,以防止在ICT出現夾具接觸可靠性問題。
          在ICT階段HASL、OSP和銀沉浸的比較考慮
          現在我想重點關注這些表面加工技術以及它們如何影響ICT的性能。表面處理在測試點上留下軟焊料“弧頂”和裸露的過孔,它們是理想的ICT測試對象。HASL具有而OSP不具有的特性是吸收作用力,HASL是共晶SnPB,特別軟。這種軟目標具有兩個好處:適應****和吸收能量。對于OSP PCB來說就沒有這種軟目標。相比而言,銅表面非常硬,不能吸收太多的能量,因此****能“咬入”的直接接觸的面積減少。外層的銅鍍層一般在10到50微米之間。把銅鍍層與OSP覆層結合起來,你會看到用來探測HASL板的****將不能在OSP表面處理的板子上使用。
          研究表明,在回流焊和ICT之間較長的傳遞時間內,OSP會在測試目標上產生很硬的“殼”。傳遞到ICT的最佳時間應小于24小時。有很多其他的工藝因素會對OSP對測試工程師帶來困擾的程度大小造成影響,其中的一些因素是:OSP提供商類型、在回流爐中經過的次數、是否去除了波峰工藝、氮回流還是空氣回流,以及在ICT時的模擬測試類型。
          對銅表面的直接探測加上需要穿透OSP層的更高的****作用力,產生了破壞薄銅層的實際潛在威脅,并導致內部短路。因此,我們的建議是永遠別探測裸露的銅表面。最近的事例顯示,在5到10次的夾具激勵之后,板子過孔或者測試點可能被戳穿。
          對于某些PCA制造商來說,OSP對ICT的影響造成的問題如此之大,導致他們已經完全不用OSP了。其他的制造商開始學習如何遵照下面列出的“OSP規則”。用于ICT測試夾具和程序的“OSP規則”:注意最新的行業可測試性建議,例如www.smta.org。—總是加焊膏到測試連接點(測試焊盤或者過孔)上,不對OSP覆蓋的裸露的銅層進行探測。如果你不能改變版膜,要準備:
          對一次通過良率影響很大(FPY)
          或許需要改變夾具****以獲得更大的作用力,例如從2牛頓到3牛頓
          可能需要改變夾具****類型,改變為更尖的類型*
          可能需要一種“雙擊”夾具激勵方法,或者利用氣體力學、機械手*
          模擬測試程序約束可能需要折衷、開放或者甚至忽略
          研究表明這些帶星號的規則對良率可能具有相對較小的影響,確?煽繙y試接觸的唯一方法是確保測試焊盤被焊接。
          某些制造商看到了OSP產生的直接的成本節省,認為是無鉛替代工藝的第一選擇。然而,某些公司在考慮到生產中斷和延時問題的相關實際成本時,最近態度出現完全轉變,正在重新審視它們的策略。
          銀沉浸
          銀沉浸是在銅層上0.4到0.8微米的金屬層,這個金屬層提供測試****能咬入的“肉”。銀沉浸并沒有HASL或者OSP那樣應用廣泛,但是初始的研究表明作為一種制造工藝它是HASL一種自然的替代。已經有一些ICT可靠性的初步研究,研究表明蝕刻時間(表面粗糙度/光潔度)和表面厚度是可重復性的重要考慮因素。在ICT階段銀表面處理的夾具接觸可靠性還沒有問題報告,因此對測試夾具不需調整,但應該需要對****或者測試軟件做出調整。
          蝕刻率(etch rate)對ICT測試很重要,因為它決定銀表面處理會光亮還是灰暗。在銀沉積步驟中,銀沉積到銅表面的等高線上,因此如果表面的粗糙度增加,因而面積增加,表現為灰暗表面,而具有最低粗糙度的表面表現為光亮的表面。
          業界對這種表面加工工藝的研究非常有限,但是在技術上和商業上看起來是最具希望的。最近的經驗表明這種表面處理對于ICT沒有任何問題。PCB制造商現在提供銀表面處理板,價格與HASL產品一樣。
          用戶研究—從HASL到OSP的轉變
          研究1—歐洲一個OEM制造場所
          來自OSP試驗的一組數據顯示如下。這個試驗是由一個用戶發起的,他們發現在引入OSP PCB表面處理作為他們一條產品線的無鉛替代的試驗時,對良率有很大的影響。這些是用戶獨立得到的結果,并沒有受到安捷倫的任何影響。使用的測試設備是市場領先者安捷倫3070在電路測試器,在業界這個設備被廣泛用作最穩定的測試平臺。
          研究2—歐洲合同制造商
          這個合同制造商的研究是受與研究1相似的經驗驅動的,在ICT中得到很差的良率性能。這個研究目的是發現根本原因,并對OEM提供反饋信息。
          這個試驗被分割成兩個實驗部分。第一個實驗部分是確定改變****類型以及加到裸銅OSP測試點上的****作用力的影響。第二個實驗部分關注于當測試點被焊接時的性能。在第一個實驗期間,在傳遞到ICT之前將部件存儲在氮中以防止氧化。采用了三種類型的****,標準的7oz(2N)、7oz&10oz(3N)e類****和螺旋狀****。
          實驗結果發現,當對裸露的銅OSP鍍層進行探測時,不同的****類型對良率沒有改善。它平均采用5個夾具激勵來“突破”OSP鍍層。一旦設備的插腳接觸測試通過,測試程序余下的部分將正常地進行,不要求對模擬測試約束改變。然而實驗發現若改變測試作用力和****類型,對PCB測試點/過孔的損壞程度也會發生重大改變。這個試驗的結論是:沒有焊接的測試點在ICT中具有很大的問題。使用更大的作用力或者更鋒利的測試****只會導致PCB損壞。
          第二個實驗是對具有焊接的測試點的OSP板間的比較,這個實驗中還包含了少量純粹的OSP樣品。共試驗了86個板子,其中焊接了77個,9個沒有焊接。在實驗期間,合同制造商利用了他們的全球ICT設備專家來對測試夾具進行檢測。這個試驗出現了幾個問題,即夾具壓力和記錄受到影響,不能滿足用戶的規格要求。這凸顯了這樣的事實:即必須一直監測未來的和現在的ICT測試夾具質量,以確保滿足可接受的標準。
          用戶必須面對的另外一個問題是電路板上焊膏的應用。它們具有很小的測試對象,一英寸有3萬個,因為需要考慮放置散熱器,在某些區域的最大焊接高度限制大于6 1500.11毫米。
          本文小結
          看起來某些公司的趨勢是OSP被認為是HASL的自然替代。這種選擇很可能是源于認識到單位成本的節省。ICT工程師應該關注這種趨勢:OSP鍍層的PCB將達不到像其他的可選擇的無鉛表面處理工藝的性能,除非測試焊盤被焊料覆蓋。如果沒有改變工藝流程,可能因為改變夾具****、夾具的維護、修改測試軟件和損壞板子的廢料的成本,而抵消初始成本的可能節省。我們看到在OSP選擇上最近的很多相反的情況發生。對那些還沒有放棄有鉛HASL工藝的客戶的建議是,需要考慮所有可行的無鉛PCB替代工藝的優點和缺點,確保所有的制造階段都在試驗中包含到,包括測試!對于銀PCB表面處理工藝對ICT的影響,我們沒有任何確定性的結果。我們與使用銀處理工藝的客戶討論過,他們在使用這種表面處理工藝中沒有發現任何夾具接觸的問題。

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