引言

 

OSP表面處理工藝具有控制簡單、成本低廉、表面平整等優點，越來越廣泛應用于PCB生產制造中。然而，在實際生產過程中，工藝不良、產品儲存或使用不當等都容易導致OSP板出現表面變色、膜厚不均勻、焊盤上錫不良、虛焊及焊錫不飽滿等問題。

 

本文以OSP焊盤上錫不良為例，分析其失效原因與機理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

OSP 焊盤過兩次爐溫后，波峰焊出現嚴重的上錫不良。降低爐溫后，無可焊性問題。現進行測試分析，查找OSP焊盤上錫不良的原因。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

利用體視顯微鏡對上錫不良波峰焊點進行光學檢查。多數波峰焊點孔環表面存在明顯上錫不良現象，呈現退潤濕及不潤濕特征；不潤濕位置呈現OSP膜層顏色，疑似OSP膜層未被去除。

 

圖1. NG PCBA上錫不良波峰焊點外觀檢查照片

 

2. 表面分析

利用場發射掃描電子顯微鏡對NG PCBA波峰焊點潤濕不良位置進行形貌觀察及成分分析。

潤濕不良位置表面平整，表面無明顯焊錫殘留現象；成分分析顯示，潤濕不良位置未發現明顯異常元素存在；Cl元素推測來自未去除OSP膜層成分，后續通過其他分析手段進一步確認。

 

圖2. NG PCBA波峰焊點潤濕不良位置形貌觀察及成分分析

 

3. 剖面分析

將潤濕不良位置切片、FIB切割后，利用場發射掃描電子顯微鏡、FIB對截面形貌進行觀察分析，結果如下。

潤濕不良位置1無明顯焊錫殘留，形貌放大后，局部疑似OSP膜層殘留；潤濕不良位置2 FIB切割后，明顯發現OSP膜層殘留現象。

 

圖3. NG PCBA波峰焊點潤濕不良位置切片、FIB切割后截面形貌觀察照片

 

4. OSP膜層成分分析

為了表征OSP有機膜受熱分解程度及對比NG批次PCB光板（命名為樣品A）與對比PCB光板（命名為樣品B）OSP膜層成分是否存在差異，借助FT-IR及XPS分析手段分別對NG批次PCB光板、對比PCB光板、二次回流NG批次PCB光板（命名為樣品C）OSP膜層成分進行分析，結果如下。

 

4.1 FT-IR分析

如圖4所示，紅外光譜分析結果顯示：

①樣品A OSP膜紅外光譜信息弱，相較于樣品B OSP膜紅外光譜信息弱，表明樣品A OSP膜厚度可能較薄；

②樣品C OSP膜紅外光譜中出現了新的N-H官能團，表明OSP膜經過二次回流可能發生了結構變化。

 

圖4. OSP膜層紅外譜圖

 

4.2 XPS分析

XPS分析結果顯示：

①三個樣品孔環OSP膜表面主要測到 C/O/N/Cl/Cu/Si 等元素，樣品C表面也測到少量的Sn；

②三個樣品表面的Si主要判定為有機硅、N為有機氮、Cl的化學態包含有機氯和氯化銅；其中A和B樣品表面的成分比較接近：有機物有芳香環結構（π-π），銅主要為氯化亞銅（CuCl）；而樣品C表面未測到明顯的芳香環結構，且有機物酯類比較明顯，銅主要為氫氧化銅【Cu(OH)2】和氯化亞銅(CuCl)的混合；

③樣品C表面測到的Sn主要為氧化錫。

 

圖5. XPS分析譜圖

 

5. OSP膜厚測試

利用FIB對樣品A、樣品B及樣品C OSP膜層分別進行觀察及厚度測量，結果如下：

①樣品A與樣品B OSP膜層形貌無明顯差異，但厚度差異明顯；

② 樣品A與樣品C OSP膜層形貌存在明顯差異，樣品C膜層內部彌散分布較多顆粒狀物質，而樣品A膜層未觀察到該現象；樣品A、樣品C膜層厚度較樣品B膜層厚度，明顯偏小。

 

圖6. FIB切割后OSP膜層觀察及膜層厚度測量結果

 

6. 上錫性驗證

為了確認二次回流NG批次PCB光板確實存在上錫不良現象及降低爐溫后上錫性變正常，對二次回流NG批次PCB光板及降低爐溫后二次回流NG批次PCB光板分別進行上錫性驗證。

（備注：降低爐溫后回流曲線滿足標準IPC 7530A-2017 群焊工藝溫度曲線指南（再流焊和波峰焊）中無鉛回流溫度要求。）

二次回流NG批次PCB光板浸錫后，多數通孔孔環表面發現明顯潤濕不良現象，而降低爐溫后二次回流NG批次PCB光板浸錫后，通孔孔環潤濕完好。

以上結果表明：當爐溫調低到標準IPC 7530A-2017 群焊工藝溫度曲線指南（再流焊和波峰焊）中無鉛回流溫度要求的范圍內時，NG批次PCB光板上錫正常，即NG批次PCB光板可焊性滿足標準要求；初始爐溫曲線峰值溫度最高245.3℃，位于標準IPC 7530A-2017 群焊工藝溫度曲線指南（再流焊和波峰焊）中無鉛回流溫度要求的上限。

 

圖7. 降低爐溫后的二次回流爐溫

 

圖8. 初始爐溫下二次回流爐溫

 

圖9. 二次回流NG批次PCB光板浸錫后外觀照片

 

圖10. 降低爐溫后二次回流NG批次PCB光板浸錫后外觀照片

 

7. 錫樣成分測試

參考標準JIS Z3910:2017 釬料分析方法，利用電感耦合等離子體發射光譜儀對錫樣進行成分分析，結果如下：

錫樣為錫銀銅合金。對于波峰焊接錫爐成分，行業一般采用錫銅合金，以避免通孔孔銅被過度咬蝕，建議錫爐采用錫銅合金，但本案件中錫爐成分不是導致OSP上錫不良的原因。

 

三、總結分析

 

外觀檢查結果顯示：NG PCBA多數波峰焊點孔環表面存在明顯上錫不良現象，呈現退潤濕及不潤濕特征；不潤濕位置呈現OSP膜層顏色，疑似OSP膜層未被去除。

 

表面分析及剖面分析結果顯示：潤濕不良位置未發現明顯異常元素存在；潤濕不良位置FIB切割后，明顯發現OSP膜層殘留現象。

 

NG批次PCB光板及二次回流NG批次PCB光板OSP膜層成分分析結果顯示：①二次回流NG批次PCB光板較NG批次PCB光板，OSP膜紅外光譜中出現了新的N-H官能團，表明OSP膜經過二次回流發生了結構變化；②NG批次PCB光板，OSP膜層有機物有芳香環結構（π-π），銅主要為氯化亞銅（CuCl），而二次回流NG批次PCB光板OSP表面未測到明顯的芳香結構，且有機物酯類比較明顯，銅主要為氫氧化銅和氯化亞銅的混合。二者充分說明，二次回流后，OSP膜層成分發生了變化。

 

OSP膜層觀察與厚度測量結果顯示：NG批次PCB光板與二次回流NG批次PCB光板，OSP膜層形貌存在明顯差異，后者膜層內部彌散分布較多顆粒狀物質，而前者膜層未觀察到該現象。

 

上錫性驗證結果顯示：①二次回流NG批次PCB光板浸錫后，多數通孔孔環表面發現明顯潤濕不良現象，該結果表明，二次回流后OSP膜層形貌及成分的變化，確實可以導致上錫不良的發生；②降低爐溫后的二次回流NG批次PCB光板（回流曲線滿足標準IPC 7530A-2017 群焊工藝溫度曲線指南（再流焊和波峰焊）中無鉛回流溫度要求）浸錫后，通孔孔環潤濕完好，說明NG批次PCB光板可焊性滿足標準要求；③初始爐溫曲線峰值溫度最高245.3℃，位于標準IPC 7530A-2017 群焊工藝溫度曲線指南（再流焊和波峰焊）中無鉛回流溫度要求的上限。

 

對比NG批次PCB光板與對比PCB光板FT-IR、XPS及FIB分析結果可知：二者膜層成分比較接近：有機物有芳香環結構（π-π），銅主要為氯化亞銅（CuCl），但二者膜厚存在明顯差異，前者與后者OSP膜厚平均值分別為225.9nm、585.5nm，即NG批次PCB光板OSP膜厚明顯偏薄，故其相較于對比PCB光板，耐熱能力偏低。

 

四、結論與建議

 

綜上所述，二次回流后OSP膜上錫不良的原因包括：①相對較高的回流溫度；②OSP膜相對偏薄，耐熱能力相對偏低。

 

改善建議

1. 適當降低回流峰值溫度，避免OSP膜層承受較高溫度沖擊；

2. 適當增加OSP膜層厚度，提高其耐熱能力。

 

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