PCB技術 - OSP表面處理技術原理及介紹

OSP 原則：

-  OSP表面處理主要是為了保護電路板上的銅箔焊盤，避免表面污染和氧化而導致貼錫不良。

-  OSP厚度一般控制在0.2-0.5微米。

- 工藝流程：水洗→微蝕刻→水洗→酸洗→純水洗→OSP→純水洗→烘乾。

- OSP 材料類型：松香、活性樹脂和唑。

- 特點：表面平整度好，OSP與PCB焊盤銅之間無IMC形成，焊接時允許焊料與PCB銅直接焊接（潤濕性好），低溫加工工藝，成本低（低於HASL），能耗少可用於低技術線路板和高密度芯片封裝基板。（1）外觀檢測難度大，不適合多次回流焊（一般要求3次）；（2）OSP膜表面易劃傷；（3）儲存環境要求較高；（4）儲存時間短。

- OSP的儲存方法和時間：真空包裝6個月（溫度15-35℃，濕度RH≤60%）

OSP有三大類的資料：松香類（Rosin），活性樹脂類（Active Resin）和唑類（Azole）。 現時使用最廣的是唑類OSP。 唑類OSP已經經過了約5代的改善，這五代分別名為BTA，IA，BIA，SBA和最新的APA。

OSP的工藝流程

除油-->二級水洗-->微蝕-->二級水洗-->酸洗-->DI水洗-->成膜風乾-->DI水洗-->乾燥

1、除油   

除油效果的好壞直接影響到成膜質量。 除油不良，則成膜厚度不均勻。 一方面，可以通過分析溶液，將濃度控制在工藝範圍內。 另一方面，也要經常檢查除油效果是否好，若除油效果不好，則應及時更換除油液。

2、微蝕

微蝕的目的是形成粗糙的銅面，便於成膜。 微蝕的厚度直接影響到成膜速率，囙此，要形成穩定的膜厚，保持微蝕厚度的穩定是非常重要的。 一般將微蝕厚度控制在1.0-1.5um比較合適。 每班生產前，可測定微蝕速率，根據微蝕速率來確定微蝕時間。

3、成膜

采有DI水，以防成膜液遭到污染。 成膜後的水洗也最好采有DI水，且PH值應控制在4.0-7.0之間，以防膜層遭到污染及破壞。

a、工作液的有效物濃度對成膜速率有一定影響，儘量控制工作液的有效物濃度穩定是重要的。

b、控制PH值的穩定（PH3.0-3.2）。 PH值的變化對成膜速率的影響較大。 PH值越高，成膜速率越大，PH值越低，則成膜速率越慢。

c、控制成膜液溫度的穩定也是必要的。 因為成膜液變化對成膜速率的影響比較大，溫度越高，成膜速率越快。

d、成膜時間的控制。 成膜時間越長，成膜厚度越大。 根據實測的膜厚來確定成膜時間。

OSP成膜厚度的控制

OSP工藝的關鍵是控制好防氧化膜的厚度。 膜太薄，耐熱衝擊能力差，在過回流焊時，膜層耐不往高溫（190-00°C），最終影響焊接性厚，在電子裝配線上，膜不能很好的被助焊劑所溶解，影響焊接效能。 一般控制膜厚在0.2-0.5um之間比較合適。

OSP工藝的缺點

OSP當然也有它不足之處，例如實際配方種類多，效能不一。 也就是說供應商的認證和選擇工作要做得够做得好。

OSP工藝的不足之處是所形成的保護膜極薄，易於劃傷（或擦傷），必須精心操作和運放。

同時，經過多次高溫焊接過程的OSP膜（指未焊接的連接盤上OSP膜）會發生變色或裂縫，影響可焊性和可靠性。

錫膏印刷工藝要掌握得好，因為印刷不良的板不能使用IPA等進行清洗，會損害OSP層。

透明和非金屬的OSP層厚度也不容易量測，透明性對塗層的覆蓋面程度也不容易看出，所以供應商這些方面的質量穩定性較難評估；

OSP科技在焊盤的Cu和焊料的Sn之間沒有其它資料的IMC隔離，在無鉛科技中，含Sn量高的焊點中的SnCu增長很快，影響焊點的可靠性。

OSP工藝的檢測方法

1、除油效果檢測方法

一般認為，經除油後，板面裸銅面在水洗後能形成水膜且在15秒鐘內不破裂，說明除油效果良好。 否則，可考慮補充或更換除油劑。

2、微蝕速率測定方法

a、取7cm X 7cm的1.6mm厚雙面銅箔板，面積記為S（cm2）；

b、放入烘爐中，在90-100°C烘30分鐘；

c、在防潮瓶內冷卻至室溫，用分析天平稱重W1（克）；

d、隨生產板浸入生產線內的除油缸中，並於微蝕缸後取出（保證浸蝕時間跟生產板一致），微蝕時間記為t（分鐘）；

e、用水清洗後，於烘爐中90-100°C烘30分鐘；

f、在防潮瓶中冷卻至室溫，用分析天平犯法重W2（克）；

g、計算：蝕銅速率（微米/分鐘）=10000 X（W1-W2）/（8.92 X 2 X S X t）

3、成膜液有效物濃度的測定方法

a、工作液1.0ml，用去離子水稀釋至500ml，混勻；

b、在751分光光度計上，於269 1nm用去離子水作參比，校零；

c、換a步驟的溶液，測定吸光度A；

d、計算：有效物濃度（%）=280 X A

4、成膜厚度測試方法

a、將一片40mm X 50mm的單面裸銅板與生產板一起在OSP生產線上處理；

b、將已處理的板放在一乾淨的250ml燒杯中；

c、用移液管取50ml5%的鹽酸液，放入燒杯，輕搖燒杯，三分鐘後將板拿出；

d、用5%的鹽酸校零，在751G分光光度計上，於269.1nm處測吸光度；

e、再以c步驟準備的液體更換，讀取在170nm處的吸光度A；

f、計算：膜厚（微米）=0.7 X A

經工藝的測算，除油、微蝕槽及水溶性助焊劑浸塗槽的三個槽的比例控制在1:1:2.5。 如果浸塗槽太長，在一定的傳送速度下，通過除油、微蝕槽的時間相對會縮短，將會影響成膜的質量。

風力和烘乾系統對成膜的均勻性、厚度有很大影響，要求浸塗的有機可焊保護劑（OSP）後的吹幹段能够將多餘的殘液吹盡，否則後續的純水將帶走板面上多餘的殘液，而使此處的塗覆層偏薄，致使外觀不均勻。

另外浸塗前段吹幹是非常重要的。 水份帶入浸塗液易造成成膜的减薄。 吹風的冷風易造成成膜液溫度的下降，吹幹的風太熱易造成進料段的結晶。 由此，風力和烘乾系統的控制調整十分重要。

影響OSP膜厚的主要因素有

1.OSP主要成分濃度：烷基苯並咪唑或類似成分（咪唑類）是OSP藥液中的主成分，其濃度高低是决定OSP膜厚的根本所在。

2.有機酸：有機酸的加入可以新增烷基苯並咪唑在水溶液中的溶解度。 促進絡合保護膜的形成。 而用量過多反而會使沉積在銅表面上的保護膜溶解，因而控制有機酸的加入值（即PH值）是至關重要的。 PH值過高時，烷基苯並咪唑的溶解度降低，有油狀物析出，對浸塗不利。 PH值控制合理就可得到緻密、均勻、厚度適中的絡合膜。 而PH值過低，則因絡合膜溶解度新增，可使沉積在銅上的絡合物溶解而不能形成要求厚度的膜。

3.浸塗時間：在確定的OSP槽液組成、溫度和PH值條件下，絡合物保護膜形成的厚度開始將隨著浸塗時間的新增而直線上升，然後隨著時間的延長而緩慢的進行，超過一定時間以後，膜厚度基本上沒有新增。

4.預浸：預浸可以防止氯離子等有害離子對OSP缸溶液的損害。 而且預浸劑溶液中有適量的銅離子（恒橋要求預浸缸銅離子≤10ppm），能促進絡合物保護膜的生成，縮短浸塗時間。 一般認為，由於銅離子的存在，在預焊劑溶液中烷基苯並咪唑與銅離子已有一定程度的絡合。 這種有一定程度聚集的絡合物再沉積到銅表面形成絡合膜時，能在較短的時間內形成較厚的保護層，因而起到絡合促進劑的作用。 但預浸劑中烷基苯並咪唑或類似成分（咪唑類）含量極少。 且銅離子過量時，會使預浸劑溶液過早老化，需要更換

OSP預浸缸主要的作用是加快OSP膜厚的形成和處理其它有害離子對OSP缸的影響。 建議藥水效能好的化，儘量不用預浸缸作為常規流程環節。 這樣可以减少成本。

成本OSP更便宜。 BGA區越小，鍍金越不好做。 焊接性，鍍金比OSP要好點，但是BGA越小，鍍金越容易出問題，焊接之後的强度也越差。 對於現在無鉛錫銀銅合金來說金就是去除不掉的雜質。 而且鍍金、化金都要有一定的厚度才行。 對於原本就很小，還會越做越多、越做越小的BGA鍍金是不適用的。

OSP表面處理焊接後形成銅錫合金其焊接强度高於鍍金表面處理焊接後形成的鎳錫合金，能有效的防止外力造成的焊點開裂，尤其是小的PAD，並且在使用過程中銅錫合金的增長速度要比鎳錫合金的小.