基本介紹
- 中文名：OSP
- 全稱：Organic Solderability
- 英文：Preflux
- 特點：極短的時間
簡介,處理方式,材料,工藝流程,工藝缺點,套用指南,包裝儲存,鋼板設計,不良重工,溫度曲線,測試,
簡介
隨著人們對電子產品的輕、薄、短、小型化、多功能化方向發展，印製線路板向著高精密度、薄型化、多層化、小孔化方向發展，尤其是SMT的迅猛發展，從而使SMT 用高密度薄板（如IC 卡、行動電話、筆記本電腦、調諧器等印製板）不斷發展，使得熱風整平工藝愈來愈不適應上述要求。同時熱風整平工藝使用的Sn-Pb 焊料也不符合環保要求，隨著2006 年7 月1 日歐盟RoHS 指令的正式實施，業界急需尋求PCB 表面處理的無鉛替代方式，最普遍的是有機焊料防護(OSP)、無電鍍鎳金沉浸(ENIG)、銀沉浸以及錫沉浸。
處理方式
下圖是常見的幾種PCB 表面處理方式熱風整平（Sn-Pb HASL）、浸Ag、浸Sn、OSP、無電鍍鎳浸金（ENIG）的性能比較，其中後4種適用於無鉛工藝。可以看出OSP的工藝簡單、成本低，所以越來越受到業界的歡迎。
物理性能 Sn-Pb HASL 浸 Ag 浸Sn OSP ENIG
保存壽命(月) 12 12 12 12 6
可經歷回流次數 4 5 5 》4 4
成本 中等 中等 中等 低 高
工藝複雜程度 高 中等 中等 低 高
工藝溫度 240°C 50°C 70°C 40°C 80°C
厚度範圍, 微米 1-25 0.05-0.20 0.8-1.2 0.2-0.5 0.05-0.2Au 3-5Ni
助焊劑兼容性 好 好 好 一般 好
OSP是Organic Solderability Preservatives 的簡稱，中譯為有機保焊膜，又稱護銅劑，英文亦稱之Preflux。簡單的說OSP 就是在潔淨的裸銅表面上，以化學的方法長出一層有機皮膜，這層膜具有防氧化，耐熱衝擊，耐濕性，用以保護銅表面於常態環境中不再繼續生鏽（氧化或硫化等）；但在後續的焊接高溫中，此種保護膜又必須很容易被助焊劑所迅速清除，如此方可使露出的乾淨銅表面得以在極短時間內與熔融焊錫立即結合成為牢固的焊點。
其實OSP並非新技術，它實際上已經有超過35年，比SMT歷史還長。OSP 具備許多好處，例如平整面好，和焊盤的銅之間沒有IMC 形成，允許焊接時焊料和銅直接焊接（潤濕性好），低溫的加工工藝，成本低（可低於HASL），加工時的能源使用少等等。OSP 技術早期在日本十分受歡迎，有約4 成的單面板使用這種技術，而雙面板也有近3成使用它。在美國，OSP 技術也在1997 年起激增，從1997 以前的約10%用量增加到1999年的35%。
材料
OSP 有三大類的材料：松香類（Rosin），活性樹脂類（Active Resin）和唑類（Azole）。
目前使用最廣的是唑類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。
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，造成膜厚度不均勻。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，因此，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
成膜前的水洗最好采有DI 水，以防成膜液遭到污染。成膜後的水洗也最好採用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。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（190-200°C），最終影響焊接性能，在電子裝配線上，膜不能很好的被助焊劑所溶解，影響焊接性能。一般控制膜厚在0.2-0.5um之間比較合適。
工藝缺點
OSP 當然也有它不足之處，例如實際配方種類多，性能不一。也就是說供應商的認證和選擇工作要做得夠做得好。
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（指未焊接的連線盤上OSP膜）會發生變色或裂縫，影響可焊性和可靠性。
圖1 OSP氧化變色的可接受標準和實物圖片
套用指南
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 層厚度也不容易測量，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技術在焊盤的Cu和焊料的Sn之間沒有其它材料的IMC隔離，在無鉛技術中，含Sn 量高的焊點中的SnCu 增長很快，影響焊點的可靠性。
包裝儲存
OSP PCB 表面的有機塗料極薄, 若長時間暴露在高溫高濕環境下，PCB 表面將發生氧化，可焊性變差， 經過回流焊製程後，PCB 表面有機塗料也會變薄，導致PCB 銅箔容易氧化。所以OSP PCB 與SMT 半成品板保存方式及使用應遵守以下原則：
(a) OSP PCB 來料應採用真空包裝，並附上乾燥劑及濕度顯示卡。運輸和保存時，帶有OSP的PCB之間要使用隔離紙以防止摩擦損害OSP表面。
(b)不可暴露於直接日照環境,保持良好的倉庫儲存環境，相對濕度: 30~70%, 溫度: 15~30℃, 保存期限小於6 個月。
(c)在SMT 現場拆封時，必須檢查濕度顯示卡，並於12 小時內上線，絕對不要一次拆開好多包，萬一打不完，或者設備出了點什麼問題要用很長時間解決，那就容易出問題。印刷之後儘快過爐不要停留，因為錫膏裡面的助焊劑對OSP皮膜腐蝕很強。保持良好的車間環境：相對濕度 40~60%, 溫度: 22~27℃) 。生產過程中要避免直接用手接觸PCB 表面，以免其表面受汗液污染而發生氧化。
(d)SMT 單面貼片完成後，必須於24 小時內要完成第二面SMT 零件貼片組裝。
(e)完成SMT 後要在儘可能短的時間內（最長36小時）完成DIP 手外掛程式。
(f)OSP PCB不可以烘烤，高溫烘烤容易使OSP變色劣化。假若空板超過使用期限，可以退廠商進行OSP 重工。
鋼板設計
OSP 相對於普通的噴錫板鋼網開口面積會稍大一點,所以當PCB 由噴錫改為OSP 時,鋼網最好重開,要保證焊錫能蓋住整個焊盤。鋼板開刻基本上可以使用噴錫板的原則，考慮到OSP 因為平整，對錫膏成形有利，而且PAD 不能提供一部分焊錫了，所以開口可以適當增大，但是要以吃飽錫為好，不要過分了。開口增大以後，為了解決SMT CHIP 件錫珠、立碑及OSP PCB 露銅問題，將錫膏印刷機鋼網開孔設計方式, 改為凹型設計。
(a)在錫膏印刷鋼板設計時, 儘可能讓焊錫全部覆蓋焊盤。根據IPC 610-D 版PCBA 焊錫質量目視檢驗標準, 焊盤邊緣小部分露銅的情況是可以被判定允收的，但覆蓋率至少要達到焊盤面積的80%以上。
(b)若是PCB上零件位置因故未放置零件, 錫膏也需儘量覆蓋焊盤。
(c)為了防止OSP PCB在SMT 製程中等待時間太久造成貫穿孔氧化，以致產生焊錫性及可靠度問題，可以考慮在錫膏印刷站將所有ICT 測試點及DIP 貫穿孔印上錫膏，以保護貫穿孔不致氧化生鏽。
不良重工
(a) 儘量避免印刷錯誤，因為清洗會損害OSP保護層。
(b) 當PCB 印刷錫膏不良時，由於OSP保護膜極易被有機溶劑侵蝕，所有OSP PCB不能用高揮發性溶劑浸泡或清洗，建議以無紡布沾75%酒精擦除錫膏。
(c)重工完成後的PCB ，應該在2 小時內完成當次重工PCB 面的SMT 焊錫作業。
溫度曲線
回流焊時峰值溫度設定的不要太高（240-245℃），爐內時間要控制好，否則再做第二面的時候可能會出現焊盤吃錫問題，當然，出現這個情況也說明板子的耐高溫不過關。
對雙面裝配，首次回流需要氮氣環境來維持第二面的可焊性。現在的OSP也會在有助焊劑和熱的時候消失，但第二面的保護劑保持完整，直到印有錫膏或過波峰焊，此時回流或波峰焊才不一定要求在惰性氣體環境下。
在首次的有氧加熱情況下通孔里的OSP（不耐熱的品種）會與焊盤上一樣產生部分乃至全部的分解，以至於有漏出基材的可能，這可通過OSP的變色程度觀察到，而分解和氧化的OSP殘留物溶解性和流動性都會顯著的下降，非原焊劑可對付的，通孔的主要焊接面積在內孔，內孔的可焊面積會受到分解和氧化的OSP殘留物的影響。
測試
採用OSP 表面處理，如果測試點沒有被焊料覆蓋，將導致在ICT 測試時，出現針床夾具的接觸問題。有很多任務藝因素會影響ICT 測試效果，其中的一些因素是：OSP 提供商類型、在回流爐中經過的次數、是否波峰工藝、氮氣回流還是空氣回流，以及在ICT 時的模擬測試類型等。僅僅改以採用更鋒利的探針類型來穿過OSP 層，將只會導致損壞並戳穿PCA 測試過孔或者測試焊盤。所以強烈建議不要直接對裸露的銅焊盤進行探測，要求在開制鋼網時考慮給所有測試點上錫。
圖2 測試點和外掛程式焊盤要上錫
