提高PCB可焊性的氮气氛保护

提高PCB可焊性的氮气氛保护

    　　由于铅锡合金具有良好的可焊性，所以直到现在它仍是用于印刷电路板的最普遍的表面涂覆材料。但是随着技术的发展，电子工业在产品质量、微型化、价格和遵守环境法规方面面临着愈来愈多的严格要求，所以人们必须寻找一个能够替代这类印刷电路板表面涂层的方法。
    
    　　在已有的解决方案中，有机涂覆（也称有机可焊保护剂涂覆，或者称OSP即organic solderability preservatives 的英文缩写）是最有吸引力的一种。基于氮杂环茂的化学性质，它们通过化学的方法与铜结合在一起，形成一种能够抵御外界侵蚀（例如氧化作用）的保护层。与其它的表面涂覆方式相比较，OSP是一项成本支出较为合算的方法，它们的使用可以不依赖PCB制造厂商。然而，当采用OSP涂覆PCB组件的时候，在空气气氛中要忍受非常高的温度，这样会导致铜焊盘产生氧化作用，通常情况下这会给焊接的质量问题带来灾难性的后果。
    
    　　因为在温度发生变化的时候，所产生的铜的氧化作用是引起OSP涂覆的PCB组件发生可焊性问题的主要原因，为此人们试图通过测试以确认限制铜发生氧化作用的可以接受的最大的氧含量水平，从而确保获得良好的焊接工艺。在美国德克萨斯州达拉斯的Aie Liquide公司的技术人员对此开展了研究工作，本文将其研究测试结果向大家作一介绍。
    
    　　在测试中采用了在市面上可以采购得到的四种OSP涂层，包括簿膜和厚膜。焊接工艺的实施采用了波峰焊、回流焊。这里采用了润湿比较测试，在温度发生变化的时候采用了三种不同的气氛条件：氮气、含有1%氧的氮气和空气。在工业化大生产的条件下，表现为低温纯氮，而含有1%氧的氮气一般是采用现场簿膜技术（on-site membrane technology.）所获得的。
    
     1. 润湿比较测试结果
    
    　　实施润湿比较测试是为了能够确定不同温度变化和不同气氛对OSP（涂覆铜试样）的可焊性所产生的影响。润湿时间（润湿度达到55°时的时间）是主要的测试参数，可以接受的润湿时间为小于3秒。所测试的四种OSP（标识为A和B的为簿膜，标识为C和D的为厚膜）使用了低残余物的焊膏。详细研究的温度变化范围为从100 °C 到 250 °C ，采用典型的回流焊接加热曲线进行循环。在该温度变化下所采用的气氛是氮气、含有1%氧的氮气和空气。
    
    　　当在铜试样上施加了有机涂覆以后，在涂覆有OSP的试样之间立即显现出了许多重大的差异。润湿时间从0.75 秒 (试样OSP C) 一直高达1.25 秒 (试样OSP A)。不管什么样的气氛，当温度高达150 °C和时间高达5分钟时，润湿特性没有很大的变化。但是当铜试样暴露在高于150 °C的温度下不久，气氛对可焊性的影响开始显现出来了。随后在空气气氛中仅采用回流焊接温度加热曲线的条件下，涂覆有OSP簿膜的铜试样的可焊性显现出了引人注目的下降，然而，使用氮气和含有1%氧的氮气的气氛条件依然表现出良好的可焊性。
    
    　　对于两种采用厚膜的试样（OSP C 和OSP D）来说，所反映出的情况有些类似，与在空气气氛中的重大变化结果相比，差异很小。当采用氮气和含有1%氧的氮气气氛时，在经历了两次回流焊接温度加热曲线以后，依然保持了良好的可焊性。
    
    　　测试结果表明：对于所有的OSP试样来说，150 °C是一个临界温度。在温度发生变化的时候，如果所采用的是空气时，当超过这一温度将导致可焊性能的大幅度降低。
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     2. 焊接测试结果
    
    　　回流焊接的测试是在一块5x5 cm 电路板上完成的，在该电路板上面包含有特殊的润湿图形和表面贴装器件(SO12,SO24,QFP64 和芯片)。使用的是一种低残余物焊膏和免清洗RMA焊膏，通过焊接加热炉内的气氛为氮气、含有1%氧的氮气和空气。
    
    　　在空气气氛中采用免清洗RMA焊膏的焊接质量相当差，甚至在经过两次回流焊接测试都得出了不良的结果。在焊盘上的润湿情况很糟，铜呈现出了红颜色，明显表现出严重的氧化现象。在使用氮气气氛中，无论采用一次还是二次回流焊接，所有的OSP试样都表现出了良好的测试结果。除了试样OSP A以外，采用含有1%氧的氮气气氛时的测试结果相当于在采用纯氮气气氛中所获得的结果。
    
    　　在涂覆OSP的铜印刷线上进行润湿测试过程中，焊膏被不连续地以点状筛网印刷在印刷线上，其间距为从0.1 mm 到 1 mm。在回流焊接以后许多间隙依然留下，这给润湿性能提供了数值表示。机械性能的测试是通过采用一个吸气罩以提升起元器件的引脚而实现的，测试结果显示当从空气气氛转化为含有1%氧的氮气气氛时，可以获得良好的机械强度的提升。对使用RMA免清洗焊膏焊接的QFP64元器件引脚的拉扯强度测试结果表明：在氮气氛中是975 g、在含有1%氧的氮气气氛中是935 g，在空气气氛中是736 g。
    
    　　波峰焊接测试采用加置了氮气罩的双峰焊接设备，印刷电路板采用了混合技术以及低残余物和免清洗的焊剂。焊接时的气氛考虑为氮气、含有1%氧的氮气和空气。在空气气氛状态下，OSP试样没有获得可以接受的效果。可以观察到的主要缺陷为在表面贴装器件焊盘上拙劣的润湿现象和不良的顶部润湿构成。当含氧量减少时，质量有了明显的改善。在含有1%氧的氮气气氛条件下，OSP A和C试样的缺陷等级被分为三等。在氮气气氛状态下进一步得到改善，OSP C提供的结果优于在空气气氛状态下的，采用铅锡涂覆的印刷电路板焊接所获得的效果。
    
     3. 结束语
    
    　　通过有关测试研究可以得出：无论气氛和温度如何变化，有机物涂覆能够在150°C以内有效地确保可焊性。在空气气氛状态下超过150°C不久，OSP能够经受该温度，但是可焊性能降低了。这种现象在采用簿膜OSP的情形下特别明显。与之形成对照的是，当采用的气氛是氮气或者说含有1%氧的氮气的条件下时，甚至于在经历了两次回流焊接加热曲线以后，可焊性能够依然保持良好。
    
    　　对RMA免清洗焊膏的回流焊接测试证实了采用非低温的含有1%氧的氮气能够获得高质量的焊接效果。当采用低残余物焊膏的时候，仍要求使用低温的纯氮，这和使用铅锡涂覆的电路板的情形相同。波峰焊接的测试结果表明，在使用低温纯氮的条件下采用OSP，能够获得良好的结果。同时也指出了当存贮时间仅为几天的情况下，存贮不是一项关键的步骤。
    
    　　以氮为基础的保护性气氛，能够提供不少的优点，同样也能够大大提高采用OSP涂覆的电路板的焊接性能，甚至于在经历多次焊接工艺操作时也能如此。