本文介紹了PCB行業(yè)水溶性有機可焊保護劑（OSP）的基本情況和發(fā)展趨勢，著重研究了一種銅/金選擇性O(shè)SP體系。 本系統(tǒng)OSP方案穩(wěn)定，易于控制。 它具有優(yōu)異的金表面選擇性和優(yōu)異的可焊性。 解決了PCB行業(yè)OSP存在的金面易鍍金、高溫變色不均等問題。

一、前言

近年來，電子產(chǎn)品和貼裝技術(shù)對印刷電路板（PCB）成品表面處理的要求越來越高，包括無鉛、無鹵素和高溫可焊性。 由于各種缺點，傳統(tǒng)的熱風(fēng)整平技術(shù)將逐漸被其他表面涂層技術(shù)所取代，如化學(xué)鍍鎳金、化學(xué)鍍銀、化學(xué)鍍錫、有機防焊劑（OSP）等。 其中，OSP表面處理方式經(jīng)過近幾年的不斷改進，技術(shù)日益成熟，價格低廉，成為眾多企業(yè)首選的環(huán)保PCB表面涂裝方式之一。

水溶性O(shè)SP在業(yè)內(nèi)也稱為銅保護劑、銅表面抗氧劑。 它通過化學(xué)方法在裸銅上形成一層薄而均勻致密的有機保護膜。 保護膜在高溫焊接時很容易被焊料推開，從而保證了銅面的可焊性。 OSP膜層的耐熱性主要取決于所用的成膜劑。 目前，成膜劑經(jīng)歷了苯并三唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑和芳香族咪唑等五代更替。 目前市場上多采用第四代烷基苯并咪唑衍生物。 關(guān)于OSP成膜機理，眾說紛紜。 有學(xué)者認為，咪唑類化合物與二價銅離子結(jié)合成膜； 也有學(xué)者認為，咪唑類化合物先與銅表面原子配位，然后單價銅離子與咪唑類化合物絡(luò)合，進一步增膜。

目前OSP分為銅板OSP和銅金混載板選擇性O(shè)SP。 也就是說，區(qū)別在于金表面是否沉積了薄膜。 市場上OSP的質(zhì)量參差不齊。 有的雖有選擇性，但存在銅表面易鍍層、高溫變色不均、槽液易結(jié)晶、工藝管理控制復(fù)雜等問題。 這些問題已經(jīng)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，大家都致力于開發(fā)性能更好的OSP技術(shù)。 本文介紹了一種銅/金選擇性O(shè)SP體系的研究。

二、OSP技術(shù)概述

2.1 工藝流程

OSP的一般流程如下：

除油→水洗→微蝕→水洗→酸洗→水洗→OSP→水洗→強風(fēng)干燥→熱風(fēng)干燥

本OSP系統(tǒng)的流程如下：

除油→水洗→微蝕→水洗→預(yù)浸水洗→OSP→水洗→強風(fēng)干燥→熱風(fēng)干燥。

與原設(shè)備兼容性好，只需將酸洗段換成預(yù)浸段即可。

2.2 工藝原理

OSP工藝中，經(jīng)過微刻蝕處理后的銅表面存在不同價態(tài)的銅（Cu0、Cu+和Cu2+）。 預(yù)浸液中的活性咪唑與銅表面的銅原子配位形成單分子層。 咪唑分子上的-NH脫氫后，繼續(xù)與單價銅配位成鍵，從而在銅表面形成一層很薄的堿性有機膜。 當(dāng)覆有堿性有機膜的銅面進入OSP主槽后，堿性有機膜在酸性條件下溶解，釋放出一價銅離子。 銅離子并不快速擴散，而是停留在銅表面附近，直接與OSP溶液中的主要成膜物質(zhì)結(jié)合，進入新形成的OSP薄膜。 當(dāng)咪唑化合物銅有機絡(luò)合物薄膜生長到一定程度時，由于溶液中沒有過量的單價銅離子，薄膜厚度的增加主要依靠咪唑化合物分子間的范德華力和氫鍵。 當(dāng)咪唑分子的沉積和脫附達到動態(tài)平衡時，膜厚不會增加。

三、PCB技術(shù)優(yōu)勢

3.1 優(yōu)異的銅/金選擇性

一般在OSP處理后，銅/金混合載板回流焊高溫處理，PCB上的金面容易變色，即在金面上涂一層有機膜，不應(yīng)該 涂層，在高溫下發(fā)生氧化變色，導(dǎo)致質(zhì)量問題。 這是因為銅/金混載板在OSP主槽酸浴正下方容易產(chǎn)生賈凡尼效應(yīng)。 此時銅面起陽極作用，金面起陰極作用。 當(dāng)銅溶解在鍍液中，與鍍液中的咪唑類化合物形成有機銅絡(luò)合物膜時，同時會拋出電子，電子通過電路在金表面富集。 當(dāng)鍍液中存在Cu2+時，Cu2+會因獲得電子而被還原，與咪唑類化合物絡(luò)合沉積在金表面，導(dǎo)致金表面高溫變色。 因此，隨著OSP主槽中銅離子濃度的增加，這種現(xiàn)象更加明顯。

此OSP系統(tǒng)專為銅/金混合載板設(shè)計，可大大避免金面覆膜。 一方面，它采用弱堿性預(yù)浸液代替原工藝中的酸洗，弱堿性溶液本身不會產(chǎn)生賈瓦尼效應(yīng)，還能起到清洗金表面的作用。 另一方面，OSP主槽液中沒有添加銅離子，預(yù)浸后帶入槽液中的銅離子更少，可以從根本上解決賈凡尼效應(yīng)引起的金變色問題。

3.2 優(yōu)良的可焊性

OSP膜的作用是保護PCB上干凈的銅面在一定條件下不被氧化。 電子零件組裝焊接前，可用助焊劑快速去除OSP膜，使PCB上的銅面具有良好的可焊性，并能與熔融焊料形成牢固的焊點。 目前國內(nèi)很多OSP產(chǎn)品的OSP薄膜回流焊后顏色變化不均，可焊性與國外PCB大廠相比還有一定差距。 但經(jīng)此OSP系統(tǒng)處理的銅面顏色變化在多次回流焊后是均勻的

3.3 其他優(yōu)勢

目前PCB市場上的OSP主槽藥液大多是由兩種或兩種以上的藥液組成。 罐液的控制和添加比較麻煩，操作稍有不當(dāng)，容易造成罐液不平衡。 OSP 系統(tǒng)不同。 主罐藥液由單一藥液組成，具有以下其他特點：工作溫度低（34℃~38℃），揮發(fā)性小； 工藝參數(shù)控制簡單。 只需要控制成膜劑的濃度、pH值和OSP膜厚； 浴液的緩沖性好； OSP膜厚調(diào)節(jié)方便，通過調(diào)節(jié)預(yù)浸或OSP的pH值可快速調(diào)節(jié)OSP膜厚。

這種OSP系統(tǒng)還有一大優(yōu)點，就是穩(wěn)定性比普通OSP產(chǎn)品要好，沒有結(jié)晶現(xiàn)象。 實驗表明，輪動輥反復(fù)浸入本系統(tǒng)的OSP浴液中，并在通風(fēng)櫥中放置一天。 滾筒烘干后無結(jié)晶析出，而普通OSP產(chǎn)品有結(jié)晶析出。

四、總結(jié)

隨著PCB電子產(chǎn)品向多功能、輕薄化方向發(fā)展，印制電路板也朝著高密度方向發(fā)展。 日本引進的有機可焊性保護劑替代熱風(fēng)整平的發(fā)展趨勢越來越明顯。 OSP工藝具有成本低、操作簡單、槽液維護方便、適應(yīng)綠色環(huán)保生產(chǎn)方式、滿足RoHS指令、滿足無鉛時代要求等優(yōu)點，因此OSP技術(shù)得到廣泛應(yīng)用 受到PCB制造行業(yè)的使用和好評。 雖然目前的OSP工藝與其他金屬的表面處理相比還存在一些不足，但其穩(wěn)定性和可靠性隨著技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷提高，勢必在PCB最終表面處理的道路上越做越強 .