在电路测试阶段使用无铅pcb表面处理工艺.doc

1、深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223在电路测试阶段使用无铅 PCB 表面处理工艺的研究和建议引言：无铅 PCB 的出现对在电路测试(ICT)提出了新的问题，本文描述了现有的 PCB 表面处理工艺，并分析了这些工艺对 ICT 的影响，指出影响 ICT 的关键是探针与测试点间的接触可靠性，并介绍了为满足 ICT 的要求在

2、 PCB 构建过程中需要做出的特定改变。图 1：用户采用了一套推荐的 OSP 规则集，但是依然发现对一次通过的良率有 12%的影响。一直以来，测试工程师主要关注的是确保他有一个有效的测试程序，该程序能在生产中很好地执行。“在电路测试(ICT)”依然是一种检测制造缺陷的非常有效的方法。更先进的 ICT 系统还能在测试时，通过提供对 Flash 存储器、PLD、FPGA 和 EEPROM 编程的方法，在测试功能配置中增加实际价值。安捷伦3070 系统在 ICT 方面是市场的领导者。现在 ICT 依然在印刷电路板组装(PCA)的制造和测试过程中发挥重要的作用，但是人们对无铅 PCB 的追求将对 IC

3、T 阶段有怎样的影响呢？对无铅焊接技术的推动导致了对 PCB 表面处理技术的大量研究。这些研究主要基于在 PCB 构建过程中的技术性能。不同的 PCB 表面处理技术对测试阶段的影响大部分被忽略掉，或者仅仅关注于接触阻力。本报告将介绍在 ICT 中观察到的影响的细节，以及对这些变化做出响应和理解的需要。本文的目的是分享 PCB 表面处理经验，以及针对为实现 ICTPCB 生产工艺要求的改变对工程师进行培训。本文将讲述在无铅 PCB 表面处理问题，特别是在的制造过程中的 ICT 阶段，并揭示对无铅表面处理的成功测试也依赖于 PCB 构建工艺的有益贡献。成功的 ICT 测试总是与针床夹具的测试探针和

4、 PCB 上测试焊盘的接触点的物理特性上。当很尖的探针接触到一个已焊接的测试点时，焊料将凹陷，因为探针的接触压力远远高于焊料的屈服强度。随着焊料深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223的凹陷，探针穿过测试焊盘表面的任何杂质。下面未受污染的焊料现在接触到探针，以实现对测试点的良好接触。探针插入的深度是目标材料的屈服强度成直

5、接的函数关系。探针穿透的越深，接触越好。8 盎司(oz)的探针可以施加 26,000 至 160,000psi(磅/平方英寸)的接触压强，具体压力大小取决于表面直径。因为焊料的屈服强度大约为 5,000psi，对于这种相对较软的焊料，探针的接触更好。PCB 表面处理工艺选择在我们了解前因后果之前，描述已有的 PCB 表面处理工艺的类型以及这些类型能提供什么非常重要。所有的印刷电路板(PCB)在板上都有铜层，如果铜层未受保护将氧化和损坏。有多种不同的保护层可以使用，最普遍的是热风焊料平整(HASL)、有机焊料防护(OSP)、无电镀镍金沉浸(ENIG)、银沉浸以及锡沉浸。热风焊料平整(HASL)H

6、ASL 是工业中用到的主要的有铅表面处理工艺。工艺由将电路板沉浸到铅锡合金中形成，过多的焊料被“风刀”去除，所谓的风刀就是在板子表面吹的热风。对于 PCA 工艺，HASL 具有很多的优势：它是最便宜的 PCB，而且通过多次回流焊、清洗和存储后表面层还可以焊接。对于 ICT 而言，HASL 也提供了焊料自动覆盖测试焊盘和过孔的工艺。然而，与现有的替代方法相比，HASL 表面的平整性或者同面性很差。现在出现了一些无铅的 HASL 替代工艺，由于具有 HASL 的自然而然的替代的特性而越来越普及。多年来HASL 应用的效果不错，但是随着“环保”绿色工艺要求的出现，这种工艺存在的日子屈指可数。除了无铅

7、的问题，越来越高的板子复杂性和更精细的间距已经使 HASL 工艺暴露出很多的局限性。优势：最低成本 PCB 表面工艺，在整个制造过程中保持可焊接性，对 ICT 无负面的影响。劣势：通常使用含铅工艺，含铅工艺现在受到限制，最终将在 2007 年前消除。对于精细引脚间距(0.64mm)的情况，可能导致焊料的桥接和厚度问题。表面不平整会导致在组装工艺中的同面性问题。有机焊料防护剂有机焊料防护剂(OSP)用来在 PCB 的铜表面上产生薄的、均匀一致的保护层。这种覆层在存储和组装操作中保护电路不被氧化。这种工艺已经存在很久了，但是直到最近随着寻求无铅技术和精细间距解决方案才获得普及。就同面性和可焊接性而

8、言，OSP 相对于 HASL 在 PCA 组装上具有更好的性能，但是要求对焊剂的类型和热循环的次数进行重大的工艺改变。因为其酸性特征会降低 OSP 性能，使铜容易氧化，因此需要仔细处深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223理。装配者更喜欢处理更具柔韧性和能承受更多热循环周期的金属表面。采用 OSP 表面处理，如果测试点没

9、有被焊接处理，将导致在 ICT 出现针床夹具的接触问题。仅仅改以采用更锋利的探针类型来穿过 OSP 层将只会导致损坏并戳穿 PCA 测试过孔或者测试焊盘。研究表明改用更高的探测作用力或者改变探针类型对良率影响很小。未处理的铜具有比有铅焊接高一个数量级的屈服强度，唯一的结果是将损坏裸露的铜测试焊盘。所有的可测试性指导方针都强烈建议不直接对裸露的铜进行探测。当使用 OSP 时，需要对 ICT 阶段定义一套 OSP 规则。最重要的规则要求在 PCB 工艺的开始打开版膜(Stencil)，以允许焊膏能加到 ICT 需要接触的那些测试焊盘和过孔上。优点：在单位成本上与 HASL 具有可比性、好的共面性、

10、无铅工艺、改善的可焊性。缺点：组装工艺需要进行大的改变，如果探测未加工的铜表面会不利于 ICT，过尖的 ICT 探针可能损坏 PCB，需要手动的防范处理，限制 ICT 测试和减少了测试的可重复性。无电镀镍金沉浸无电镀镍金沉浸(ENIG)这种敷层在很多的电路板上得到成功应用，尽管它具有较高的单位成本，但它具有平整的表面和出色的可焊接性。主要的缺点是无电镀镍层很脆弱，已经发现在机械压力下破裂的情况。这在工业上称为“黑块”或者“泥裂” ，这导致了 ENIG 的一些负面报道。优点：良好的可焊接性，平整的表面、长的储存寿命、可以承受多次的回流焊。缺点：高成本(大约为 HASL 的 5 倍)、 “黑块”问

11、题、制造工艺使用了氰化物和其他一些有害的化学物质。银沉浸银沉浸是对 PCB 表面处理的一种最新增加的方法。主要用在亚洲地区，在北美和欧洲正在获得推广。在焊接过程中，银层融化到焊接点中，在铜层上留下一种锡/铅/银合金，这种合金为 BGA 封装提供了非常可靠的焊接点。其对比色使其很容易被检查到，它也是 HASL 在焊接处理上的自然替代方案。银沉浸是一种具有非常好发展前景的表面加工工艺，但和所有新的表面工艺技术一样，终端用户对此非常保守。很多的制造商将这种工艺作为一种“正在考察”的工艺，但是它很可能成为最好的无铅表面工艺选择。优点：好的可焊接性、表面平整、HASL 沉浸的自然替代。缺点：终端用户的保

12、守态度意味着行业内缺少相关的信息。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223锡沉浸这是一种较新的表面处理工艺，与银沉浸工艺具有很多相似的特性。然而，由于要对 PCB 制造过程中锡沉浸工艺使用的硫脲(可能是一种致癌物)加以防范，所以有重大的健康和安全问题需要考虑。此外，还要关注锡迁移(“锡毛刺”效应)，尽管抗迁移化学制剂在控

13、制这种问题上能获得一定的效果。优点：良好的可焊接性、表面平整、相对低的成本。缺点：健康和安全问题、热循环周期的次数有限。PCB 表面处理总结表 1：OSP 实验的条件参数。表 2：结论是当使用焊接测试点时，ICT 性能大大提高。考虑到夹具和工艺的一些问题，用户相信一旦处理好这些问题，他们能获得的一次通过良率在 8090%之间。上面是 PCB 无铅处理的主要方法。HASL 仍将是最广泛使用的 PCB 处理工艺，这种情况下对于测试工程师来说没有任何变化。在某些国家，HASL 已经被法律禁止，并采用了替代方案。随着 PCA 制造扩展到更多的不同的全球区域，在 ICT 测试中可以看到的无铅处理工艺将越

14、来越多。尽管 OSP 并不是 HASL 的自然替代，但是它已经成为 PCA 制造商研究的首选替代处理方案。当没有改变工艺以允许在测试焊盘和过孔上用焊膏时，这将导致实际的 ICT 测试可靠性问题结论是，PCB 表面处理的工艺没有十全十美的，每种方法都有其需要考虑的问题。其中一些问题比其它问题更严重，所有这些无铅 PCB 表面处理工艺都需要在工艺步骤中进行修改，以防止在 ICT 出现夹具接触可靠性问题。在 ICT 阶段 HASL、OSP 和银沉浸的比较考虑深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品

15、研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223现在我想重点关注这些表面加工技术以及它们如何影响 ICT 的性能。表面处理在测试点上留下软焊料“弧顶”和裸露的过孔，它们是理想的 ICT 测试对象。HASL 具有而 OSP 不具有的特性是吸收作用力，HASL 是共晶 SnPB，特别软。这种软目标具有两个好处：适应探针和吸收能量。对于 OSPPCB 来说就没有这种软目标。相比而言，铜表面非常硬，不能吸收太多的能量，因此探针能“咬入”的直接接触的面积减少。外层的铜镀层一般在

16、10 到 50 微米之间。把铜镀层与 OSP 覆层结合起来，你会看到用来探测 HASL 板的探针将不能在 OSP 表面处理的板子上使用。研究表明，在回流焊和 ICT 之间较长的传递时间内，OSP 会在测试目标上产生很硬的“壳” 。传递到ICT 的最佳时间应小于 24 小时。有很多其他的工艺因素会对 OSP 对测试工程师带来困扰的程度大小造成影响，其中的一些因素是：OSP 提供商类型、在回流炉中经过的次数、是否去除了波峰工艺、氮回流还是空气回流，以及在 ICT 时的模拟测试类型。对铜表面的直接探测加上需要穿透 OSP 层的更高的探针作用力，产生了破坏薄铜层的实际潜在威胁，并导致内部短路。因此，我

17、们的建议是永远别探测裸露的铜表面。最近的事例显示，在 5 到 10 次的夹具激励之后，板子过孔或者测试点可能被戳穿。对于某些 PCA 制造商来说，OSP 对 ICT 的影响造成的问题如此之大，导致他们已经完全不用 OSP 了。其他的制造商开始学习如何遵照下面列出的“OSP 规则” 。用于 ICT 测试夹具和程序的“OSP 规则”：注意最新的行业可测试性建议，例如 www.smta.org。总是加焊膏到测试连接点(测试焊盘或者过孔)上，不对 OSP 覆盖的裸露的铜层进行探测。如果你不能改变版膜，要准备：* 对一次通过良率影响很大(FPY)* 或许需要改变夹具探针以获得更大的作用力，例如从 2 牛

18、顿到 3 牛顿* 可能需要改变夹具探针类型，改变为更尖的类型* 可能需要一种“双击”夹具激励方法，或者利用气体力学、机械手* 模拟测试程序约束可能需要折衷、开放或者甚至忽略*研究表明这些带星号的规则对良率可能具有相对较小的影响，确保可靠测试接触的唯一方法是确保测试焊盘被焊接。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223某些制

19、造商看到了 OSP 产生的直接的成本节省，认为是无铅替代工艺的第一选择。然而，某些公司在考虑到生产中断和延时问题的相关实际成本时，最近态度出现完全转变，正在重新审视它们的策略。银沉浸银沉浸是在铜层上 0.4 到 0.8 微米的金属层，这个金属层提供测试探针能咬入的“肉” 。银沉浸并没有 HASL 或者 OSP 那样应用广泛，但是初始的研究表明作为一种制造工艺它是 HASL 一种自然的替代。已经有一些 ICT 可靠性的初步研究，研究表明蚀刻时间(表面粗糙度/光洁度)和表面厚度是可重复性的重要考虑因素。在 ICT 阶段银表面处理的夹具接触可靠性还没有问题报告，因此对测试夹具不需调整，但应该需要对探

20、针或者测试软件做出调整。蚀刻率(etchrate)对 ICT 测试很重要，因为它决定银表面处理会光亮还是灰暗。在银沉积步骤中，银沉积到铜表面的等高线上，因此如果表面的粗糙度增加，因而面积增加，表现为灰暗表面，而具有最低粗糙度的表面表现为光亮的表面。业界对这种表面加工工艺的研究非常有限，但是在技术上和商业上看起来是最具希望的。最近的经验表明这种表面处理对于 ICT 没有任何问题。PCB 制造商现在提供银表面处理板，价格与 HASL 产品一样。用户研究从 HASL 到 OSP 的转变研究 1欧洲一个 OEM 制造场所来自 OSP 试验的一组数据显示如下。这个试验是由一个用户发起的，他们发现在引入

21、OSPPCB 表面处理作为他们一条产品线的无铅替代的试验时，对良率有很大的影响。这些是用户独立得到的结果，并没有受到安捷伦的任何影响。使用的测试设备是市场领先者安捷伦 3070 在电路测试器，在业界这个设备被广泛用作最稳定的测试平台。研究 2欧洲合同制造商这个合同制造商的研究是受与研究 1 相似的经验驱动的，在 ICT 中得到很差的良率性能。这个研究目的是发现根本原因，并对 OEM 提供反馈信息。这个试验被分割成两个实验部分。第一个实验部分是确定改变探针类型以及加到裸铜 OSP 测试点上的探针作用力的影响。第二个实验部分关注于当测试点被焊接时的性能。在第一个实验期间，在传递到 ICT 之前将部

22、件存储在氮中以防止氧化。采用了三种类型的探针，标准深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223的 7oz(2N)、7oz&10oz(3N)e 类探针和螺旋状探针。实验结果发现，当对裸露的铜 OSP 镀层进行探测时，不同的探针类型对良率没有改善。它平均采用 5个夹具激励来“突破”OSP 镀层。一旦设备的插脚接触测试通过，测试程

23、序余下的部分将正常地进行，不要求对模拟测试约束改变。然而实验发现若改变测试作用力和探针类型，对 PCB 测试点/过孔的损坏程度也会发生重大改变。这个试验的结论是：没有焊接的测试点在 ICT 中具有很大的问题。使用更大的作用力或者更锋利的测试探针只会导致 PCB 损坏。第二个实验是对具有焊接的测试点的 OSP 板间的比较，这个实验中还包含了少量纯粹的 OSP 样品。共试验了 86 个板子，其中焊接了 77 个，9 个没有焊接。在实验期间，合同制造商利用了他们的全球 ICT 设备专家来对测试夹具进行检测。这个试验出现了几个问题，即夹具压力和记录受到影响，不能满足用户的规格要求。这凸显了这样的事实：

24、即必须一直监测未来的和现在的 ICT 测试夹具质量，以确保满足可接受的标准。用户必须面对的另外一个问题是电路板上焊膏的应用。它们具有很小的测试对象，一英寸有 3 万个，因为需要考虑放置散热器，在某些区域的最大焊接高度限制大于 0.11 毫米。本文小结看起来某些公司的趋势是 OSP 被认为是 HASL 的自然替代。这种选择很可能是源于认识到单位成本的节省。ICT 工程师应该关注这种趋势：OSP 镀层的 PCB 将达不到像其他的可选择的无铅表面处理工艺的性能，除非测试焊盘被焊料覆盖。如果没有改变工艺流程，可能因为改变夹具探针、夹具的维护、修改测试软件和损坏板子的废料的成本，而抵消初始成本的可能节省

25、。我们看到在 OSP 选择上最近的很多相反的情况发生。对那些还没有放弃有铅 HASL 工艺的客户的建议是，需要考虑所有可行的无铅 PCB 替代工艺的优点和缺点，确保所有的制造阶段都在试验中包含到，包括测试！对于银 PCB 表面处理工艺对 ICT 的影响，我们没有任何确定性的结果。我们与使用银处理工艺的客户讨论过，他们在使用这种表面处理工艺中没有发现任何夹具接触的问题。作者：Jon OConnell高级顾问自动测试组安捷伦科技英国公司深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223