在ICT阶段使用无铅PCB表面处理工艺的研究和建议

在ICT阶段使用无铅PCB表面处理工艺的研究和建议作者:JonO'Connell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ICT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)HASL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、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：终端用户的保守态度意味着行业内缺少相关的信息。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80~90%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。—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。某些制造商看到了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