新型耐高溫有機(jī)助焊保護(hù)劑的研制

張小春，李宗沅*，趙鵬，吳正旭，陳偉健，翁行尚

（廣東省科學(xué)院化工研究所，廣東省工業(yè)表面活性劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510665）

隨著精密印制電路板(PCB)制作表面平整化、薄型化和無鉛化，提供高可焊性、優(yōu)良平整度、低成本、無鉛的銅表面涂覆工藝成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-5]。有機(jī)助焊保護(hù)膜(OSP)工藝受到業(yè)界重視并得到廣泛應(yīng)用，此技術(shù)是通過將裸銅印制板浸入一種專用化學(xué)品中，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)在銅表面形成一層厚度為0.2 ～ 0.5 μm 的致密的憎水性有機(jī)金屬保護(hù)膜。這層膜令銅面與空氣隔絕，保護(hù)銅面不被氧化，在后續(xù)的電子零件組裝焊接前又能夠被稀酸或助焊劑快速地去除[6-8]。

為了滿足印制電路板制作無鉛化的要求，焊料溫度高達(dá)260 °C，必須提高有機(jī)助焊保護(hù)膜的耐熱性，而以苯并咪唑?yàn)橹鞒煞中纬傻挠袡C(jī)膜不能抵抗260 °C，因此需要研制一種新的耐高溫有機(jī)助焊保護(hù)劑。

影響OSP 膜耐熱性的主要因素是成膜劑種類，也與其厚度直接相關(guān)，決定膜厚的因素又與配方和應(yīng)用條件緊密相關(guān)[9]。為了得到耐高溫、厚度均一、可焊性好的OSP 膜，筆者使用2-(2,4-二氯芐基)苯并咪唑(簡稱bmz24)作為主成膜劑，開展了有機(jī)助焊保護(hù)劑配方和應(yīng)用條件的研究，通過膜厚和外觀初步篩選出符合應(yīng)用要求的OSP 配方，再通過應(yīng)用性能測(cè)試對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 配方篩選

試劑：2-(2,4-二氯芐基)苯并咪唑(工業(yè)級(jí))，廣東金柏化學(xué)有限公司；甲酸(化學(xué)純)、乙酸(化學(xué)純)、 正庚酸(98%)，阿拉丁試劑；氨水(25%)，西隴化工股份有限公司；乙酸銅(化學(xué)純)，廣州化學(xué)試劑廠。 通過查閱文獻(xiàn)和分析國內(nèi)外同行OSP 的應(yīng)用[10]，確定了OSP 的基本組成，見表1。

表1 耐高溫有機(jī)助焊保護(hù)劑的組分及其功能 Table 1 Compositions and their functions in high-temperature-resistant organic solderability preservatives

在基礎(chǔ)配方之上，改變其中一個(gè)成分后，測(cè)定膜厚和外觀來確定其最佳用量。確定好以bmz24 為主成膜劑的其他成分的最佳用量后，測(cè)定OSP 的耐熱性和上錫性，確定各類板型的最佳配方。為了與工業(yè)應(yīng)用工藝保持一致，在實(shí)驗(yàn)室建立了模擬生產(chǎn)線的小型流水線(浸泡成膜)以及膜厚、外觀的測(cè)試方法[11]。

工藝流程為：除油→二級(jí)水洗→微蝕→二級(jí)水洗→硫酸→二級(jí)水洗→吹風(fēng)→銅面防氧化處理(OSP)→吹風(fēng)→去離子水洗→烘干。

膜厚的測(cè)試：取3 cm × 5 cm 的雙面裸銅試板，先按OSP 生產(chǎn)條件進(jìn)行處理，再放入250 mL 的燒杯中；吸取5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鹽酸(分析純)50 mL 于上述燒杯中，輕搖燒杯3 min 后，抽起裸銅板；將UV-754 紫外分光光度計(jì)(1 cm 石英皿)波長調(diào)至269 nm 處，預(yù)熱30 min。用5%鹽酸作為空白樣，測(cè)得校正吸光度A1，接著測(cè)燒杯內(nèi)溶液的吸光度A2。按式(1)計(jì)算成膜厚度δ(單位：μm)。

式中K是在假定吸光度與膜厚之間為線性關(guān)系的情況下，根據(jù)實(shí)際紫外分光光度計(jì)法和FIB(聚焦離子束)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸光度與膜厚之間的線性經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[12]，取0.55。

1.2 工業(yè)應(yīng)用測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所研制的配方在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中能否達(dá)到耐高溫的要求，最常見的手段是根據(jù)IPC-TM650 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)OSP 板進(jìn)行260 °C 回流焊后，觀察銅面顏色是否均勻并檢測(cè)可焊性[13]。參照IPC J-STD-003B 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行邊緣浸焊測(cè)試。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 將OSP 處理過的PCB 測(cè)試板經(jīng)過LF860A 回流焊機(jī)處理，得到3 個(gè)批次的測(cè)試板，分別為過 1 ～ 3 次回流焊的樣品，拍照并觀察板面情況。

(2) 將錫爐加熱到260 °C 左右，除去錫爐表面的浮渣。

(3) 將經(jīng)過回流焊處理的OSP 板浸入助焊劑中7 s，取出后大約放置1 min。

(4) 浸入熔融的FX-306 無鉛焊料中大約3 s，取出PCB 測(cè)試板，保持垂直狀態(tài)約1 min，使焊料在空氣中冷卻凝固。

(5) 待冷卻到室溫后，檢查銅面的上錫情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 OSP 最優(yōu)配方和工藝條件的確定

由表2 可知，其他參數(shù)不變時(shí)，膜厚隨著bmz24 質(zhì)量濃度的增大(相當(dāng)于增加反應(yīng)物濃度)而增大，當(dāng)bmz24 的質(zhì)量濃度低于2.0 g/L 時(shí)，成膜厚度不足以覆蓋銅面，膜層均勻性不佳。

表2 bmz24 質(zhì)量濃度不同時(shí)OSP 膜的厚度和外觀 Table 2 Thickness and appearance of OSP films obtained with different mass concentrations of bmz24

由表3 可知，在其他組分不變的前提下，改變乙酸的含量，發(fā)現(xiàn)膜厚隨著乙酸質(zhì)量濃度增大而略微減小，但變化不大。這是因?yàn)樗岫仍龃髸?huì)使部分有機(jī)膜溶解在溶液中。

表3 乙酸質(zhì)量濃度不同時(shí)OSP 膜的厚度和外觀 Table 3 Thickness and appearance of OSP films obtained with different mass concentrations of acetic acid

從表4 可知，其他條件不變時(shí)，增大正庚酸的質(zhì)量濃度會(huì)增大膜厚。正庚酸在質(zhì)量濃度為1.0 g/L 時(shí)容易從溶液中析出并粘附在板面，造成有機(jī)膜不均勻。正庚酸的質(zhì)量濃度低于0.25 g/L 時(shí)，成膜比較慢，有機(jī)膜不能完全覆蓋銅面，也會(huì)導(dǎo)致膜層不均勻。

表4 正庚酸質(zhì)量濃度不同時(shí)OSP 膜的厚度和外觀 Table 4 Thickness and appearance of OSP films obtained with different mass concentrations of n-heptanoic acid

綜上，確定有機(jī)助焊保護(hù)劑的配方為：bmz24 2.5 g/L，甲酸20 g/L，乙酸60 g/L，正庚酸0.5 g/L，乙酸銅2.0 g/L，pH 3.1。接著在最佳配方條件下，研究成膜溫度和時(shí)間對(duì)膜層厚度和外觀的影響。

由表5 可知，其他條件不變時(shí)，升高溫度，成膜加快，因此加熱對(duì)有機(jī)膜的形成是有利的。

表5 溫度不同時(shí)膜層的厚度和外觀 Table 5 Thickness and appearance of film obtained at different temperature

由表6 可知，隨著處理時(shí)間延長，膜厚會(huì)相應(yīng)增加。

表6 處理時(shí)間不同時(shí)膜層的厚度和外觀 Table 6 Thickness and appearance of film obtained by treating for different time

最終確定最佳的工藝條件為：溫度46 °C，處理時(shí)間75 s。

2.2 工業(yè)應(yīng)用性能評(píng)估

2.2.1 耐熱性測(cè)試

如圖1 所示，在最佳OSP 配方及工藝條件下，銅面回流焊1 次后無變色，3 次后才變?yōu)榫鶆虻牡S色。

2.2.2 可焊性測(cè)試

使用放大鏡檢查PCB 測(cè)試板(見圖2)的各個(gè)焊點(diǎn)是否都處于飽滿狀態(tài)。結(jié)果顯示，測(cè)試板上焊盤浸潤良好的面積達(dá)99.5%，上錫飽滿，說明銅面經(jīng)過回流焊高溫處理后未被氧化成氧化銅。

圖1 OSP 膜未經(jīng)回流焊時(shí)(a)及分別經(jīng)過1 次(b)和3 次(c)回流焊后的表面狀態(tài) Figure 1 Surface states of OSP film before (a) and after being reflown for once (b) and three times (c), respectively

圖2 OSP 處理后的PCB 測(cè)試板的上錫情況 Figure 2 Solderability of PCB test panel after being treated with OSP

3 結(jié)論

新研制的以2-(2,4-二氯芐基)苯并咪唑?yàn)橹鞯挠袡C(jī)助焊保護(hù)劑與銅面結(jié)合可形成厚度均勻的OSP膜。約0.25 μm 厚的該膜層能夠較好地保護(hù)銅面不被氧化的同時(shí)，保證良好的耐高溫性能和可焊性，完全滿足銅面表面處理中OSP 的生產(chǎn)要求。經(jīng)過一年的工廠應(yīng)用，其性能穩(wěn)定，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。