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PCBA大讲堂:用数据比较OSP及ENIG表面处理电路板的焊接强度

发布时间 :2018-08-02 13:43 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
提出实验数据佐证OSP表面处理的焊接强度比ENIG表面处理PCB来得强。但也证实OSP的焊锡强度会随着时间老化而变差,所以,产品卖到市场上越久,其不良率应该会越高
提出实验数据佐证OSP表面处理的焊接强度比ENIG表面处理PCB来得强。但也证实OSP的焊锡强度会随着时间老化而变差,所以,产品卖到市场上越久,其不良率应该会越高。
 
各位朋友在SMT及PCBA电路板组装业界混久了,也许曾听某位专家或前辈经验分享告诉过你「OSP表面处理的电路板的焊接强度比ENIG表面处理来得强」,比较专业的术语应该说「铜基地电路板的焊点强度比镍基地来得强」,不过似乎没有几个人可以拿出一个数据来告诉你「到底OSP焊接强度比ENIG强了多少?」
 
你知道什么是ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold)表面处理电路板吗? ENIG表面处理是什么电路板?有何优缺点?
你知道什么是OSP(Organic Solderability Preservative)表面处理电路板吗?什么是OSP(有机保焊膜)表面处理电路板?有何优缺点?
 
深圳宏力捷在网络上找了许多的报告,最后发现这篇由「日本 Niho Superior 公司」发表的【Strength of Lead-free BGA Spheres in High Speed Loading】英文版本报告算是较浅显易懂,本文基本上会用这份报告当材料来说明OSP与ENIG的焊接其承受应力的能力。
 
因为现今手持电子装置(portable devices)大行其道,使用者拿取时不小心将其掉落地上时有发生,所以这份报告使用了不同的剪切(Shear)测试速度对BGA锡球焊接于OSP及ENIG两种不同表面处理的可靠性计算其BGA锡球的断裂能量(Fracture Energy)来做为焊接强度评判的标淮。
 
这份报告的测试样品及其条件如下,对报告详细内容有兴趣的读者可以在网络上搜寻一下这份原文报告的名称应该就可以找到了:
▪ 锡球直径(BGA ball diameter): 0.5+/-0.01mm
▪ 板材(Laminate): FR4
▪ 板厚(Thickness): 1.6mm
▪ 采用防焊定义焊垫(Solder Mask Defined Pad): 0.42+/-0.02mm
▪ 防焊层厚度(Resist Thickness): 30-40um
▪ 电路板表面处理(Finish): OSP、ENIG(0.3um Ni/0.03um Au)
▪ 锡球合金(ball solder alloy): Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-0.7Cu-0.05Ni-0.006Ge、63Sn-37Pb
▪ 剪力测试速度(Shear at speeds):10, 100, 1000, 2000 and 4000 mm/sec
 
这份报告基本上采用了推力(Shear-test)及拉力(Pull-test)两种测试方法,但深圳宏力捷这里只取其推力的报告,有兴趣的读者可以在网络上找一下这份原文的报告,而这里的推力实际为锡球侧向的剪切力(Shear),如左图的测试方法。
这份报告基本上采用了推力(Shear-test)及拉力(Pull-test)两种测试方法,但深圳宏力捷这里只取其推力的报告,有兴趣的读者可以在网络上找一下这份原文的报告,而这里的推力实际为锡球侧向的剪切力(Shear),如上图的测试方法。
 
 
这份报告却是以锡球的「破裂强度(Fracture Energy)」来计算其焊接强度的,因为当最大剪切力出现时锡球还不一定整颗完全掉落下来,有些可能只是裂开一部分,但推力的最大值已经求出,所以仅计算最大剪切力来代替焊锡强度会有点失真,应该要计算其整个剪切力与距离所形成的封闭区域面积(上图)才比较能代表焊接强度。
需要提醒的,这份报告却是以锡球的「破裂强度(Fracture Energy)」来计算其焊接强度的,因为当最大剪切力出现时锡球还不一定整颗完全掉落下来,有些可能只是裂开一部分,但推力的最大值已经求出,所以仅计算最大剪切力来代替焊锡强度会有点失真,应该要计算其整个剪切力与距离所形成的封闭区域面积(上图)才比较能代表焊接强度
 
Average_fracture_energy_as_a_function_of_shear_speed
从整份报告看来,针对OSP及ENIG表面处理的焊接强度结果可以归纳为下列几点结论:
▪ 施加于锡球的剪切速度(shear speed)越快,不论锡球是焊接于OSP或ENIG的表面处理上,其断裂能量(Fracture Energy)都会随着剪切速度的增加而急速下降。这说明电子产品落下的速度对电路板上的电子零件焊锡强度来说都是个致命伤,而零件越重者,受到的伤害就会越大,因为F=ma。摔落的高度越高也就越不利。
 
▪ 以SAC305焊锡来说,OSP表面处理板子的焊锡对抗剪切力的破裂强度较ENIG表面处理的板子来的优秀,尤其是在100mm/sec剪切力速度时差异最为明显,但是到了1,000mm/sec以上的剪切速度时,两者的间的差距则越来越小。这个可以解释手机做裸机高处摔落测试(drop test)时ENIG与OSP差异不大,但是做滚动测试(tumble test)时OSP明显比ENIG来得优秀。
 
报告中还特别针对一次回焊(As reflow)、二次回焊(Double reflow)、回焊后放置于150°C环境下200(H)小时(Reflow + 200hr@150°C)做了实验及比较,最主要目的在了解IMC(Intermetallic Compounds)在时间及温度条件下对BGA锡球焊锡强度的影响性。
 
建议相关阅读: 
何谓IMC (Intermetallic Compound)?IMC与PCB焊接强度有何关系?
 
Effect_of_ageing_on_performance_in_shear
 
▪ 以OSP表面处理与SAC305形成焊锡的剪切力测试的破裂强度来看,一次回焊及二次回焊对其焊锡强度影响似乎不大明显,但是随着高温时间老化后,其焊锡强度则明显下降。这个可以推论是因为OSP铜基地与锡球最初形成Cu6Sn5为良性IMC,但随着时间老化后,「铜」会慢慢的渗透到界面层并与原来的IMC发生反应,渐渐转变为Cu3Sn劣性IMC有关。 
Cu6Sn5 + 9Cu → 5Cu3Sn 
也就是说铜基地的焊锡强度会随着时间老化而变差,产品卖到市场上越久,不良率就会越高。
 
▪ 以ENIG表面处理与SAC305形成焊锡的剪切力测试来看,不论是一次回焊、二次回焊、回焊后放置于150°C环境下200(H)小时来看,其破裂强度(焊接强度)似乎没有特别明显的差异。
相对来说,ENIG一旦经过设计信赖度品质验证,日后在市场上的不良率应该比较低,但前提是不计「黑垫」这类PCB生产时的瑕疵。


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