高选择性有机可焊保护剂的研究

黎小芳 赵明宇 肖定军 李卫明 刘彬云（广东东硕科技有限公司，广东 广州 510288）

高选择性有机可焊保护剂的研究

黎小芳 赵明宇 肖定军 李卫明 刘彬云
（广东东硕科技有限公司，广东 广州 510288）

文章描述了水溶性有机可焊保护剂（OSP）的基本概况和行业发展趋势，并重点介绍

一种具有优异的铜/金选择性OSP体系的研究情况。该体系OSP药水稳定性好，管控方便。具有优异的金面选择性，卓越的可焊性。解决了目前业界OSP存在的金面易上膜、高温变色不均匀等问题。

有机可焊保护剂；选择性；稳定性

1 前言

近年来，电子产品和贴装技术对印制电路板（PCB）的完成表面处理技术要求越来越高，其中包括无铅化、无卤化以及高温可焊性等要求。传统的热风整平技术由于存在种种弊端，将逐渐被其它几种表面涂覆技术如化学沉镍金、化学沉银、化学沉锡、有机可焊保护剂（Organic Solderability Preservatives，简称OSP）所取代。其中OSP表面处理方式经过近几年的不断改进，工艺日趋成熟，并且价格低廉，已成为众多企业首选的PCB环保型完成表面涂覆方式之一。

水溶性OSP在业界亦有护铜剂﹑铜面抗氧化剂等称呼，它是通过化学的方法在裸铜上形成一层薄而均匀致密的有机保护膜，该保护膜在高温焊接时能够很容易地被焊料推开，从而保证了铜面的可焊性。OSP膜层的耐热性主要取决于所用的成膜剂，目前成膜剂已经历了苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑以及芳香基咪唑这五代的变化，现在市场大多使用的还是第四代烷基苯并咪唑的衍生物。关于OSP成膜机理，众说纷纭。有学者认为，咪唑化合物是与二价铜离子进行配合成键，形成膜层的；也有学者认为，咪唑化合物先与铜表面原子进行配位，之后一价铜离子与咪唑化合物进行络合，并进一步使膜层增长。

目前， OSP分用于铜板的OSP和用于铜金混载板的选择性OSP，即差异就在于是否在金面沉膜。市面上的OSP质量差异较大，有的虽说是具有选择性，但在铜面上膜的同时，存在金面容易上膜、高温变色不均匀、槽液易结晶以及工艺管控复杂等问题。这些问题已被业界广泛关注，大家都在致力于研究出性能更加优越的OSP技术。现介绍一种具有优异的铜/金选择性OSP体系的研究情况。

2 该OSP技术概况

2.1 工艺流程

OSP一般的工艺流程如下：

除油→水洗→微蚀→水洗→酸洗→水洗→OSP→水洗→强风吹干→热风烘干

而本OSP体系的工艺流程如下：

除油→水洗→微蚀→水洗→预浸水洗→OSP→水洗→强风吹干→热风烘干。

与原先的设备兼容性好，只需将酸洗段替换为预浸段即可。

2.2 工艺原理

在OSP制程中，经过微蚀处理后的铜面上存在不同价态的铜（Cu0、Cu+以及Cu2+），预浸液中的活性咪唑与铜面上的铜原子进行配位，形成一层单分子层，咪唑分子上的-NH脱氢后继续与一价铜配位成键，进而在铜面上形成一层极薄的碱性有机膜。当覆盖有碱性有机膜的铜面进入OSP主槽时，这层碱性有机膜在酸性条件被溶解，释放出一价铜离子，铜离子并不会迅速扩散，而是停留在铜面附近，直接与OSP溶液中的主成膜物质配合成键，进入新形成的OSP膜层中。当咪唑化合物-铜有机络合物膜层生长至一定程度后，由于溶液中没有多余的一价铜离子，其膜厚的增加主要依靠咪唑化合物分子之间的范德华力与氢键的作用，当达到咪唑分子的沉积与脱附的动态平衡时，膜厚便不再增加。

研究表明，影响OSP膜厚的关键因子是预浸缸pH值和OSP槽液pH值，图1和图2分别为OSP膜厚与预浸缸pH和OSP主槽液pH值的关系曲线。由图中可以看出，提高预浸缸pH和OSP主槽液pH值均可以增大膜厚。

图1 OSP膜厚与预浸pH的关系曲线（OSP pH为3.13）

图2 OSP膜厚与OSP 主槽pH的关系曲线（预浸 pH为9.3）

3 技术优势

3.1 优异的铜/金选择性

一般情况下，铜/金混载板在进行OSP处理后过回流焊高温处理，PCB板上的金面容易变色，即不该上膜的金面上了一层有机膜，在高温时发生氧化变色，出现品质问题。这是因为铜/金混载板直接在OSP主槽的酸性槽液下中容易产生贾凡尼效应，此时铜面扮演阳极的角色，而金面扮演阴极角色。当铜溶解在槽液中并与槽液中的咪唑化合物生成有机铜络合物皮膜的同时会抛出电子，电子经过线路富集在金面上，当槽液中存在Cu2+时，Cu2+因获得电子而被还原，并与咪唑化合物络合沉积在金面上，从而造成金面高温变色现象。因此，随着OSP主槽的铜离子浓度的升高，这种现象就越明显。

本OSP体系是专门为铜/金混载板所设计的，它能够极大程度地避免金面上膜。一方面是由于它采用弱碱性的预浸液取代原来制程中的酸洗，而弱碱性溶液本身不会发生贾凡尼效应，还可以起到清洁金面的作用。另一方面是由于OSP主槽液中并无添加铜离子，而经过预浸后带入到槽液中的铜离子更是少之又少，这样下来就可以使贾凡尼效应所造成的金面变色问题得到根本的解决。

表1为本体系OSP与其它型号OSP处理后的金面上膜情况对比。从表中可以看出，本体系OSP的选择性能超越了国际知名公司和国内品牌公司的水平，在金厚只有0.025 μm时仍不会上膜，具有极佳的选择性。

图3为使用该OSP体系药水处理后的手机板外观：

3.2 卓越的可焊性

OSP膜的作用是保护PCB板上的洁净铜面在一定条件下不被氧化，且在电子零件组装焊接前，可以用助焊剂将OSP膜迅速除去，使PCB上的铜面具有很好的可焊性，能与熔融焊锡形成牢固的焊点。目前，国内很多OSP产品处理后的OSP膜回流焊变色不均匀，与国外大公司相比，可焊性方面仍存在一定的差距。而经过本OSP体系处理后的铜面多次回流焊后膜面变色均匀一致（见表2），回流焊3次的润湿平衡测试T0时间（即零交时间：从试验开始时到润湿开始后试验样品所承受的作用力与浮力相等时所用的时间）小于1 s（图4），达到国际领先的水平。

注：膜厚0.35 μm；回流焊最高温度265 ℃以上。

表1 金面上膜情况对比

图3 OSP处理后的手机板外观

表2 回流焊后外观对比

图4 润湿平衡测试结果

3.3 其它优势

目前，市面上的OSP主槽药液绝大多都是两种或两种以上的药液组成，槽液管控及添加比较繁琐，操作稍不当，容易造成槽液失调。而本OSP体系则不同，主槽药水由单一药液组成，并具有以下其它特点：操作温度低（34 ℃ ～ 38 ℃），挥发少；工艺参数管控简单，只需管控成膜剂浓度、pH值以及OSP膜厚这几个参数；槽液缓冲性好；OSP膜厚易调节，调节预浸pH值或OSP的pH值就可以快速调整OSP膜厚。

本OSP体系还有一大优势，那就是它的稳定性比一般的OSP产品好，没有结晶析出。实验显示，将轮

动滚轮反复浸泡在本体系OSP槽液中，并放置在通风橱中1天，滚轮风干后无晶体析出，而普通的OSP产品则有晶体析出，见图5。

图5 滚轮上结晶情况对比

4 总结

随着电子产品向多功能、轻薄化的方向发展，印制电路板也向着高密度迈进，由日本领头而推出的有机可焊保护剂来取代热风整平的发展趋势越来越明显。OSP工艺具有成本低廉，操作简单，槽液维护方便，适应绿色环保生产方式，满足RoHS指令，符合无铅化时代的要求等优点，因而OSP技术得到广泛应用，受到PCB制造业的推崇。尽管现在的OSP工艺与其它金属完成表面处理相比还存在不足之处，但随着技术不断发展，其稳定性和可靠性不断得到提高，势必将继续在PCB最终表面处理的道路上越走越强。

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黎小芳，硕士生，毕业于中山大学，技术开发工程师，主要从事精细化学品和电子化学品的研发与品质管理。

Study of high selective organic solderability preservatives

LI Xiao-fang ZHAO Ming-yu XIAO Ding-jun LI Wei-ming LIU Bin-yun

This article describes the basic situation and market trends of water soluble Organic Solderability Preservatives (OSP), and emphatically introduces the research on a kind of OSP with excellent Cu/Au selectivity. This OSP is designed specially for the anti-oxidation pretreatment of mixed metal. It provides PCB excellent solderability. Furthermore, the OSP solution is quite stable, and there is no crystallization on rollers.

OSP; Selectivity; Stability

TN41

A

1009-0096（2015）07-0045-03