在電路測試階段使用無鉛PCB表面處理工藝的研究

引言：無鉛PCB的出現(xiàn)對(duì)在電路測試(ICT)提出了新的問題，本文描述了現(xiàn)有的PCB表面處理工藝，并分析了這些工藝對(duì)ICT的影響，指出影響ICT的關(guān)鍵是探針與測試點(diǎn)間的接觸可靠性，并介紹了為滿足ICT的要求在PCB構(gòu)建過程中需要做出的特定改變。

圖1：用戶采用了一套推薦的OSP規(guī)則集，但是依然發(fā)現(xiàn)對(duì)一次通過的良率有12%的影響。

一直以來，測試工程師主要關(guān)注的是確保他有一個(gè)有效的測試程序，該程序能在生產(chǎn)中很好地執(zhí)行。“在電路測試(ICT)”依然是一種檢測制造缺陷的非常有效的 方法。更先進(jìn)的ICT系統(tǒng)還能在測試時(shí)，通過提供對(duì)Flash存儲(chǔ)器、PLD、FPGA和EEPROM編程的方法，在測試功能配置中增加實(shí)際價(jià)值。安捷倫 3070系統(tǒng)在ICT方面是市場的領(lǐng)導(dǎo)者。

現(xiàn)在ICT依然在印刷電路板組裝(PCA)的制造和測試過程中發(fā)揮重要的作用，但是人們對(duì)無鉛PCB的追求將對(duì)ICT階段有怎樣的影響呢？

對(duì)無鉛焊接技術(shù)的推動(dòng)導(dǎo)致了對(duì)PCB表面處理技術(shù)的大量研究。這些研究主要基于在PCB構(gòu)建過程中的技術(shù)性能。不同的PCB表面處理技術(shù)對(duì)測試階段的影響大 部分被忽略掉，或者僅僅關(guān)注于接觸阻力。本報(bào)告將介紹在ICT中觀察到的影響的細(xì)節(jié)，以及對(duì)這些變化做出響應(yīng)和理解的需要。

本文的目的是分享PCB表面處理經(jīng)驗(yàn)，以及針對(duì)為實(shí)現(xiàn)ICT PCB生產(chǎn)工藝要求的改變對(duì)工程師進(jìn)行培訓(xùn)。本文將講述在無鉛PCB表面處理問題，特別是在的制造過程中的ICT階段，并揭示對(duì)無鉛表面處理的成功測試也依賴于PCB構(gòu)建工藝的有益貢獻(xiàn)。

成功的ICT測試總是與針床夾具的測試探針和PCB上測試焊盤的接觸點(diǎn)的物理特性上。當(dāng)很尖的探針接觸到一個(gè)已焊接的測試點(diǎn)時(shí)，焊料將凹陷，因?yàn)樘结樀慕佑| 壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊料的屈服強(qiáng)度。隨著焊料的凹陷，探針穿過測試焊盤表面的任何雜質(zhì)。下面未受污染的焊料現(xiàn)在接觸到探針，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測試點(diǎn)的良好接觸。探針插入 的深度是目標(biāo)材料的屈服強(qiáng)度成直接的函數(shù)關(guān)系。探針穿透的越深，接觸越好。

8盎司(oz)的探針可以施加26,000至160,000psi(磅/平方英寸)的接觸壓強(qiáng)，具體壓力大小取決于表面直徑。因?yàn)楹噶系那?qiáng)度大約為5,000psi，對(duì)于這種相對(duì)較軟的焊料，探針的接觸更好。

PCB表面處理工藝選擇

在我們了解前因后果之前，描述已有的PCB表面處理工藝的類型以及這些類型能提供什么非常重要。所有的印刷電路板(PCB)在板上都有銅層，如果銅層未受保護(hù)將氧化和損壞。有多種不同的保護(hù)層可以使用，最普遍的是熱風(fēng)焊料平整(HASL)、有機(jī)焊料防護(hù)(OSP)、無電鍍鎳金沉浸(ENIG)、銀沉浸以及錫沉浸。

熱風(fēng)焊料平整(HASL)

HASL是工業(yè)中用到的主要的有鉛表面處理工藝。工藝由將電路板沉浸到鉛錫合金中形成，過多的焊料被“風(fēng)刀”去除，所謂的風(fēng)刀就是在板子表面吹的熱風(fēng)。對(duì)于PCA 工藝，HASL具有很多的優(yōu)勢(shì)：它是最便宜的PCB，而且通過多次回流焊、清洗和存儲(chǔ)后表面層還可以焊接。對(duì)于ICT而言，HASL也提供了焊料自動(dòng)覆蓋 測試焊盤和過孔的工藝。然而，與現(xiàn)有的替代方法相比，HASL表面的平整性或者同面性很差?，F(xiàn)在出現(xiàn)了一些無鉛的HASL替代工藝，由于具有HASL的自 然而然的替代的特性而越來越普及。多年來HASL應(yīng)用的效果不錯(cuò)，但是隨著“環(huán)保”綠色工藝要求的出現(xiàn)，這種工藝存在的日子屈指可數(shù)。除了無鉛的問題，越 來越高的板子復(fù)雜性和更精細(xì)的間距已經(jīng)使HASL工藝暴露出很多的局限性。

優(yōu)勢(shì)：最低成本PCB表面工藝，在整個(gè)制造過程中保持可焊接性，對(duì)ICT無負(fù)面的影響。

劣勢(shì)：通常使用含鉛工藝，含鉛工藝現(xiàn)在受到限制，最終將在2007年前消除。對(duì)于精細(xì)引腳間距(<0.64mm)的情況，可能導(dǎo)致焊料的橋接和厚度問題。表面不平整會(huì)導(dǎo)致在組裝工藝中的同面性問題。

有機(jī)焊料防護(hù)劑

有機(jī)焊料防護(hù)劑(OSP)用來在PCB的銅表面上產(chǎn)生薄的、均勻一致的保護(hù)層。這種覆層在存儲(chǔ)和組裝操作中保護(hù)電路不被氧化。這種工藝已經(jīng)存在很久了，但是直到最近隨著尋求無鉛技術(shù)和精細(xì)間距解決方案才獲得普及。

就同面性和可焊接性而言，OSP相對(duì)于HASL在PCA組裝上具有更好的性能，但是要求對(duì)焊劑的類型和熱循環(huán)的次數(shù)進(jìn)行重大的工藝改變。因?yàn)槠渌嵝蕴卣鲿?huì)降低OSP性能，使銅容易氧化，因此需要仔細(xì)處理。裝配者更喜歡處理更具柔韌性和能承受更多熱循環(huán)周期的金屬表面。

采用OSP表面處理，如果測試點(diǎn)沒有被焊接處理，將導(dǎo)致在ICT出現(xiàn)針床夾具的接觸問題。僅僅改以采用更鋒利的探針類型來穿過OSP層將只會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞并戳穿 PCA測試過孔或者測試焊盤。研究表明改用更高的探測作用力或者改變探針類型對(duì)良率影響很小。未處理的銅具有比有鉛焊接高一個(gè)數(shù)量級(jí)的屈服強(qiáng)度，唯一的結(jié) 果是將損壞裸露的銅測試焊盤。所有的可測試性指導(dǎo)方針都強(qiáng)烈建議不直接對(duì)裸露的銅進(jìn)行探測。當(dāng)使用OSP時(shí)，需要對(duì)ICT階段定義一套OSP規(guī)則。最重要 的規(guī)則要求在PCB工藝的開始打開版膜(Stencil)，以允許焊膏能加到ICT需要接觸的那些測試焊盤和過孔上。

優(yōu)點(diǎn)：在單位成本上與HASL具有可比性、好的共面性、無鉛工藝、改善的可焊性。

缺點(diǎn)：組裝工藝需要進(jìn)行大的改變，如果探測未加工的銅表面會(huì)不利于ICT，過尖的ICT探針可能損壞PCB，需要手動(dòng)的防范處理，限制ICT測試和減少了測試的可重復(fù)性。

無電鍍鎳金沉浸

無電鍍鎳金沉浸(ENIG)這種敷層在很多的電路板上得到成功應(yīng)用，盡管它具有較高的單位成本，但它具有平整的表面和出色的可焊接性。主要的缺點(diǎn)是無電鍍鎳層很脆弱，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在機(jī)械壓力下破裂的情況。這在工業(yè)上稱為“黑塊”或者“泥裂”，這導(dǎo)致了ENIG的一些負(fù)面報(bào)道。

優(yōu)點(diǎn)：良好的可焊接性，平整的表面、長的儲(chǔ)存壽命、可以承受多次的回流焊。

缺點(diǎn)：高成本(大約為HASL的5倍)、“黑塊”問題、制造工藝使用了氰化物和其他一些有害的化學(xué)物質(zhì)。

銀沉浸

銀沉浸是對(duì)PCB表面處理的一種最新增加的方法。主要用在亞洲地區(qū)，在北美和歐洲正在獲得推廣。

在焊接過程中，銀層融化到焊接點(diǎn)中，在銅層上留下一種錫/鉛/銀合金，這種合金為BGA封裝提供了非常可靠的焊接點(diǎn)。其對(duì)比色使其很容易被檢查到，它也是HASL在焊接處理上的自然替代方案。

銀沉浸是一種具有非常好發(fā)展前景的表面加工工藝，但和所有新的表面工藝技術(shù)一樣，終端用戶對(duì)此非常保守。很多的制造商將這種工藝作為一種“正在考察”的工藝，但是它很可能成為最好的無鉛表面工藝選擇。

優(yōu)點(diǎn)：好的可焊接性、表面平整、HASL沉浸的自然替代。

缺點(diǎn)：終端用戶的保守態(tài)度意味著行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)的信息。

錫沉浸

這是一種較新的表面處理工藝，與銀沉浸工藝具有很多相似的特性。然而，由于要對(duì)PCB制造過程中錫沉浸工藝使用的硫脲(可能是一種致癌物)加以防范，所以有 重大的健康和安全問題需要考慮。此外，還要關(guān)注錫遷移(“錫毛刺”效應(yīng))，盡管抗遷移化學(xué)制劑在控制這種問題上能獲得一定的效果。

優(yōu)點(diǎn)：良好的可焊接性、表面平整、相對(duì)低的成本。

缺點(diǎn)：健康和安全問題、熱循環(huán)周期的次數(shù)有限。

PCB表面處理總結(jié)

表1：OSP實(shí)驗(yàn)的條件參數(shù)。

表2：結(jié)論是當(dāng)使用焊接測試點(diǎn)時(shí)，ICT性能大大提高?？紤]到夾具和工藝的一些問題，用戶相信一旦處理好這些問題，他們能獲得的一次通過良率在80~90%之間。

上面是PCB無鉛處理的主要方法。HASL仍將是最廣泛使用的PCB處理工藝，這種情況下對(duì)于測試工程師來說沒有任何變化。在某些國家，HASL已經(jīng)被法律 禁止，并采用了替代方案。隨著PCA制造擴(kuò)展到更多的不同的全球區(qū)域，在ICT測試中可以看到的無鉛處理工藝將越來越多。盡管OSP并不是HASL的自然 替代，但是它已經(jīng)成為PCA制造商研究的首選替代處理方案。當(dāng)沒有改變工藝以允許在測試焊盤和過孔上用焊膏時(shí)，這將導(dǎo)致實(shí)際的ICT測試可靠性問題

結(jié)論是，PCB表面處理的工藝沒有十全十美的，每種方法都有其需要考慮的問題。其中一些問題比其它問題更嚴(yán)重，所有這些無鉛PCB表面處理工藝都需要在工藝步驟中進(jìn)行修改，以防止在ICT出現(xiàn)夾具接觸可靠性問題。

在ICT階段HASL、OSP和銀沉浸的比較考慮

現(xiàn)在我想重點(diǎn)關(guān)注這些表面加工技術(shù)以及它們?nèi)绾斡绊慖CT的性能。表面處理在測試點(diǎn)上留下軟焊料“弧頂”和裸露的過孔，它們是理想的ICT測試對(duì)象。 HASL具有而OSP不具有的特性是吸收作用力，HASL是共晶SnPB，特別軟。這種軟目標(biāo)具有兩個(gè)好處：適應(yīng)探針和吸收能量。

對(duì)于OSP PCB來說就沒有這種軟目標(biāo)。相比而言，銅表面非常硬，不能吸收太多的能量，因此探針能“咬入”的直接接觸的面積減少。外層的銅鍍層一般在10到50微米 之間。把銅鍍層與OSP覆層結(jié)合起來，你會(huì)看到用來探測HASL板的探針將不能在OSP表面處理的板子上使用。

研究表明，在回流焊和ICT 之間較長的傳遞時(shí)間內(nèi)，OSP會(huì)在測試目標(biāo)上產(chǎn)生很硬的“殼”。傳遞到ICT的最佳時(shí)間應(yīng)小于24小時(shí)。有很多其他的工藝因素會(huì)對(duì)OSP對(duì)測試工程師帶來 困擾的程度大小造成影響，其中的一些因素是：OSP提供商類型、在回流爐中經(jīng)過的次數(shù)、是否去除了波峰工藝、氮回流還是空氣回流，以及在ICT時(shí)的模擬測 試類型。

對(duì)銅表面的直接探測加上需要穿透OSP層的更高的探針作用力，產(chǎn)生了破壞薄銅層的實(shí)際潛在威脅，并導(dǎo)致內(nèi)部短路。因此，我們的建議是永遠(yuǎn)別探測裸露的銅表面。

最近的事例顯示，在5到10次的夾具激勵(lì)之后，板子過孔或者測試點(diǎn)可能被戳穿。

對(duì)于某些PCA制造商來說，OSP對(duì)ICT的影響造成的問題如此之大，導(dǎo)致他們已經(jīng)完全不用OSP了。其他的制造商開始學(xué)習(xí)如何遵照下面列出的“OSP規(guī)則”。

用于ICT測試夾具和程序的“OSP規(guī)則”：

注意最新的行業(yè)可測試性建議，例如www.smta.org。—總是加焊膏到測試連接點(diǎn)(測試焊盤或者過孔)上，不對(duì)OSP覆蓋的裸露的銅層進(jìn)行探測。如果你不能改變版膜，要準(zhǔn)備：

* 對(duì)一次通過良率影響很大(FPY)

* 或許需要改變夾具探針以獲得更大的作用力，例如從2牛頓到3牛頓

* 可能需要改變夾具探針類型，改變?yōu)楦獾念愋?

* 可能需要一種“雙擊”夾具激勵(lì)方法，或者利用氣體力學(xué)、機(jī)械手*

* 模擬測試程序約束可能需要折衷、開放或者甚至忽略*

*研究表明這些帶星號(hào)的規(guī)則對(duì)良率可能具有相對(duì)較小的影響，確保可靠測試接觸的唯一方法是確保測試焊盤被焊接。

某些制造商看到了OSP產(chǎn)生的直接的成本節(jié)省，認(rèn)為是無鉛替代工藝的第一選擇。然而，某些公司在考慮到生產(chǎn)中斷和延時(shí)問題的相關(guān)實(shí)際成本時(shí)，最近態(tài)度出現(xiàn)完全轉(zhuǎn)變，正在重新審視它們的策略。

銀沉浸

銀沉浸是在銅層上0.4到0.8微米的金屬層，這個(gè)金屬層提供測試探針能咬入的“肉”。銀沉浸并沒有HASL或者OSP那樣應(yīng)用廣泛，但是初始的研究表明作 為一種制造工藝它是HASL一種自然的替代。已經(jīng)有一些ICT可靠性的初步研究，研究表明蝕刻時(shí)間(表面粗糙度/光潔度)和表面厚度是可重復(fù)性的重要考慮 因素。在ICT階段銀表面處理的夾具接觸可靠性還沒有問題報(bào)告，因此對(duì)測試夾具不需調(diào)整，但應(yīng)該需要對(duì)探針或者測試軟件做出調(diào)整。

蝕刻率(etch rate)對(duì)ICT測試很重要，因?yàn)樗鼪Q定銀表面處理會(huì)光亮還是灰暗。在銀沉積步驟中，銀沉積到銅表面的等高線上，因此如果表面的粗糙度增加，因而面積增加，表現(xiàn)為灰暗表面，而具有最低粗糙度的表面表現(xiàn)為光亮的表面。

業(yè)界對(duì)這種表面加工工藝的研究非常有限，但是在技術(shù)上和商業(yè)上看起來是最具希望的。最近的經(jīng)驗(yàn)表明這種表面處理對(duì)于ICT沒有任何問題。PCB制造商現(xiàn)在提供銀表面處理板，價(jià)格與HASL產(chǎn)品一樣。

用戶研究—從HASL到OSP的轉(zhuǎn)變

研究1—歐洲一個(gè)OEM制造場所

來自O(shè)SP試驗(yàn)的一組數(shù)據(jù)顯示如下。這個(gè)試驗(yàn)是由一個(gè)用戶發(fā)起的，他們發(fā)現(xiàn)在引入OSP PCB表面處理作為他們一條產(chǎn)品線的無鉛替代的試驗(yàn)時(shí)，對(duì)良率有很大的影響。這些是用戶獨(dú)立得到的結(jié)果，并沒有受到安捷倫的任何影響。使用的測試設(shè)備是市 場領(lǐng)先者安捷倫3070在電路測試器，在業(yè)界這個(gè)設(shè)備被廣泛用作最穩(wěn)定的測試平臺(tái)。

研究2—歐洲合同制造商

這個(gè)合同制造商的研究是受與研究1相似的經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的，在ICT中得到很差的良率性能。這個(gè)研究目的是發(fā)現(xiàn)根本原因，并對(duì)OEM提供反饋信息。

這個(gè)試驗(yàn)被分割成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)部分。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)部分是確定改變探針類型以及加到裸銅OSP測試點(diǎn)上的探針作用力的影響。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)部分關(guān)注于當(dāng)測試點(diǎn)被焊接時(shí)的性能。

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，在傳遞到ICT之前將部件存儲(chǔ)在氮中以防止氧化。采用了三種類型的探針，標(biāo)準(zhǔn)的7oz(2N)、7oz&10oz(3N)e類探針和螺旋狀探針。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)裸露的銅OSP鍍層進(jìn)行探測時(shí)，不同的探針類型對(duì)良率沒有改善。它平均采用5個(gè)夾具激勵(lì)來&ldquo;突破”OSP鍍層。一旦設(shè)備的插腳接觸測試通 過，測試程序余下的部分將正常地進(jìn)行，不要求對(duì)模擬測試約束改變。然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)若改變測試作用力和探針類型，對(duì)PCB測試點(diǎn)/過孔的損壞程度也會(huì)發(fā)生重大 改變。這個(gè)試驗(yàn)的結(jié)論是：沒有焊接的測試點(diǎn)在ICT中具有很大的問題。使用更大的作用力或者更鋒利的測試探針只會(huì)導(dǎo)致PCB損壞。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是對(duì)具有焊接的測試點(diǎn)的OSP板間的比較，這個(gè)實(shí)驗(yàn)中還包含了少量純粹的OSP樣品。共試驗(yàn)了86個(gè)板子，其中焊接了77個(gè)，9個(gè)沒有焊接。

在實(shí)驗(yàn)期間，合同制造商利用了他們的全球ICT設(shè)備專家來對(duì)測試夾具進(jìn)行檢測。這個(gè)試驗(yàn)出現(xiàn)了幾個(gè)問題，即夾具壓力和記錄受到影響，不能滿足用戶的規(guī)格要求。這凸顯了這樣的事實(shí)：即必須一直監(jiān)測未來的和現(xiàn)在的ICT測試夾具質(zhì)量，以確保滿足可接受的標(biāo)準(zhǔn)。

用戶必須面對(duì)的另外一個(gè)問題是電路板上焊膏的應(yīng)用。它們具有很小的測試對(duì)象，一英寸有3萬個(gè)，因?yàn)樾枰紤]放置散熱器，在某些區(qū)域的最大焊接高度限制大于0.11毫米。

本文小結(jié)

看起來某些公司的趨勢(shì)是OSP被認(rèn)為是HASL的自然替代。這種選擇很可能是源于認(rèn)識(shí)到單位成本的節(jié)省。ICT工程師應(yīng)該關(guān)注這種趨勢(shì)：OSP鍍層的PCB 將達(dá)不到像其他的可選擇的無鉛表面處理工藝的性能，除非測試焊盤被焊料覆蓋。如果沒有改變工藝流程，可能因?yàn)楦淖儕A具探針、夾具的維護(hù)、修改測試軟件和損 壞板子的廢料的成本，而抵消初始成本的可能節(jié)省。我們看到在OSP選擇上最近的很多相反的情況發(fā)生。對(duì)那些還沒有放棄有鉛HASL工藝的客戶的建議是，需 要考慮所有可行的無鉛PCB替代工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，確保所有的制造階段都在試驗(yàn)中包含到，包括測試！對(duì)于銀PCB表面處理工藝對(duì)ICT的影響，我們沒有任 何確定性的結(jié)果。我們與使用銀處理工藝的客戶討論過，他們?cè)谑褂眠@種表面處理工藝中沒有發(fā)現(xiàn)任何夾具接觸的問題。