提出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證OSP表面處理的焊接強(qiáng)度比ENIG表面處理PCB來(lái)得強(qiáng)。但也證實(shí)OSP的焊錫強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間老化而變差，所以，產(chǎn)品賣(mài)到市場(chǎng)上越久，其不良率應(yīng)該會(huì)越高。

 

各位朋友在SMT及PCBA電路板組裝業(yè)界混久了，也許曾聽(tīng)某位專家或前輩經(jīng)驗(yàn)分享告訴過(guò)你「OSP表面處理的電路板的焊接強(qiáng)度比ENIG表面處理來(lái)得強(qiáng)」，比較專業(yè)的術(shù)語(yǔ)應(yīng)該說(shuō)「銅基地電路板的焊點(diǎn)強(qiáng)度比鎳基地來(lái)得強(qiáng)」，不過(guò)似乎沒(méi)有幾個(gè)人可以拿出一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)告訴你「到底OSP焊接強(qiáng)度比ENIG強(qiáng)了多少？」

 

你知道什么是ENIG（Electroless Nickel Immersion Gold）表面處理電路板嗎？ ENIG表面處理是什么電路板？有何優(yōu)缺點(diǎn)？

你知道什么是OSP（Organic Solderability Preservative）表面處理電路板嗎？什么是OSP(有機(jī)保焊膜)表面處理電路板？有何優(yōu)缺點(diǎn)？

 

深圳宏力捷在網(wǎng)絡(luò)上找了許多的報(bào)告，最后發(fā)現(xiàn)這篇由「日本 Niho Superior 公司」發(fā)表的【Strength of Lead-free BGA Spheres in High Speed Loading】英文版本報(bào)告算是較淺顯易懂，本文基本上會(huì)用這份報(bào)告當(dāng)材料來(lái)說(shuō)明OSP與ENIG的焊接其承受應(yīng)力的能力。

 

因?yàn)楝F(xiàn)今手持電子裝置(portable devices)大行其道，使用者拿取時(shí)不小心將其掉落地上時(shí)有發(fā)生，所以這份報(bào)告使用了不同的剪切(Shear)測(cè)試速度對(duì)BGA錫球焊接于OSP及ENIG兩種不同表面處理的可靠性計(jì)算其BGA錫球的斷裂能量(Fracture Energy)來(lái)做為焊接強(qiáng)度評(píng)判的標(biāo)淮。

 

這份報(bào)告的測(cè)試樣品及其條件如下，對(duì)報(bào)告詳細(xì)內(nèi)容有興趣的讀者可以在網(wǎng)絡(luò)上搜尋一下這份原文報(bào)告的名稱應(yīng)該就可以找到了：

?　錫球直徑(BGA ball diameter): 0.5+/-0.01mm

?　板材(Laminate): FR4

?　板厚(Thickness): 1.6mm

?　采用防焊定義焊墊(Solder Mask Defined Pad): 0.42+/-0.02mm

?　防焊層厚度(Resist Thickness): 30-40um

?　電路板表面處理(Finish): OSP、ENIG(0.3um Ni/0.03um Au)

?　錫球合金(ball solder alloy): Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-0.7Cu-0.05Ni-0.006Ge、63Sn-37Pb

?　剪力測(cè)試速度(Shear at speeds)：10, 100, 1000, 2000 and 4000 mm/sec
 

這份報(bào)告基本上采用了推力(Shear-test)及拉力(Pull-test)兩種測(cè)試方法，但深圳宏力捷這里只取其推力的報(bào)告，有興趣的讀者可以在網(wǎng)絡(luò)上找一下這份原文的報(bào)告，而這里的推力實(shí)際為錫球側(cè)向的剪切力(Shear)，如上圖的測(cè)試方法。

 

 

需要提醒的，這份報(bào)告卻是以錫球的「破裂強(qiáng)度(Fracture Energy)」來(lái)計(jì)算其焊接強(qiáng)度的，因?yàn)楫?dāng)最大剪切力出現(xiàn)時(shí)錫球還不一定整顆完全掉落下來(lái)，有些可能只是裂開(kāi)一部分，但推力的最大值已經(jīng)求出，所以僅計(jì)算最大剪切力來(lái)代替焊錫強(qiáng)度會(huì)有點(diǎn)失真，應(yīng)該要計(jì)算其整個(gè)剪切力與距離所形成的封閉區(qū)域面積（上圖）才比較能代表焊接強(qiáng)度。

 

從整份報(bào)告看來(lái)，針對(duì)OSP及ENIG表面處理的焊接強(qiáng)度結(jié)果可以歸納為下列幾點(diǎn)結(jié)論：

?　施加于錫球的剪切速度(shear speed)越快，不論錫球是焊接于OSP或ENIG的表面處理上，其斷裂能量(Fracture Energy)都會(huì)隨著剪切速度的增加而急速下降。這說(shuō)明電子產(chǎn)品落下的速度對(duì)電路板上的電子零件焊錫強(qiáng)度來(lái)說(shuō)都是個(gè)致命傷，而零件越重者，受到的傷害就會(huì)越大，因?yàn)镕=ma。摔落的高度越高也就越不利。

 

?　以SAC305焊錫來(lái)說(shuō)，OSP表面處理板子的焊錫對(duì)抗剪切力的破裂強(qiáng)度較ENIG表面處理的板子來(lái)的優(yōu)秀，尤其是在100mm/sec剪切力速度時(shí)差異最為明顯，但是到了1,000mm/sec以上的剪切速度時(shí)，兩者的間的差距則越來(lái)越小。這個(gè)可以解釋手機(jī)做裸機(jī)高處摔落測(cè)試(drop test)時(shí)ENIG與OSP差異不大，但是做滾動(dòng)測(cè)試(tumble test)時(shí)OSP明顯比ENIG來(lái)得優(yōu)秀。

 

報(bào)告中還特別針對(duì)一次回焊(As reflow)、二次回焊(Double reflow)、回焊后放置于150°C環(huán)境下200(H)小時(shí)(Reflow + 200hr@150°C)做了實(shí)驗(yàn)及比較，最主要目的在了解IMC(Intermetallic Compounds)在時(shí)間及溫度條件下對(duì)BGA錫球焊錫強(qiáng)度的影響性。

 

建議相關(guān)閱讀： 

何謂IMC (Intermetallic Compound)？IMC與PCB焊接強(qiáng)度有何關(guān)系？

 

 

?　以OSP表面處理與SAC305形成焊錫的剪切力測(cè)試的破裂強(qiáng)度來(lái)看，一次回焊及二次回焊對(duì)其焊錫強(qiáng)度影響似乎不大明顯，但是隨著高溫時(shí)間老化后，其焊錫強(qiáng)度則明顯下降。這個(gè)可以推論是因?yàn)镺SP銅基地與錫球最初形成Cu6Sn5為良性IMC，但隨著時(shí)間老化后，「銅」會(huì)慢慢的滲透到界面層并與原來(lái)的IMC發(fā)生反應(yīng)，漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn劣性IMC有關(guān)。 

Cu6Sn5 + 9Cu → 5Cu3Sn 

也就是說(shuō)銅基地的焊錫強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間老化而變差，產(chǎn)品賣(mài)到市場(chǎng)上越久，不良率就會(huì)越高。

 

?　以ENIG表面處理與SAC305形成焊錫的剪切力測(cè)試來(lái)看，不論是一次回焊、二次回焊、回焊后放置于150°C環(huán)境下200(H)小時(shí)來(lái)看，其破裂強(qiáng)度（焊接強(qiáng)度）似乎沒(méi)有特別明顯的差異。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，ENIG一旦經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)信賴度品質(zhì)驗(yàn)證，日后在市場(chǎng)上的不良率應(yīng)該比較低，但前提是不計(jì)「黑墊」這類(lèi)PCB生產(chǎn)時(shí)的瑕疵。