在電路測試階段使用無(wú)鉛PCB表面處理工藝的研究

引言：無(wú)鉛PCB的出現對在電路測試(ICT)提出了新的問(wèn)題，本文描述了現有的PCB表面處理工藝，并分析了這些工藝對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(mǎn)足ICT的要求在PCB構建過(guò)程中需要做出的特定改變。

圖1：用戶(hù)采用了一套推薦的OSP規則集，但是依然發(fā)現對一次通過(guò)的良率有12%的影響。

一直以來(lái)，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系統還能在測試時(shí)，通過(guò)提供對Flash存儲器、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系統在ICT方面是市場(chǎng)的領(lǐng)導者。

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

對無(wú)鉛焊接技術(shù)的推動(dòng)導致了對PCB表面處理技術(shù)的大量研究。這些研究主要基于在PCB構建過(guò)程中的技術(shù)性能。不同的PCB表面處理技術(shù)對測試階段的影響大 部分被忽略掉，或者僅僅關(guān)注于接觸阻力。本報告將介紹在ICT中觀(guān)察到的影響的細節，以及對這些變化做出響應和理解的需要。

本文的目的是分享PCB表面處理經(jīng)驗，以及針對為實(shí)現ICT PCB生產(chǎn)工藝要求的改變對工程師進(jìn)行培訓。本文將講述在無(wú)鉛PCB表面處理問(wèn)題，特別是在的制造過(guò)程中的ICT階段，并揭示對無(wú)鉛表面處理的成功測試也依賴(lài)于PCB構建工藝的有益貢獻。

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(pán)的接觸點(diǎn)的物理特性上。當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，因為探針的接觸 壓力遠遠高于焊料的屈服強度。隨著(zhù)焊料的凹陷，探針穿過(guò)測試焊盤(pán)表面的任何雜質(zhì)。下面未受污染的焊料現在接觸到探針，以實(shí)現對測試點(diǎn)的良好接觸。探針插入 的深度是目標材料的屈服強度成直接的函數關(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，具體壓力大小取決于表面直徑。因為焊料的屈服強度大約為5,000psi，對于這種相對較軟的焊料，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(lèi)型以及這些類(lèi)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，如果銅層未受保護將氧化和損壞。有多種不同的保護層可以使用，最普遍的是熱風(fēng)焊料平整(HASL)、有機焊料防護(OSP)、無(wú)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(guò)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)。對于PCA 工藝，HASL具有很多的優(yōu)勢：它是最便宜的PCB，而且通過(guò)多次回流焊、清洗和存儲后表面層還可以焊接。對于ICT而言，HASL也提供了焊料自動(dòng)覆蓋 測試焊盤(pán)和過(guò)孔的工藝。然而，與現有的替代方法相比，HASL表面的平整性或者同面性很差?，F在出現了一些無(wú)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(lái)越普及。多年來(lái)HASL應用的效果不錯，但是隨著(zhù)“環(huán)保”綠色工藝要求的出現，這種工藝存在的日子屈指可數。除了無(wú)鉛的問(wèn)題，越 來(lái)越高的板子復雜性和更精細的間距已經(jīng)使HASL工藝暴露出很多的局限性。

優(yōu)勢：最低成本PCB表面工藝，在整個(gè)制造過(guò)程中保持可焊接性，對ICT無(wú)負面的影響。

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

有機焊料防護劑

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

就同面性和可焊接性而言，OSP相對于HASL在PCA組裝上具有更好的性能，但是要求對焊劑的類(lèi)型和熱循環(huán)的次數進(jìn)行重大的工藝改變。因為其酸性特征會(huì )降低OSP性能，使銅容易氧化，因此需要仔細處理。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(méi)有被焊接處理，將導致在ICT出現針床夾具的接觸問(wèn)題。僅僅改以采用更鋒利的探針類(lèi)型來(lái)穿過(guò)OSP層將只會(huì )導致?lián)p壞并戳穿 PCA測試過(guò)孔或者測試焊盤(pán)。研究表明改用更高的探測作用力或者改變探針類(lèi)型對良率影響很小。未處理的銅具有比有鉛焊接高一個(gè)數量級的屈服強度，唯一的結 果是將損壞裸露的銅測試焊盤(pán)。所有的可測試性指導方針都強烈建議不直接對裸露的銅進(jìn)行探測。當使用OSP時(shí)，需要對ICT階段定義一套OSP規則。最重要 的規則要求在PCB工藝的開(kāi)始打開(kāi)版膜(Stencil)，以允許焊膏能加到ICT需要接觸的那些測試焊盤(pán)和過(guò)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(wú)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(guò)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性。

無(wú)電鍍鎳金沉浸

無(wú)電鍍鎳金沉浸(ENIG)這種敷層在很多的電路板上得到成功應用，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(wú)電鍍鎳層很脆弱，已經(jīng)發(fā)現在機械壓力下破裂的情況。這在工業(yè)上稱(chēng)為“黑塊”或者“泥裂”，這導致了ENIG的一些負面報道。

優(yōu)點(diǎn)：良好的可焊接性，平整的表面、長(cháng)的儲存壽命、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(wèn)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)。