在電路測試階段使用無(wú)鉛PCB表面處理工藝的研究和建議

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?！霸?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/電路測試">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)?！本G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)。

銀沉浸

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

在焊接過(guò)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?？煽康暮附狱c(diǎn)。其對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(hù)對此非常保守。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(wú)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(hù)的保守態(tài)度意味著(zhù)行業(yè)內缺少相關(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PCB制造過(guò)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(wèn)題需要考慮。此外，還要關(guān)注錫遷移(“錫毛刺”效應)，盡管抗遷移化學(xué)制劑在控制這種問(wèn)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、相對低的成本。

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

PCB表面處理總結

表1：OSP實(shí)驗的條件參數。

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

上面是PCB無(wú)鉛處理的主要方法。HASL仍將是最廣泛使用的PCB處理工藝，這種情況下對于測試工程師來(lái)說(shuō)沒(méi)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(zhù)PCA制造擴展到更多的不同的全球區域，在ICT測試中可以看到的無(wú)鉛處理工藝將越來(lái)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。當沒(méi)有改變工藝以允許在測試焊盤(pán)和過(guò)孔上用焊膏時(shí)，這將導致實(shí)際的ICT測試可靠性問(wèn)題

結論是，PCB表面處理的工藝沒(méi)有十全十美的，每種方法都有其需要考慮的問(wèn)題。其中一些問(wèn)題比其它問(wèn)題更嚴重，所有這些無(wú)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出現夾具接觸可靠性問(wèn)題。

在ICT階段HASL、OSP和銀沉浸的比較考慮

現在我想重點(diǎn)關(guān)注這些表面加工技術(shù)以及它們如何影響ICT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(guò)孔，它們是理想的ICT測試對象。 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。這種軟目標具有兩個(gè)好處：適應探針和吸收能量。

對于 OSP PCB來(lái)說(shuō)就沒(méi)有這種軟目標。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覆層結合起來(lái)，你會(huì )看到用來(lái)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(cháng)的傳遞時(shí)間內，OSP會(huì )在測試目標上產(chǎn)生很硬的“殼”。傳遞到ICT的最佳時(shí)間應小于24小時(shí)。有很多其他的工藝因素會(huì )對OSP對測試工程師帶來(lái)困擾的程度大小造成影響，其中的一些因素是：OSP提供商類(lèi)型、在回流爐中經(jīng)過(guò)的次數、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(lèi)型。

對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，并導致內部短路。因此，我們的建議是永遠別探測裸露的銅表面。

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

對于某些PCA制造商來(lái)說(shuō)，OSP對ICT的影響造成的問(wèn)題如此之大，導致他們已經(jīng)完全不用OSP了。其他的制造商開(kāi)始學(xué)習如何遵照下面列出的“OSP規則”。

用于ICT測試夾具和程序的“OSP規則”：

注意最新的行業(yè)可測試性建議，例如www.smta.org?！偸羌雍父嗟綔y試連接點(diǎn)(測試焊盤(pán)或者過(guò)孔)上，不對OSP覆蓋的裸露的銅層進(jìn)行探測。如果你不能改變版膜，要準備：

* 對一次通過(guò)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(lèi)型，改變?yōu)楦獾念?lèi)型*

* 可能需要一種“雙擊”夾具激勵方法，或者利用氣體力學(xué)、機械手*

* 模擬測試程序約束可能需要折衷、開(kāi)放或者甚至忽略*

*研究表明這些帶星號的規則對良率可能具有相對較小的影響，確?？煽繙y試接觸的唯一方法是確保測試焊盤(pán)被焊接。

某些制造商看到了OSP產(chǎn)生的直接的成本節省，認為是無(wú)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(wèn)題的相關(guān)實(shí)際成本時(shí)，最近態(tài)度出現完全轉變，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(méi)有HASL或者OSP那樣應用廣泛，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(méi)有問(wèn)題報告，因此對測試夾具不需調整，但應該需要對探針或者測試軟件做出調整。

蝕刻率(etch rate)對ICT測試很重要，因為它決定銀表面處理會(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(xiàn)上，因此如果表面的粗糙度增加，因而面積增加，表現為灰暗表面，而具有最低粗糙度的表面表現為光亮的表面。

業(yè)界對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(lái)是最具希望的。最近的經(jīng)驗表明這種表面處理對于ICT沒(méi)有任何問(wèn)題。PCB制造商現在提供銀表面處理板，價(jià)格與HASL產(chǎn)品一樣。

用戶(hù)研究—從HASL到OSP的轉變

研究1—歐洲一個(gè)OEM制造場(chǎng)所

來(lái)自OSP試驗的一組數據顯示如下。這個(gè)試驗是由一個(gè)用戶(hù)發(fā)起的，他們發(fā)現在引入OSP PCB表面處理作為他們一條產(chǎn)品線(xiàn)的無(wú)鉛替代的試驗時(shí)，對良率有很大的影響。這些是用戶(hù)獨立得到的結果，并沒(méi)有受到安捷倫的任何影響。使用的測試設備是市場(chǎng)領(lǐng)先者安捷倫3070在電路測試器，在業(yè)界這個(gè)設備被廣泛用作最穩定的測試平臺。

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)驗驅動(dòng)的，在ICT中得到很差的良率性能。這個(gè)研究目的是發(fā)現根本原因，并對OEM提供反饋信息。

這個(gè)試驗被分割成兩個(gè)實(shí)驗部分。第一個(gè)實(shí)驗部分是確定改變探針類(lèi)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)驗部分關(guān)注于當測試點(diǎn)被焊接時(shí)的性能。

在第一個(gè)實(shí)驗期間，在傳遞到ICT之前將部件存儲在氮中以防止氧化。采用了三種類(lèi)型的探針，標準的7oz(2N)、7oz10oz(3N)e類(lèi)探針和螺旋狀探針。

實(shí)驗結果發(fā)現，當對裸露的銅OSP鍍層進(jìn)行探測時(shí)，不同的探針類(lèi)型對良率沒(méi)有改善。它平均采用5個(gè)夾具激勵來(lái)“突破”OSP鍍層。一旦設備的插腳接觸測試通過(guò)，測試程序余下的部分將正常地進(jìn)行，不要求對模擬測試約束改變。然而實(shí)驗發(fā)現若改變測試作用力和探針類(lèi)型，對PCB測試點(diǎn)/過(guò)孔的損壞程度也會(huì )發(fā)生重大改變。這個(gè)試驗的結論是：沒(méi)有焊接的測試點(diǎn)在ICT中具有很大的問(wèn)題。使用更大的作用力或者更鋒利的測試探針只會(huì )導致PCB損壞。

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

在實(shí)驗期間，合同制造商利用了他們的全球ICT設備專(zhuān)家來(lái)對測試夾具進(jìn)行檢測。這個(gè)試驗出現了幾個(gè)問(wèn)題，即夾具壓力和記錄受到影響，不能滿(mǎn)足用戶(hù)的規格要求。這凸顯了這樣的事實(shí)：即必須一直監測未來(lái)的和現在的ICT測試夾具質(zhì)量，以確保滿(mǎn)足可接受的標準。

用戶(hù)必須面對的另外一個(gè)問(wèn)題是電路板上焊膏的應用。它們具有很小的測試對象，一英寸有3萬(wàn)個(gè)，因為需要考慮放置散熱器，在某些區域的最大焊接高度限制大于0.11毫米。

本文小結

看起來(lái)某些公司的趨勢是OSP被認為是HASL的自然替代。這種選擇很可能是源于認識到單位成本的節省。ICT工程師應該關(guān)注這種趨勢：OSP鍍層的PCB 將達不到像其他的可選擇的無(wú)鉛表面處理工藝的性能，除非測試焊盤(pán)被焊料覆蓋。如果沒(méi)有改變工藝流程，可能因為改變夾具探針、夾具的維護、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省。我們看到在OSP選擇上最近的很多相反的情況發(fā)生。對那些還沒(méi)有放棄有鉛HASL工藝的客戶(hù)的建議是，需要考慮所有可行的無(wú)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中包含到，包括測試！對于銀PCB表面處理工藝對ICT的影響，我們沒(méi)有任何確定性的結果。我們與使用銀處理工藝的客戶(hù)討論過(guò)，他們在使用這種表面處理工藝中沒(méi)有發(fā)現任何夾具接觸的問(wèn)題。