在电路测试阶段使用无铅PCB表面处理工艺的研究 表面处理, 可靠性, 影响, 用户

Bazinga

无铅PCB的出现对在电路测试(ICT)提出了新的问题，本文描述了现有的PCB表面处理工艺，并分析了这些工艺对ICT的影响，指出影响ICT的关键是探针与测试点间的接触可靠性，并介绍了为满足ICT的要求在PCB构建过程中需要做出的特定改变。


图1：用户采用了一套推荐的OSP规则集，但是依然发现对一次通过的良率有12%的影响。
一直以来，测试工程师主要关注的是确保他有一个有效的测试程序，该程序能在生产中很好地执行。“在电路测试(ICT)”依然是一种检测制造缺陷的非常有效的 方法。更先进的ICT系统还能在测试时，通过提供对Flash存储器、PLD、FPGA和EEPROM编程的方法，在测试功能配置中增加实际价值。安捷伦 3070系统在ICT方面是市场的领导者。
现在ICT依然在印刷电路板组装(PCA)的制造和测试过程中发挥重要的作用，但是人们对无铅PCB的追求将对ICT阶段有怎样的影响呢？
对无铅焊接技术的推动导致了对PCB表面处理技术的大量研究。这些研究主要基于在PCB构建过程中的技术性能。不同的PCB表面处理技术对测试阶段的影响大 部分被忽略掉，或者仅仅关注于接触阻力。本报告将介绍在ICT中观察到的影响的细节，以及对这些变化做出响应和理解的需要。
本文的目的是分享PCB表面处理经验，以及针对为实现ICT PCB生产工艺要求的改变对工程师进行培训。本文将讲述在无铅PCB表面处理问题，特别是在的制造过程中的ICT阶段，并揭示对无铅表面处理的成功测试也依赖于PCB构建工艺的有益贡献。
成功的ICT测试总是与针床夹具的测试探针和PCB上测试焊盘的接触点的物理特性上。当很尖的探针接触到一个已焊接的测试点时，焊料将凹陷，因为探针的接触 压力远远高于焊料的屈服强度。随着焊料的凹陷，探针穿过测试焊盘表面的任何杂质。下面未受污染的焊料现在接触到探针，以实现对测试点的良好接触。探针插入 的深度是目标材料的屈服强度成直接的函数关系。探针穿透的越深，接触越好。
8盎司(oz)的探针可以施加26,000至160,000psi(磅/平方英寸)的接触压强，具体压力大小取决于表面直径。因为焊料的屈服强度大约为5,000psi，对于这种相对较软的焊料，探针的接触更好。
PCB表面处理工艺选择
在我们了解前因后果之前，描述已有的PCB表面处理工艺的类型以及这些类型能提供什么非常重要。所有的印刷电路板(PCB)在板上都有铜层，如果铜层未受保护将氧化和损坏。有多种不同的保护层可以使用，最普遍的是热风焊料平整(HASL)、有机焊料防护(OSP)、无电镀镍金沉浸(ENIG)、银沉浸以及锡沉浸。
热风焊料平整(HASL)
HASL是工业中用到的主要的有铅表面处理工艺。工艺由将电路板沉浸到铅锡合金中形成，过多的焊料被“风刀”去除，所谓的风刀就是在板子表面吹的热风。对于PCA 工艺，HASL具有很多的优势：它是最便宜的PCB，而且通过多次回流焊、清洗和存储后表面层还可以焊接。对于ICT而言，HASL也提供了焊料自动覆盖 测试焊盘和过孔的工艺。然而，与现有的替代方法相比，HASL表面的平整性或者同面性很差。现在出现了一些无铅的HASL替代工艺，由于具有HASL的自 然而然的替代的特性而越来越普及。多年来HASL应用的效果不错，但是随着“环保”绿色工艺要求的出现，这种工艺存在的日子屈指可数。除了无铅的问题，越 来越高的板子复杂性和更精细的间距已经使HASL工艺暴露出很多的局限性。
优势：最低成本PCB表面工艺，在整个制造过程中保持可焊接性，对ICT无负面的影响。
劣势：通常使用含铅工艺，含铅工艺现在受到限制，最终将在2007年前消除。对于精细引脚间距(<0.64mm)的情况，可能导致焊料的桥接和厚度问题。表面不平整会导致在组装工艺中的同面性问题。
有机焊料防护剂
有机焊料防护剂(OSP)用来在PCB的铜表面上产生薄的、均匀一致的保护层。这种覆层在存储和组装操作中保护电路不被氧化。这种工艺已经存在很久了，但是直到最近随着寻求无铅技术和精细间距解决方案才获得普及。
就同面性和可焊接性而言，OSP相对于HASL在PCA组装上具有更好的性能，但是要求对焊剂的类型和热循环的次数进行重大的工艺改变。因为其酸性特征会降低OSP性能，使铜容易氧化，因此需要仔细处理。装配者更喜欢处理更具柔韧性和能承受更多热循环周期的金属表面。
采用OSP表面处理，如果测试点没有被焊接处理，将导致在ICT出现针床夹具的接触问题。仅仅改以采用更锋利的探针类型来穿过OSP层将只会导致损坏并戳穿 PCA测试过孔或者测试焊盘。研究表明改用更高的探测作用力或者改变探针类型对良率影响很小。未处理的铜具有比有铅焊接高一个数量级的屈服强度，唯一的结 果是将损坏裸露的铜测试焊盘。所有的可测试性指导方针都强烈建议不直接对裸露的铜进行探测。当使用OSP时，需要对ICT阶段定义一套OSP规则。最重要 的规则要求在PCB工艺的开始打开版膜(Stencil)，以允许焊膏能加到ICT需要接触的那些测试焊盘和过孔上。
优点：在单位成本上与HASL具有可比性、好的共面性、无铅工艺、改善的可焊性。
缺点：组装工艺需要进行大的改变，如果探测未加工的铜表面会不利于ICT，过尖的ICT探针可能损坏PCB，需要手动的防范处理，限制ICT测试和减少了测试的可重复性。
无电镀镍金沉浸
无电镀镍金沉浸(ENIG)这种敷层在很多的电路板上得到成功应用，尽管它具有较高的单位成本，但它具有平整的表面和出色的可焊接性。主要的缺点是无电镀镍层很脆弱，已经发现在机械压力下破裂的情况。这在工业上称为“黑块”或者“泥裂”，这导致了ENIG的一些负面报道。
优点：良好的可焊接性，平整的表面、长的储存寿命、可以承受多次的回流焊。
缺点：高成本(大约为HASL的5倍)、“黑块”问题、制造工艺使用了氰化物和其他一些有害的化学物质。
银沉浸
银沉浸是对PCB表面处理的一种最新增加的方法。主要用在亚洲地区，在北美和欧洲正在获得推广。
在焊接过程中，银层融化到焊接点中，在铜层上留下一种锡/铅/银合金，这种合金为BGA封装提供了非常可靠的焊接点。其对比色使其很容易被检查到，它也是HASL在焊接处理上的自然替代方案。
银沉浸是一种具有非常好发展前景的表面加工工艺，但和所有新的表面工艺技术一样，终端用户对此非常保守。很多的制造商将这种工艺作为一种“正在考察”的工艺，但是它很可能成为最好的无铅表面工艺选择。
优点：好的可焊接性、表面平整、HASL沉浸的自然替代。
缺点：终端用户的保守态度意味着行业内缺少相关的信息。
锡沉浸
这是一种较新的表面处理工艺，与银沉浸工艺具有很多相似的特性。然而，由于要对PCB制造过程中锡沉浸工艺使用的硫脲(可能是一种致癌物)加以防范，所以有 重大的健康和安全问题需要考虑。此外，还要关注锡迁移(“锡毛刺”效应)，尽管抗迁移化学制剂在控制这种问题上能获得一定的效果。
优点：良好的可焊接性、表面平整、相对低的成本。
缺点：健康和安全问题、热循环周期的次数有限。
PCB表面处理总结


表1：OSP实验的条件参数。


表2：结论是当使用焊接测试点时，ICT性能大大提高。考虑到夹具和工艺的一些问题，用户相信一旦处理好这些问题，他们能获得的一次通过良率在80~90%之间。
上面是PCB无铅处理的主要方法。HASL仍将是最广泛使用的PCB处理工艺，这种情况下对于测试工程师来说没有任何变化。在某些国家，HASL已经被法律 禁止，并采用了替代方案。随着PCA制造扩展到更多的不同的全球区域，在ICT测试中可以看到的无铅处理工艺将越来越多。尽管OSP并不是HASL的自然 替代，但是它已经成为PCA制造商研究的首选替代处理方案。当没有改变工艺以允许在测试焊盘和过孔上用焊膏时，这将导致实际的ICT测试可靠性问题
结论是，PCB表面处理的工艺没有十全十美的，每种方法都有其需要考虑的问题。其中一些问题比其它问题更严重，所有这些无铅PCB表面处理工艺都需要在工艺步骤中进行修改，以防止在ICT出现夹具接触可靠性问题。
在ICT阶段HASL、OSP和银沉浸的比较考虑
现在我想重点关注这些表面加工技术以及它们如何影响ICT的性能。表面处理在测试点上留下软焊料“弧顶”和裸露的过孔，它们是理想的ICT测试对象。 HASL具有而OSP不具有的特性是吸收作用力，HASL是共晶SnPB，特别软。这种软目标具有两个好处：适应探针和吸收能量。
对于OSP PCB来说就没有这种软目标。相比而言，铜表面非常硬，不能吸收太多的能量，因此探针能“咬入”的直接接触的面积减少。外层的铜镀层一般在10到50微米 之间。把铜镀层与OSP覆层结合起来，你会看到用来探测HASL板的探针将不能在OSP表面处理的板子上使用。
研究表明，在回流焊和ICT 之间较长的传递时间内，OSP会在测试目标上产生很硬的“壳”。传递到ICT的最佳时间应小于24小时。有很多其他的工艺因素会对OSP对测试工程师带来 困扰的程度大小造成影响，其中的一些因素是：OSP提供商类型、在回流炉中经过的次数、是否去除了波峰工艺、氮回流还是空气回流，以及在ICT时的模拟测 试类型。
对铜表面的直接探测加上需要穿透OSP层的更高的探针作用力，产生了破坏薄铜层的实际潜在威胁，并导致内部短路。因此，我们的建议是永远别探测裸露的铜表面。
最近的事例显示，在5到10次的夹具激励之后，板子过孔或者测试点可能被戳穿。
对于某些PCA制造商来说，OSP对ICT的影响造成的问题如此之大，导致他们已经完全不用OSP了。其他的制造商开始学习如何遵照下面列出的“OSP规则”。
用于ICT测试夹具和程序的“OSP规则”：
注意最新的行业可测试性建议，例如www.smta.org。—总是加焊膏到测试连接点(测试焊盘或者过孔)上，不对OSP覆盖的裸露的铜层进行探测。如果你不能改变版膜，要准备：
* 对一次通过良率影响很大(FPY)
* 或许需要改变夹具探针以获得更大的作用力，例如从2牛顿到3牛顿
* 可能需要改变夹具探针类型，改变为更尖的类型*
* 可能需要一种“双击”夹具激励方法，或者利用气体力学、机械手*
* 模拟测试程序约束可能需要折衷、开放或者甚至忽略*
*研究表明这些带星号的规则对良率可能具有相对较小的影响，确保可靠测试接触的唯一方法是确保测试焊盘被焊接。
某些制造商看到了OSP产生的直接的成本节省，认为是无铅替代工艺的第一选择。然而，某些公司在考虑到生产中断和延时问题的相关实际成本时，最近态度出现完全转变，正在重新审视它们的策略。
银沉浸
银沉浸是在铜层上0.4到0.8微米的金属层，这个金属层提供测试探针能咬入的“肉”。银沉浸并没有HASL或者OSP那样应用广泛，但是初始的研究表明作 为一种制造工艺它是HASL一种自然的替代。已经有一些ICT可靠性的初步研究，研究表明蚀刻时间(表面粗糙度/光洁度)和表面厚度是可重复性的重要考虑 因素。在ICT阶段银表面处理的夹具接触可靠性还没有问题报告，因此对测试夹具不需调整，但应该需要对探针或者测试软件做出调整。
蚀刻率(etch rate)对ICT测试很重要，因为它决定银表面处理会光亮还是灰暗。在银沉积步骤中，银沉积到铜表面的等高线上，因此如果表面的粗糙度增加，因而面积增加，表现为灰暗表面，而具有最低粗糙度的表面表现为光亮的表面。

业界对这种表面加工工艺的研究非常有限，但是在技术上和商业上看起来是最具希望的。最近的经验表明这种表面处理对于ICT没有任何问题。PCB制造商现在提供银表面处理板，价格与HASL产品一样。
用户研究—从HASL到OSP的转变
研究1—欧洲一个OEM制造场所
来自OSP试验的一组数据显示如下。这个试验是由一个用户发起的，他们发现在引入OSP PCB表面处理作为他们一条产品线的无铅替代的试验时，对良率有很大的影响。这些是用户独立得到的结果，并没有受到安捷伦的任何影响。使用的测试设备是市 场领先者安捷伦3070在电路测试器，在业界这个设备被广泛用作最稳定的测试平台。
研究2—欧洲合同制造商
这个合同制造商的研究是受与研究1相似的经验驱动的，在ICT中得到很差的良率性能。这个研究目的是发现根本原因，并对OEM提供反馈信息。
这个试验被分割成两个实验部分。第一个实验部分是确定改变探针类型以及加到裸铜OSP测试点上的探针作用力的影响。第二个实验部分关注于当测试点被焊接时的性能。
在第一个实验期间，在传递到ICT之前将部件存储在氮中以防止氧化。采用了三种类型的探针，标准的7oz(2N)、7oz&10oz(3N)e类探针和螺旋状探针。
实验结果发现，当对裸露的铜OSP镀层进行探测时，不同的探针类型对良率没有改善。它平均采用5个夹具激励来“突破”OSP镀层。一旦设备的插脚接触测试通 过，测试程序余下的部分将正常地进行，不要求对模拟测试约束改变。然而实验发现若改变测试作用力和探针类型，对PCB测试点/过孔的损坏程度也会发生重大 改变。这个试验的结论是：没有焊接的测试点在ICT中具有很大的问题。使用更大的作用力或者更锋利的测试探针只会导致PCB损坏。
第二个实验是对具有焊接的测试点的OSP板间的比较，这个实验中还包含了少量纯粹的OSP样品。共试验了86个板子，其中焊接了77个，9个没有焊接。
在实验期间，合同制造商利用了他们的全球ICT设备专家来对测试夹具进行检测。这个试验出现了几个问题，即夹具压力和记录受到影响，不能满足用户的规格要求。这凸显了这样的事实：即必须一直监测未来的和现在的ICT测试夹具质量，以确保满足可接受的标准。
用户必须面对的另外一个问题是电路板上焊膏的应用。它们具有很小的测试对象，一英寸有3万个，因为需要考虑放置散热器，在某些区域的最大焊接高度限制大于0.11毫米。
本文小结
看起来某些公司的趋势是OSP被认为是HASL的自然替代。这种选择很可能是源于认识到单位成本的节省。ICT工程师应该关注这种趋势：OSP镀层的PCB 将达不到像其他的可选择的无铅表面处理工艺的性能，除非测试焊盘被焊料覆盖。如果没有改变工艺流程，可能因为改变夹具探针、夹具的维护、修改测试软件和损 坏板子的废料的成本，而抵消初始成本的可能节省。我们看到在OSP选择上最近的很多相反的情况发生。对那些还没有放弃有铅HASL工艺的客户的建议是，需 要考虑所有可行的无铅PCB替代工艺的优点和缺点，确保所有的制造阶段都在试验中包含到，包括测试！对于银PCB表面处理工艺对ICT的影响，我们没有任 何确定性的结果。我们与使用银处理工艺的客户讨论过，他们在使用这种表面处理工艺中没有发现任何夹具接触的问题。