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ICT的影響，指出影響ICT的關(guān)鍵是探針與測試點間的接觸可靠性，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，通過提供對Flash存儲器、PLD、FPGA和EEPROM編程的方法，在測試功能配置中增加實際價值。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，但是人們對無鉛PCB的追求將對ICT階段有怎樣的影響呢？

對無鉛焊接技術(shù)的推動導(dǎo)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(gòu)建過程中的技術(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中觀察到的影響的細(xì)節(jié)，以及對這些變化做出響應(yīng)和理解的需要。

本文的目的是分享PCB表面處理經(jīng)驗，以及針對為實現(xiàn)ICT PCB生產(chǎn)工藝要求的改變對工程師進(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的物理特性上。當(dāng)很尖的探針接觸到一個已焊接的測試點時，焊料將凹陷，因為探針的接觸 壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊料的屈服強度。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，以實現(xiàn)對測試點的良好接觸。探針插入 的深度是目標(biāo)材料的屈服強度成直接的函數(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，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)。對于PCA 工藝，HASL具有很多的優(yōu)勢：它是最便宜的PCB，而且通過多次回流焊、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，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：最低成本PCB表面工藝，在整個制造過程中保持可焊接性，對ICT無負(fù)面的影響。

劣勢：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。表面不平整會導(dǎo)致在組裝工藝中的同面性問題。

有機焊料防護劑

有機焊料防護劑(OSP)用來在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相對于HASL在PCA組裝上具有更好的性能，但是要求對焊劑的類型和熱循環(huán)的次數(shù)進(jìn)行重大的工藝改變。因為其酸性特征會降低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良率影響很小。未處理的銅具有比有鉛焊接高一個數(shù)量級的屈服強度，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)方針都強烈建議不直接對裸露的銅進(jìn)行探測。當(dāng)使用OSP時，需要對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：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：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不利于ICT，過尖的ICT探針可能損壞PCB，需要手動的防范處理，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。主要的缺點是無電鍍鎳層很脆弱，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在機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)面報道。

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

缺點：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)。