PCB業界：水溶性有機はんだ付け保護剤（OSP）

本論文は,PCB産業における水溶性有機はんだ付け保護剤(OSP)の基本的状況と開発動向を記述し,銅/金選択的OSPシステムの研究に焦点を当てた。このシステムの OSP ソリューションは安定しており、制御が容易です。優れた金表面選択性と優れた溶接性を備えています。これは、金表面の容易なコーティングや高温での不均一な変色など、PCB 業界の OSP に存在する問題を解決します。

pcb board

1 はじめに

近年、鉛フリー、ハロゲンフリー、高温はんだ付け性など、プリント回路基板 (PCB) の仕上げ表面処理に対する電子製品および実装技術の要件はますます高くなっています。さまざまな欠点があるため、従来の熱風レベリング技術は、化学ニッケル金堆積、化学銀堆積、化学スズ堆積、および有機はんだ付け防腐剤 (OSP) などの他の表面コーティング技術に徐々に置き換えられます。その中でも、OSP 表面処理方法は、近年の継続的な改善により、ますます成熟した技術と低価格により、多くの企業が好む環境に優しい PCB 表面コーティング方法の 1 つになりました。

水溶性OSPは、業界では銅保護剤および銅表面酸化防止剤とも呼ばれています。化学的方法により、裸の銅に薄く均一で緻密な有機保護膜を形成します。保護フィルムは、高温溶接中にはんだによって容易に押しのけられるため、銅表面のはんだ付け性が確保されます。 OSPフィルム層の耐熱性は、主に使用するフィルム形成剤に依存します。現在、フィルム形成剤は、ベンゾトリアゾール、アルキルイミダゾール、ベンズイミダゾール、アルキルベンズイミダゾール、芳香族イミダゾールなど、5世代の変化を経験しています。現在、第4世代のアルキルベンゾイミダゾール誘導体が主に市場で使用されています。 OSPの成膜メカニズムについては諸説あります。一部の学者は、イミダゾール化合物が2価の銅イオンと結合してフィルムを形成すると信じています。一部の学者はまた、イミダゾール化合物が最初に銅表面原子と配位し、次に一価の銅イオンがイミダゾール化合物と錯体を形成し、さらにフィルムを増加させると信じています.

現在、OSPは銅板用OSPと銅金混合キャリア板用の選択的OSPに分かれています。つまり、膜が金表面に堆積するかどうかの違いです。市場に出回っている OSP の品質は大きく異なります。選択的なものもありますが、銅表面へのコーティングが容易である、高温で変色が不均一になる、浴液が結晶化しやすい、工程管理や制御が複雑であるなどの問題があります。これらの問題は業界で広く懸念されており、誰もがより優れたパフォーマンスの OSP テクノロジの開発に取り組んでいます。銅／金選択ＯＳＰシステムの研究を紹介した。

2 OSP技術の概要

2.1 処理の流れ

OSP の一般的なプロセスフローは次のとおりです。

脱脂→水洗→マイクロエッチング→水洗→酸洗→水洗→OSP→水洗→強風乾燥→熱風乾燥

この OSP システムのプロセスフローは次のとおりです。

脱脂→水洗→マイクロエッチング→水洗→プレ浸漬水洗→OSP→水洗→強風乾燥→熱風乾燥。

純正設備との相性も良く、酸洗部をプレリーチング部に交換するだけ。

2.2 プロセス原理

OSP プロセスでは、マイクロエッチング処理後の銅表面に異なる価数の銅 (Cu0、Cu+、および Cu2+) があります。前浸漬溶液中の活性イミダゾールは、銅表面の銅原子と協調して単分子層を形成します。イミダゾール分子の - NH の脱水素後、一価の銅と配位し続けて結合を形成し、銅表面に非常に薄いアルカリ性有機膜を形成します。アルカリ性有機皮膜で覆われた銅表面がOSPメインタンクに入ると、アルカリ性有機皮膜が酸性条件下で溶解し、一価の銅イオンが放出されます。銅イオンは急速に拡散するのではなく、銅表面近くにとどまり、OSP 溶液中の主要なフィルム形成材料と直接結合し、新しく形成された OSP フィルムに入ります。イミダゾール化合物銅有機錯体膜がある程度成長すると、溶液中に余分な一価銅イオンがなくなるため、膜厚の増加は主にイミダゾール化合物分子間のファンデルワールス力と水素結合に依存します。イミダゾール分子の析出と脱着の動的バランスがとれると、膜厚は増加しません。

PCB技術の3つの利点

3.1 優れた銅/金選択性

一般に、OSP処理後、銅/金混合キャリアプレートはリフローされ、高温処理を受けます。PCBの金表面は変色しやすいです。高温で酸化変色し、品質上問題となります。これは、銅/金混合キャリアプレートが、OSP メインタンクの酸浴の直下でジアバンニ効果を発生しやすいためです。このとき、銅の表面は陽極の役割を果たし、金の表面は陰極の役割を果たします。銅が浴液に溶解し、浴液中のイミダゾール化合物と有機銅錯体膜を形成すると、同時に電子が放出され、回路を通じて金表面に電子が濃縮されます。浴液中に Cu2+ が存在すると、Cu2+ が電子を得て還元され、イミダゾール化合物と錯体を形成して金表面に析出し、金表面が高温で変色します。したがって、OSP メインタンクの銅イオン濃度が高くなると、この現象はより顕著になります。

このOSPシステムは、銅/金混合キャリアプレート用に特別に設計されており、金表面のフィルムを大幅に回避できます。一方では、弱アルカリの前浸漬溶液を使用して、元のプロセスでの酸洗いを置き換えます。弱アルカリ溶液自体はジャバンニ効果を生成しませんが、金の表面を洗浄する役割も果たします。一方、OSP メインタンク溶液には銅イオンが添加されておらず、プレリーチング後にタンク溶液に持ち込まれる銅イオンはさらに少ないため、ジアバンニ効果によって引き起こされる金の変色の問題を根本的に解決できます。

3.2 優れた溶接性

OSP フィルムの機能は、PCB 上のきれいな銅表面を特定の条件下での酸化から保護することです。電子部品の組み立てと溶接の前に、OSPフィルムをフラックスですばやく除去できるため、PCBの銅表面ははんだ付け性が良好で、溶融はんだとの強固なはんだ接合を形成できます。現在、多くの国内 OSP 製品の処理後の OSP フィルムリフローの色の変化は不均一であり、海外の大手 PCB 企業と比較して、はんだ付け性にはまだ一定のギャップがあります。ただし、この OSP システムで処理された銅表面の変色は、複数回のリフローはんだ付け後でも均一です。

3.3 その他の利点

現在、PCB 市場に出回っている OSP メインタンク薬液の大半は、2 種類以上の薬液で構成されています。タンク液の管理と追加が面倒で、操作がやや不適切で、タンク液のバランスが崩れやすい。 OSPシステムが異なります。メインタンクの薬液は単一の薬液で構成されており、その他に次のような特徴があります。プロセスパラメータの制御は簡単です。フィルム形成剤の濃度、pH値、およびOSPフィルムの厚さのみを制御する必要があります。バス溶液の緩衝液は良好です。 OSP膜厚の調整が容易で、プレリーチングやOSPのpH値を調整することでOSP膜厚を素早く調整できます。

このOSPシステムには、もう1つの大きな利点があります。つまり、その安定性は通常のOSP製品よりも優れており、結晶化はありません。実験では、ホイール移動ローラーがこのシステムの OSP 浴溶液に繰り返し浸漬され、ドラフト内に 1 日置かれることが示されています。ローラー乾燥後、図のように結晶の析出はありませんが、通常のOSP品は結晶の析出があります。

4、まとめ

PCB 電子製品の多機能化、軽量化、薄型化に伴い、プリント基板も高密度化が進んでいます。熱風レベリングを日本が導入した有機はんだ付け可能な保護剤に置き換える開発動向はますます明白になっています。 OSP プロセスには、低コスト、簡単な操作、便利なタンク液のメンテナンス、グリーンで環境に優しい生産モードへの適応、RoHS 指令への適合、鉛フリー時代の要件への適合などの利点があります。したがって、OSP 技術は広く普及しています。 PCB製造業界で使用され、賞賛されています。現在の OSP プロセスには、他の金属の表面処理と比較してまだいくつかの欠点がありますが、その安定性と信頼性は、技術の継続的な開発により常に改善されており、PCB 最終表面処理の道でますます強力になり続けるはずです。