【摘要】文章描述了水溶性有機可焊保護劑（OSP）的基本概況和行業發展趨勢，并重點介紹一種具有優異的銅/金選擇性OSP體系的研究情況。該體系OSP藥水穩定性好，管控方便。具有優異的金面選擇性，卓越的可焊性。解決了目前業界OSP存在的金面易上膜、高溫變色不均勻等問題。

1  前言
近年來，電子產品和貼裝技術對印制電路板（PCB）的完成表面處理技術要求越來越高，其中包括無鉛化、無鹵化以及高溫可焊性等要求。傳統的熱風整平技術由于存在種種弊端，將逐漸被其它幾種表面涂覆技術如化學沉鎳金、化學沉銀、化學沉錫、有機可焊保護劑（Organic Solderability Preservatives，簡稱OSP）所取代。其中OSP表面處理方式經過近幾年的不斷改進，工藝日趨成熟，并且價格低廉，已成為眾多企業首選的PCB環保型完成表面涂覆方式之一。

水溶性OSP在業界亦有護銅劑﹑銅面抗氧化劑等稱呼，它是通過化學的方法在裸銅上形成一層薄而均勻致密的有機保護膜，該保護膜在高溫焊接時能夠很容易地被焊料推開，從而保證了銅面的可焊性。OSP膜層的耐熱性主要取決于所用的成膜劑，目前成膜劑已經歷了苯并三氮唑、烷基咪唑、苯并咪唑、烷基苯并咪唑以及芳香基咪唑這五代的變化，現在市場大多使用的還是第四代烷基苯并咪唑的衍生物。關于OSP成膜機理，眾說紛紜。有學者認為，咪唑化合物是與二價銅離子進行配合成鍵，形成膜層的；也有學者認為，咪唑化合物先與銅表面原子進行配位，之后一價銅離子與咪唑化合物進行絡合，并進一步使膜層增長。

目前， OSP分用于銅板的OSP和用于銅金混載板的選擇性OSP，即差異就在于是否在金面沉膜。市面上的OSP質量差異較大，有的雖說是具有選擇性，但在銅面上膜的同時，存在金面容易上膜、高溫變色不均勻、槽液易結晶以及工藝管控復雜等問題。這些問題已被業界廣泛關注，大家都在致力于研究出性能更加優越的OSP技術。現介紹一種具有優異的銅/金選擇性OSP體系的研究情況。

2  該OSP技術概況
2.1  工藝流程
OSP一般的工藝流程如下：
除油→水洗→微蝕→水洗→酸洗→水洗→OSP→水洗→強風吹干→熱風烘干

而本OSP體系的工藝流程如下：
除油→水洗→微蝕→水洗→預浸水洗→OSP→水洗→強風吹干→熱風烘干。

與原先的設備兼容性好，只需將酸洗段替換為預浸段即可。

2.2  工藝原理
在OSP制程中，經過微蝕處理后的銅面上存在不同價態的銅（Cu0、Cu+以及Cu2+），預浸液中的活性咪唑與銅面上的銅原子進行配位，形成一層單分子層，咪唑分子上的-NH脫氫后繼續與一價銅配位成鍵，進而在銅面上形成一層極薄的堿性有機膜。當覆蓋有堿性有機膜的銅面進入OSP主槽時，這層堿性有機膜在酸性條件被溶解，釋放出一價銅離子，銅離子并不會迅速擴散，而是停留在銅面附近，直接與OSP溶液中的主成膜物質配合成鍵，進入新形成的OSP膜層中。當咪唑化合物-銅有機絡合物膜層生長至一定程度后，由于溶液中沒有多余的一價銅離子，其膜厚的增加主要依靠咪唑化合物分子之間的范德華力與氫鍵的作用，當達到咪唑分子的沉積與脫附的動態平衡時，膜厚便不再增加。

研究表明，影響OSP膜厚的關鍵因子是預浸缸pH值和OSP槽液pH值，圖1和圖2分別為OSP膜厚與預浸缸pH和OSP主槽液pH值的關系曲線。由圖中可以看出，提高預浸缸pH和OSP主槽液pH值均可以增大膜厚。


圖1  OSP膜厚與預浸pH的關系曲線（OSP pH為3.13）


圖2  OSP膜厚與OSP 主槽pH的關系曲線（預浸 pH為9.3）

3  技術優勢
3.1  優異的銅/金選擇性
一般情況下，銅/金混載板在進行OSP處理后過回流焊高溫處理，PCB板上的金面容易變色，即不該上膜的金面上了一層有機膜，在高溫時發生氧化變色，出現品質問題。這是因為銅/金混載板直接在OSP主槽的酸性槽液下中容易產生賈凡尼效應，此時銅面扮演陽極的角色，而金面扮演陰極角色。當銅溶解在槽液中并與槽液中的咪唑化合物生成有機銅絡合物皮膜的同時會拋出電子，電子經過線路富集在金面上，當槽液中存在Cu2+時，Cu2+因獲得電子而被還原，并與咪唑化合物絡合沉積在金面上，從而造成金面高溫變色現象。因此，隨著OSP主槽的銅離子濃度的升高，這種現象就越明顯。

本OSP體系是專門為銅/金混載板所設計的，它能夠極大程度地避免金面上膜。一方面是由于它采用弱堿性的預浸液取代原來制程中的酸洗，而弱堿性溶液本身不會發生賈凡尼效應，還可以起到清潔金面的作用。另一方面是由于OSP主槽液中并無添加銅離子，而經過預浸后帶入到槽液中的銅離子更是少之又少，這樣下來就可以使賈凡尼效應所造成的金面變色問題得到根本的解決。

表1為本體系OSP與其它型號OSP處理后的金面上膜情況對比。從表中可以看出，本體系OSP的選擇性能超越了國際知名公司和國內品牌公司的水平，在金厚只有0.025 mm時仍不會上膜，具有極佳的選擇性。


圖3為使用該OSP體系藥水處理后的手機板外觀：

3.2  卓越的可焊性
OSP膜的作用是保護PCB板上的潔凈銅面在一定條件下不被氧化，且在電子零件組裝焊接前，可以用助焊劑將OSP膜迅速除去，使PCB上的銅面具有很好的可焊性，能與熔融焊錫形成牢固的焊點。目前，國內很多OSP產品處理后的OSP膜回流焊變色不均勻，與國外大公司相比，可焊性方面仍存在一定的差距。而經過本OSP體系處理后的銅面多次回流焊后膜面變色均勻一致（見表2），回流焊3次的潤濕平衡測試T0時間（即零交時間：從試驗開始時到潤濕開始后試驗樣品所承受的作用力與浮力相等時所用的時間）小于1 s，達到國際領先的水平。


注：膜厚0.35 mm；回流焊最高溫度265 ℃以上。

3.3  其它優勢
目前，市面上的OSP主槽藥液絕大多都是兩種或兩種以上的藥液組成，槽液管控及添加比較繁瑣，操作稍不當，容易造成槽液失調。而本OSP體系則不同，主槽藥水由單一藥液組成，并具有以下其它特點：操作溫度低（34 ℃ ~ 38 ℃），揮發少；工藝參數管控簡單，只需管控成膜劑濃度、pH值以及OSP膜厚這幾個參數；槽液緩沖性好；OSP膜厚易調節，調節預浸pH值或OSP的pH值就可以快速調整OSP膜厚。

本OSP體系還有一大優勢，那就是它的穩定性比一般的OSP產品好，沒有結晶析出。實驗顯示，將輪動滾輪反復浸泡在本體系OSP槽液中，并放置在通風櫥中1天，滾輪風干后無晶體析出，而普通的OSP產品則有晶體析出，見圖5。


圖5  滾輪上結晶情況對比

4  總結
隨著電子產品向多功能、輕薄化的方向發展，印制電路板也向著高密度邁進，由日本領頭而推出的有機可焊保護劑來取代熱風整平的發展趨勢越來越明顯。OSP工藝具有成本低廉，操作簡單，槽液維護方便，適應綠色環保生產方式，滿足RoHS指令，符合無鉛化時代的要求等優點，因而OSP技術得到廣泛應用，受到PCB制造業的推崇。盡管現在的OSP工藝與其它金屬完成表面處理相比還存在不足之處，但隨著技術不斷發展，其穩定性和可靠性不斷得到提高，勢必將繼續在PCB最終表面處理的道路上越走越強。

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