[转帖]在电路测试阶段使用无铅PCB表面处理工艺的研究和建议

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引言：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。

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