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提出實驗數據佐證OSP表面處理的焊接強度比ENIG表面處理PCB來得強。但也證實OSP的焊錫強度會隨著時間老化而變差，所以，產品賣到市場上越久，其不良率應該會越高。

 

各位朋友在SMT及PCBA電路板組裝業界混久了，也許曾聽某位專家或前輩經驗分享告訴過你「OSP表面處理的電路板的焊接強度比ENIG表面處理來得強」，比較專業的術語應該說「銅基地電路板的焊點強度比鎳基地來得強」，不過似乎沒有幾個人可以拿出一個數據來告訴你「到底OSP焊接強度比ENIG強了多少？」

 

你知道什么是ENIG（Electroless Nickel Immersion Gold）表面處理電路板嗎？ ENIG表面處理是什么電路板？有何優缺點？

你知道什么是OSP（Organic Solderability Preservative）表面處理電路板嗎？什么是OSP(有機保焊膜)表面處理電路板？有何優缺點？

 

深圳宏力捷在網絡上找了許多的報告，最后發現這篇由「日本 Niho Superior 公司」發表的【Strength of Lead-free BGA Spheres in High Speed Loading】英文版本報告算是較淺顯易懂，本文基本上會用這份報告當材料來說明OSP與ENIG的焊接其承受應力的能力。

 

因為現今手持電子裝置(portable devices)大行其道，使用者拿取時不小心將其掉落地上時有發生，所以這份報告使用了不同的剪切(Shear)測試速度對BGA錫球焊接于OSP及ENIG兩種不同表面處理的可靠性計算其BGA錫球的斷裂能量(Fracture Energy)來做為焊接強度評判的標淮。

 

這份報告的測試樣品及其條件如下，對報告詳細內容有興趣的讀者可以在網絡上搜尋一下這份原文報告的名稱應該就可以找到了：

?　錫球直徑(BGA ball diameter): 0.5+/-0.01mm

?　板材(Laminate): FR4

?　板厚(Thickness): 1.6mm

?　采用防焊定義焊墊(Solder Mask Defined Pad): 0.42+/-0.02mm

?　防焊層厚度(Resist Thickness): 30-40um

?　電路板表面處理(Finish): OSP、ENIG(0.3um Ni/0.03um Au)

?　錫球合金(ball solder alloy): Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-0.7Cu-0.05Ni-0.006Ge、63Sn-37Pb

?　剪力測試速度(Shear at speeds)：10, 100, 1000, 2000 and 4000 mm/sec
 

這份報告基本上采用了推力(Shear-test)及拉力(Pull-test)兩種測試方法，但深圳宏力捷這里只取其推力的報告，有興趣的讀者可以在網絡上找一下這份原文的報告，而這里的推力實際為錫球側向的剪切力(Shear)，如上圖的測試方法。

 

 

需要提醒的，這份報告卻是以錫球的「破裂強度(Fracture Energy)」來計算其焊接強度的，因為當最大剪切力出現時錫球還不一定整顆完全掉落下來，有些可能只是裂開一部分，但推力的最大值已經求出，所以僅計算最大剪切力來代替焊錫強度會有點失真，應該要計算其整個剪切力與距離所形成的封閉區域面積（上圖）才比較能代表焊接強度。

 

從整份報告看來，針對OSP及ENIG表面處理的焊接強度結果可以歸納為下列幾點結論：

?　施加于錫球的剪切速度(shear speed)越快，不論錫球是焊接于OSP或ENIG的表面處理上，其斷裂能量(Fracture Energy)都會隨著剪切速度的增加而急速下降。這說明電子產品落下的速度對電路板上的電子零件焊錫強度來說都是個致命傷，而零件越重者，受到的傷害就會越大，因為F=ma。摔落的高度越高也就越不利。

 

?　以SAC305焊錫來說，OSP表面處理板子的焊錫對抗剪切力的破裂強度較ENIG表面處理的板子來的優秀，尤其是在100mm/sec剪切力速度時差異最為明顯，但是到了1,000mm/sec以上的剪切速度時，兩者的間的差距則越來越小。這個可以解釋手機做裸機高處摔落測試(drop test)時ENIG與OSP差異不大，但是做滾動測試(tumble test)時OSP明顯比ENIG來得優秀。

 

報告中還特別針對一次回焊(As reflow)、二次回焊(Double reflow)、回焊后放置于150°C環境下200(H)小時(Reflow + 200hr@150°C)做了實驗及比較，最主要目的在了解IMC(Intermetallic Compounds)在時間及溫度條件下對BGA錫球焊錫強度的影響性。

 

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何謂IMC (Intermetallic Compound)？IMC與PCB焊接強度有何關系？

 

 

?　以OSP表面處理與SAC305形成焊錫的剪切力測試的破裂強度來看，一次回焊及二次回焊對其焊錫強度影響似乎不大明顯，但是隨著高溫時間老化后，其焊錫強度則明顯下降。這個可以推論是因為OSP銅基地與錫球最初形成Cu6Sn5為良性IMC，但隨著時間老化后，「銅」會慢慢的滲透到界面層并與原來的IMC發生反應，漸漸轉變為Cu3Sn劣性IMC有關。 

Cu6Sn5 + 9Cu → 5Cu3Sn 

也就是說銅基地的焊錫強度會隨著時間老化而變差，產品賣到市場上越久，不良率就會越高。

 

?　以ENIG表面處理與SAC305形成焊錫的剪切力測試來看，不論是一次回焊、二次回焊、回焊后放置于150°C環境下200(H)小時來看，其破裂強度（焊接強度）似乎沒有特別明顯的差異。

相對來說，ENIG一旦經過設計信賴度品質驗證，日后在市場上的不良率應該比較低，但前提是不計「黑墊」這類PCB生產時的瑕疵。