CN101508051A - 有机保焊剂预浸处理剂及有机保焊膜成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明系关于印刷电路板保焊技术领域，具体涉及有机保焊剂预浸处理剂和有机保焊膜成形方法，所采用的有机保焊剂预浸处理剂包含按重量比计的0.05％－6.0％纳米级促进剂、0.01％－2.0％喹喔啉化合物、0.05％－2.0％无机碱、0.001％－15.0％氨或胺类缓冲剂、0.001％－0.5％金属盐类、0.01％－5.0％卤化物。本发明在铜面首先形成纳米材料活性层，在相同的反应时间内可增加有机保焊膜厚的厚度20％以上，降低了槽液的金属污染速度，可使其使用寿命延长一倍，能防止贾凡尼效应，可确保较佳之印刷电路板外观，能降低焊锡后的金属间化合物(IMC)的厚度，保证了焊接头的剪切强度和焊点可靠性。

Description

有机保焊剂预浸处理剂及有机保焊膜成形方法

技术领域

本发明系关于印刷电路板保焊技术领域，具体涉及有机保焊剂预浸处理剂及有机保焊膜成形方法。

背景技术

现在印刷线路板越来越轻薄短小，线路越来越密，且下游之零件组装常要分3次以上之组装，而每次组装就要经过一次高温回熔，而有些有机保焊膜并无法耐3次以上之高温回熔，且印刷线路板长期以来一直受金手指、化学镍金焊垫及载板电镀金之金面经过有机保焊剂(OSP)处理后金面变色问题困扰，且经焊锡产生之金属间化合物(IMC)层有脆性，太厚的金属间化合物(IMC)层会使焊接头的剪切强度下降，导致焊点可靠性失效。

为解决上述缺陷，通常采用在铜或铜合金之表面形成有机保焊膜的技术，早期主要是利用苯三唑(benzotriazole)来形成薄膜，但近来各种表面黏着技术(SMT)应用在印刷电路板的逐渐成熟，且通常都要在高温下进行，随着组装温度的提升，遂逐步改采用咪唑化合物(benzimidazole)，例如使用2-位长链烷基之咪唑化合物，其表面处理方法详见日本专利特开昭46-17046号公报，特公昭48-11454号公报、特公昭48-25621号公报、特公昭49-1983号公报、特公昭58-22545号公报、特公昭61-41988号公报、特公昭61-90492号公报及美国专利第5560785(1996)号。

但因2-位上有长链烷基之咪唑化合物形成之有机保焊膜耐热性很差，因此用此类咪唑化合物处理之印刷电路板，历经高温处理后之可焊性变的很差，而上述所发表的咪唑化合物，溶点都不超过250℃，因此其有机皮膜并不利于无铅高温多次装配制程。

且以此2-位上有长链烷基之咪唑化合物形成之有机保焊膜制程，会在印刷线路板金手指，化学镍金焊垫及载板电镀金之金面长出一层暗棕色的有机保焊膜，造成金面变色，导致外观问题，其形成有机膜厚度速度较慢，且其经焊接后之金属间化合物(IMC)厚度较厚，因此经此处理剂处理过的印刷线路板的可焊性不佳，难确保经3次高温回熔的焊锡性。

美国专利第6524644(1999)号，Enthone公司提出以苯并咪唑benzimidazole在pH8～9条件下操作之有机保焊剂预浸剂类似专利，使用异丙醇当助溶剂，溶解苯并咪唑，使用三异丙醇胺当腐蚀抑制剂，及使用胺盐如乙酸胺当缓冲剂，操作pH＝8～9。该技术中槽液使用寿命有限，不耐高温封装制程，且需使用有机溶剂如醇类当助溶剂，在pH较低条件下易造成贾凡尼效应(Galvanic effect)，不易确保较佳之印刷电路板外观。

发明内容

本发明为弥补现有技术的不足，提出了一种有机保焊剂预浸处理剂，用以处理印刷电路板金面的有机保焊膜。

其具体技术方案如下：

有机保焊剂预浸处理剂，为混悬液，其组成物包含

0.05％-6.0％重量比之纳米级促进剂；

0.01％-2.0％重量比之喹喔啉化合物；

0.05％-2.0％重量比之无机碱；

0.001％-15.0％重量比之氨或胺类缓冲剂；

0.001％-0.5％重量比之金属盐类；

0.01％-5.0％重量比之卤化物。

其中，纳米级促进剂为0～80nm的固体微粒，主要系用来增加有机保焊膜的厚度，防止金面受污染及降低金属间化合物(IMC)之厚度，其含量以介于0.1％-2.0％重量比之间最佳。可采用纳米级二氧化硅(SiO₂)、纳米级氧化锌(ZnO)、纳米级三氧化二铝(Al₂O₃)、纳米级二氧化钛(TiO₂)中的一种或任意几种的组合物。

其中，喹喔啉化合物其含量以介于0.1％-1.0％重量比之间为最佳，其紫外光分光光度计(Spectrophotometer)波长为325μm，其结构式如下：

R1、R2表示该1至2个碳原子可随意取代之以烷基、烯基、醇基、炔基、氢原子或卤化物。适用于本发明之喹喔啉化合物具体可为6，7-二氯-2，3-二羟基喹喔啉、或6，7-二乙醇基-2，3-二羟基喹喔啉、或6，7-二甲基-2，3-二羟基喹喔啉、或6-氯-2，3-二羟基喹喔啉、或6-甲基-2，3-二羟基喹喔啉。

其中，无机碱可提升喹喔啉化合物之溶解度，其含量以介于0.5％-1.5％重量比之间最佳。适用于本发明之无机碱可为氢氧化钾、或氢氧化钠、或碳酸钠、或碳酸氢钠。

其中，氨或胺类缓冲剂的含量以介于1.0％-10.0％重量比之间最佳，适用于本发明之氨或胺类缓冲剂可为单乙醇胺、或二乙醇胺、或三乙醇胺。

其中，金属盐类利于成膜及提高耐热性，其含量以介于0.05％-0.2％重量比之间最佳，适用于本发明之金属盐类可为铜盐类、铁盐类、锌盐类，例如硫酸铜、硝酸铜、乙酸铜、氯化铜、氯化亚铜、氧化铜、氢氧化铜、氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、甲酸锌、乙酸锌及类似物。

其中，卤化物的含量以介于0.5％-2.0％重量比之间最佳，适用于本发明之卤化物为溴化物、或氯化物、或碘化物，例如溴化氨、或氯化氨、或碘化氨、或溴化钠、或氯化钠、或碘化钠。

本发明还提供了一种使用上述有机保焊剂预浸处理剂的有机保焊膜成形方法，包含如下步骤：

(1)以酸性或碱性清洗液处理印刷电路板，以除去铜面的油污和其它污染物；

(2)用水清洗后，再经硫酸或双氧水之微蚀液使铜面粗化，以提升有机保焊膜在铜面的附着力；

(3)微蚀后的铜面在5-10％的稀硫酸中清洗掉残留的微蚀液；

(4)再经水清洗后用冷空气吹干，然后放入25℃、PH值11.5-12.5之有机保焊剂预浸处理剂溶液中25秒；

(5)再经水清洗后用冷空气吹干，然后放入温度为38℃、PH值为3.3之有机保焊膜主液中60秒，以使铜面形成厚度均匀的保焊膜；有机保焊膜主液组成包含5.0％重量比的2-正庚基苯并咪唑，20％重量比的乙酸，0.2％重量比的己酸，0.8％重量的乙二胺四乙酸钠；

(6)用冷空气吹干后的印刷电路板经去离子水洗净、烘干后，即完成有机保焊涂膜制程。

有机保焊剂预浸剂水溶液的适用温度为20-35℃，较佳为23-27℃；适用PH值为11-13，较佳为11.5-12.5，为获得适当膜厚所需的时间为10-50秒，较佳为20-30秒。

本发明采用纳米材料的有机保焊剂预浸处理剂，SiO2等纳米促进剂由于电负性吸附快速的沉积在铜面生成活性膜，该活性膜能阻隔药水对Cu面的作用，可以使OSP槽成膜速度加快20％以上，即在相同反应时间内可提高OSP膜厚20％以上，可以减少PCB在预浸处理剂(Pre-dip)、有机保焊剂(OSP)药水中的作用时间。普通药水负荷达100m2/L时槽液中Cu2+含量可达100ppm，而使用本发明的机保焊剂预浸处理剂后，在相同负荷时槽液中Cu2+含量不到50ppm。

当PCB板上已经存在局部金面时，使用普通药水经过有机保焊剂处理后，金面上也会生长出一层薄浅棕色的异常皮膜，虽然在插接或压迫接触过程(Press-Fit)中尚不致造成接触电阻，然而外观品质却下降了。原因是，在酸性条件下如果金面太薄以致出现疏孔(Pores)而有曝露底镍的可能，因在腐蚀环境中，会出现金面扮演阴极的角色，强迫底镍扮演阳极角色，于是产生贾凡尼效应(Galvanic Effect)，镍金属溶成镍离子，所抛出的两个电子将使得溶液中的铜离子同步还原沉积在金表面上，使得金面皮膜的颜色变深，甚至出现金属铜色。而本发明是在碱性条件下操作，不易造成贾凡尼效应，可确保较佳之印刷电路板外观。

本发明中，由于SiO2等纳米促进剂附着在铜面的晶格中，使铜面更加平整，从而表面张力降低，可使焊锡IMC厚度降低30％，即可克服IMC层本身的固有脆性，提高剪切强度和焊点可靠性。

因此，本发明的有益效果在于：

(1)在铜面首先形成纳米材料活性层，加速了有机保焊膜的形成速度，在相同的反应时间内可增加有机保焊膜厚的厚度20％以上；

(2)使用PH值更高的碱性预浸处理剂(Pre-dip)药水，减少对铜面的腐蚀，降低了槽液的金属污染速度，可使其使用寿命延长一倍；

(3)防止贾凡尼效应(Galvanic effect)，可确保较佳之印刷电路板外观；

(4)能降低焊锡后的金属间化合物(IMC)的厚度，保证了焊接头的剪切强度和焊点可靠性。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进一步说明。

使用相同的有机保焊剂(OSP)主液中，其组成按重量比计如下：

2-正庚基苯并咪唑              5.0％

乙酸                          20％

己酸                          0.2％

乙二胺四乙酸钠                0.8％

上述有机保焊剂(OSP)主液中的PH值调整至3.3。

实施一，取具有铜面及金面二种焊垫之印刷电路板试片经过下列使用有机保焊剂预浸处理剂的流程。

流程                       浸泡时间(sec)       温度(℃)

清洁剂                     120                 40

水洗                       60                  25

微蚀                       60                  25

水洗                       60                  25

有机保焊剂预浸液(Pre-dip)  25                  25

水洗                       60                  25

有机保焊剂(OSP)主液        60                  38

水洗                       60                  25

烘干                       60                  25

其中，有机保焊剂预浸处理剂为混悬液，其组成按重量比计如下：

纳米级二氧化硅(SiO2)               0.3％

6，7-二氯-2，3-二羟基喹喔啉        0.3％

氢氧化钠                           1.5％

硫酸铜                             0.1％

二乙醇胺                           2％

氯化氨                             1.5％

上述有机保焊剂预浸处理剂的pH调整至12.5，其中纳米级二氧化硅(SiO2)为0～80nm的固体微粒，6，7-二氯-2，3-二羟基喹喔啉的紫外光分光光度计(Spectrophotometer)波长为325μm。

实施二，取具有铜面及金面二种焊垫之印刷电路板试片经过下列未使用有机保焊剂预浸处理剂的流程。

流程                        浸泡时间(sec)    温度(℃)

清洁剂                      120              40

水洗                        60               25

微蚀                        60               25

水洗                        60               25

水洗                        60               25

有机保焊剂(OSP)主液         60               38

水洗                        60               25

烘干                        60               25

经实施一和实施二处理后的对比数据如下。

(1)有机保焊膜厚度。

上述数据表明，实施一的有机保焊膜的厚度明显比实施二的有机保焊膜的厚度有所增加。

(2)槽液负荷与Cu²⁺浓度增长速度。

 

槽液负荷	实施一Cu2+(ppm)	实施二Cu2+(ppm)
			15m2/L	4.12	13.20
30m2/L	9.78	21.73
			45m2/L	16.70	36.16
60m2/L	23.64	48.17
			75m2/L	37.18	53.88
90m2/L	43.69	65.13
			105m2/L	51.38	77.62
120m2/L	62.17	85.10
			135m2/L	71.25	93.14
150m2/L	83.12	104.53

上述数据表明，随槽液负荷增加，实施一中槽液的Cu²⁺浓度增长速度明显比实施二缓缓慢。

(3)膜厚与槽液Cu²⁺浓度。

上述数据表明，实施一中已有的金面因污染生长出膜厚明显低于实施二。

(4)焊锡后金属间化合物(IMC)厚度。

上述数据表明，实施一中有机保焊处理的铜面经过265℃IR5次后焊锡的IMC厚度比实施二明显降低了30％。

Claims (16)

1、有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：为混悬液，其组成物包含

0.05％-6.0％重量比之纳米级促进剂；

0.01％-2.0％重量比之喹喔啉化合物；

0.05％-2.0％重量比之无机碱；

0.001％-15.0％重量比之氨或胺类缓冲剂；

0.001％-0.5％重量比之金属盐类；

0.01％-5.0％重量比之卤化物。

2、如权利要求1所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：纳米级促进剂为0～80nm的固体微粒。

3、如权利要求1或2所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：所含纳米级促进剂的重量比为0.1％-2.0％。

4、如权利要求3所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：纳米级促进剂为纳米级二氧化硅(SiO₂)、纳米级氧化锌(ZnO)、纳米级三氧化二铝(Al₂O₃)、纳米级二氧化钛(TiO₂)中的一种或任意几种的组合物。

5、如权利要求1所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：所含喹喔啉化合物的重量比为0.1％-1.0％。

6、如权利要求1或5所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：喹喔啉化合物其结构式为

R1、R2表示该1至2个碳原子可随意取代之以烷基、烯基、醇基、炔基、氢原子或卤化物。

7、如权利要求6所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：喹喔啉化合物为6，7-二氯-2，3-二羟基喹喔啉、或6，7-二乙醇基-2，3-二羟基喹喔啉、或6，7-二甲基-2，3-二羟基喹喔啉、或6-氯-2，3-二羟基喹喔啉、或6-甲基-2，3-二羟基喹喔啉。

8、如权利要求1所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：所含无机碱的重量比为0.5％-1.5％。

9、如权利要求1或8所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：无机碱为氢氧化钾、或氢氧化钠、或碳酸钠、或碳酸氢钠。

10、如权利要求1所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：所含氨或胺类缓冲剂的重量比为1.0％-10.0％。

11、如权利要求1或10所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：氨或胺类缓冲剂为单乙醇胺、或二乙醇胺、或三乙醇胺。

12、如权利要求1所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：所含金属盐类的重量比为0.05％-0.2％。

13、如权利要求1或12所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：金属盐类为硫酸铜、或硝酸铜、或乙酸铜、或氯化铜、或氯化亚铜、或氧化铜、或氯化铁、或氯化亚铁、或硫酸铁、或硫酸亚铁、或甲酸锌、或乙酸锌或其他的铜盐类、或铁盐类、或锌盐类。

14、如权利要求1所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：所含卤化物的重量比为0.5％-2.0％。

15、如权利要求1或14所述的有机保焊剂预浸处理剂，其特征在于：卤化物为溴化氨、或氯化氨、或碘化氨、或溴化钠、或氯化钠、或碘化钠。

16、有机保焊膜成形方法，其特征在于：包含如下步骤

(1)以酸性或碱性清洗液处理印刷电路板，以除去铜面的油污和其它污染物；

(2)用水清洗后，再经硫酸或双氧水之微蚀液使铜面粗化，以提升有机保焊膜在铜面的附着力；

(3)微蚀后的铜面在5-10％的稀硫酸中清洗掉残留的微蚀液；

(4)再经水清洗后用冷空气吹干，然后放入25℃之有机保焊剂预浸处理剂溶液中25秒；

(5)再经水清洗后用冷空气吹干，然后放入温度为38℃之有机保焊膜主液(其组成包含5.0％重量比的2-正庚基苯并咪唑，20％重量比的乙酸，0.2％重量比的己酸，0.8％重量的乙二胺四乙酸钠，PH值为3.3)中60秒，以使铜面形成厚度均匀的保焊膜；

(6)用冷空气吹干后的印刷电路板经去离子水洗净、烘干后，即完成有机保焊涂膜制程。