有机保焊剂与金面污染

　　一、前言
　　业界俗称的 Entek 是指美商 Enthone 公司近年来所提供一种“有机护铜剂”之湿制程技术,目前正式的商品名称是 Entek Plus CU-106A。事实上这就是“有机保焊剂”(Organic Solderability Preservatives;OSP)各类商品的一种(其余如欧洲流行的 Shercoat，以及日本流行的 Cucoat 等)，是绿漆后裸铜待焊面上经涂布处理，所长成的一层有机铜错化物的棕色皮膜，电路板制程分类法将其归之为表面终饰 Final Finish。
　　此等 OSP 制程的反应原理，是“苯基三连唑”BTA(Benzo-Tri-Azo)之类的化学品，在清洁的铜表面上,形成一层错合物式具保护性的有机物铜皮膜(均 0.35μm或 14μin)。一则可保护铜面不再受到外界的影响而生锈；二则其皮膜在焊接前又可被稀酸或助焊剂所迅速除去，而令裸铜面瞬间仍能展现良好的焊锡性；故正式学名称之为“有机保焊剂”即着眼于后者之功能。
　　目前 OSP 各种商品均已经过多次改进,实用上均可耐得住数次高温高湿环境的考验，得以维持不错的焊锡性。故而某些讲究焊垫平坦性的主机板，与面积较大的附加卡(Add-on card)等板类，其等焊垫处理已逐渐选用 OSP 制程，其目的当然是针对 SMT 锡膏印刷与引脚放置平稳性的考量。实际上其操作成本并不比喷锡便宜(原液 100 公升成本即达台币 10 万元)，不过在整体环保上似较有利。
　　不幸当板面已有金手指或其它局部金面时，则经过 OSP(Entek)流程后,该等镀金表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太大的烦恼,然而一般比较挑剔外观的用户则很难放心允收。此等局部性金表面应如何预防其异常皮膜的生长，或长成皮膜后又如何在不损及金表面外观下而设法予以清除，均成为生产线上十分恼人的问题。
　　二、Entek 流程简介
　　Entek 是目前在台湾最流行的有机保焊剂制程，其中原因当然要拜大部份美国订单之爱国所赐,现将其水平自动联机之各流程站简介如后(至于各流程站间之水洗则未予列入)：
　　1.酸性清洁脱脂 MAcid Cleaner(以纯水配槽)
　　须采用 Enthone 公司原装的 SC-1010DE 之铜面活化与清洁剂，不同于其它化学品可能会使金面上造成 Entek 皮膜增厚的麻烦。且本槽液不含螯合剂(Che-lator)故很容易清洗，使后续离子污染问题大为降低。根据经验一旦此酸性清洗槽中含有螯合剂时,处理后的金手指上除了 Entek 皮膜外还会出现化学铜的异常沉积，进而产生较严重的变色情形。
　　2.微蚀 MMicroetch(以纯水配槽)
　　可采 Enthone 专密性微蚀剂 ME-1020，比硫酸双氧水或过硫酸铵(APS)等一般性微蚀液效果更好，可产生均匀光亮的微粗铜面，将使后来所长出的 106A 皮膜更为细致均匀。但要注意此槽中之铜含量不宜超过 2000 ppm,以防金面上出现极薄的化学铜层附着。
　　3.酸洗 Acid Dip(以纯水配槽)
　　采 5-10% 体积比之浓硫酸配槽，板子在室温下处理约 1-3 分钟即可，注意此槽液中的铜含量不可超过 500 ppm，以防在金面上产生铜膜的附着，且离槽的板子也应尽量吸干，以无水状态进入后站 106A 槽　　4.有机保焊剂处理 Entek Plus CU-106A
　　本槽液完全使用原液不加任何水份，分析后若发现浓度不够时，可采用 10 倍浓度之补充液去添加补足(每公升应另搭配 37ml 之铵水)。操作时须进行过滤循环(每小时须翻槽 3-4 次)，但不可吹气搅拌以防其中蚁酸(Formic Acid)逸出而充塞环境有害工安。其作业情况如下：
　　本槽之处理应严格管控温度于±2℃之内以防厚度发生变化,另 pH 也会影响厚度，当厚度不足时应以铵水提高其 pH，厚度超过时则加蚁酸以降低其 pH。且本槽液对浓度的管制也非常重要，所有进入槽区的板子必须要先用冷风吹干，避免带入水份才行。
　　5.吹干(以冷风吹干)
　　至于处理完毕离开槽区的板子，也须立即用冷风吹到不沾手的干燥程度 (TackDried)，以防板子进入后续清洗站时，其初生之软质皮膜可能受损而使厚度在冲洗中有所损失。故离槽的板子须先用挤水滚轮去排除多余的 106A 药液，再用冷风继续强力吹掉残余湿气。未干的湿膜径行清洗时，不但会造成皮膜厚度的减薄,而且外观也很不均匀甚至十分难看。注意此种完工的 Entek 皮膜也很容易被稀酸所洗掉，故不宜接触任何酸液。
　　6.纯水清洗
　　以纯水清洗完工板约 30-60 秒,可减少板面的离子污染情形。注意此时尚未足够老化的皮膜，经常会出现轻微溶解的现象，故此 Final Cleaning 所用纯水的酸碱值不可低于 pH 5，以防溶解速度变快。
　　7.最后吹干
　　最后以强力冷风将已洗净板面彻底吹干，注意不可用手指触及板面，只能戴手套用双手掌以卡紧板边的方式持取。
　　三、反应机构
　　Cu-106A 的皮膜是利用原液中的
　　衍生性“苯并咪唑”(Substituted Benzimidazole,BID)；
　　刻意加入的铜离子
　　有机酸(即甲酸 Formic Acid 与其它有机酸类)等；
　　在清洁的裸铜面上反应而产生一层含铜错合物的有机皮膜，故上述三种化学品都要保持正确的比例,方能得到厚度合格(0.35μm)外观均匀与焊锡性良好的皮膜。
　　下列之有机金属(Organometallic)结构式,即为铜面 CU-106A 皮膜的假想组织，式中胺基(Amine Group-NH-)上的氮原子(N)，会在清洁铜面上首先产生反应，出现错合共价链之单层结构，随即着落上一层 BID 的分子层。但若铜面不洁时,则该反应无法进行，也就长不出均匀的皮膜。之后其它的氮原子又陆续与溶液中的铜离子形成另一层错合物(Complexes)而继续使皮膜长厚。
　　事实上 Entek 之所以能够让铜面抗氧化而不锈，除了皮膜厚度的保护外,结构式胺环上的炼状衍生物“R Group”,也决定了皮膜的保护能力与防止氧气渗透的功效。不过但此层皮膜却与各种助焊剂遭遇时，却仍可保持其等应有的活性，换句话说此种皮膜仍可被助焊剂所清除，进而使清洁的铜面展现其良好的焊锡性。