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使用iEDX150WT應對IPC4554浸錫鍍層測試應用方案

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引薦


  印制電路板在生產過程中最重要的指標是能在銅表面上形成一個長期穩定,厚度均勻的鍍層。鍍層首要目的是防止電路板中的銅接觸空氣后發生氧化,其次是提供一個可焊的表面,適合所有的表面貼裝和通孔組裝,并且有適當的保存期限。


  印制電路板表面處理由單層或多層金屬鍍層構成,單個鍍層如:浸錫,浸錫;多個鍍層如:鎳金,鎳鈀金。每種鍍層結構均具有其自身的特殊性及工藝的復雜性,表現在鍍層的穩定性,使用成本和壽命等各方面的優缺點。


  IPC發布的IPC-4554印制板浸錫規范(以下簡稱規范),旨在幫助印制板制造商在PCB生產過程中改進工藝環節,提升產品可靠性。在規范中,IPC詳細的描述每種類型的金屬鍍層表面適合的厚度,包括如何使用XRF分析儀準確測量厚度,且包含應滿足XRF分析儀準確測量所需的條件。




IPC-4554印制板浸錫要求


測試項目

測試方法

一級

二級

三級

總則

外觀

外觀

鍍層平整且完全覆蓋被鍍覆表面


浸錫厚度

 XRF分析法

在焊盤為2.25mm2[3.600 E-3in2]的面積,若制程控制在

其最小厚度為1μm[40μin]。通常第3類耐久性的涂覆層厚度為

1.15μm1.3μm

注: 第1類和第2類耐久性可使用小于1μm的涂覆層厚度,由供

需雙方協商確定。

XRF標準片


用金屬箔覆蓋在塑料片上,標準片每年須做校正

疏孔性

不適用

不適用

物理性能

附著力

IPC-TM-650

沒有鍍層剝離的跡象。

沒有阻焊膜剝離的跡象(并非所有阻焊都滿足此要求)。


可焊性


J-STD-003

滿足第3類耐久性的可焊性要求(超過6個月的保存期限)。如

果該沉積層是為了滿足性能級別要求,則貯存條件是至關重

要的。其它耐久性級別的接受度由供需雙方協商確定。

化學性能

耐化學性

不適用

不適用

電學性能

高頻信號損失


不適用

不適用

不適用

接觸電阻


不適用

不適用

不適用

環境性能

SIR

IPC-TM-650

1.0E+02M ohms

清潔度

IPC-TM-650

最大1.56μg/cm2

錫須

不適用

浸錫在特定使用環境下會產生錫須。終端用戶需負責確定錫須生長的可能性及它們對模塊長期可靠性的潛在影響。

電化學遷移

IPC-TM-650

一個數量級的損失

摘自IPC-4554印制板浸錫規范表3-1浸錫鍍層要求




、浸錫厚度


  IPC-4554印制板浸錫規范中提到,為確保有足夠的可用錫1.5mm*1.5mm2.25mm2的相當面積下測量最小錫厚應當1μm[40μin],制程均值在時,浸錫厚度一般為1.15μm1.3μmXRF準直器不得超過最小邊長的30%




、消除外界干擾,讓測量水到渠成


  在使用XRF測量浸錫厚度時,會出現兩個主要的問題,即信號強度和背景噪聲的問題。


  1、因為信號強度非常低,導致測量精度下降。另外,儀器對錫的“K”系列X射線偵測不適合,因為金屬厚度變化引起的信號變化很小。結果是厚度測量不精確,及對較小的鍍層厚度變化不敏感。重復性和再現性的研究顯示,不準確性達到50%或者更高。


  2、源于環氧樹脂板材料的高能量X射線散射,這個散射光將在浸錫的光譜區域產生過多的背景噪聲,進一步的降低了測量的精確性。這個背景噪聲強度同樣也隨基材銅厚度的變化而變化。浸錫在相同數量級的背景散射的熒光強度下,其銅厚的變化將導致10%-50%的測量誤差。



、善時呈現優質的解決方案滿足規范


  1、采用L系列X射線具有三個優點,可以改善測量的準確性和精確性:


  1> 在正常的厚度范圍內,L系列X射線可以產生比K系列更高的熒光強度,更高強度自然提高了測量的準確性。


  2>對于浸錫,L系列X射線能量比K系列的能量低很多,因此最大測量范圍顯著降低了。由于縮小了比例,隨著厚度變化,L線的熒光相對于K系列的熒光強度有了顯著的增加。


  3>由于L系列屬于X射線光譜的低能量部分,從板子材料環氧樹脂中的低能量散射不能穿透銅層,進而不會干擾到探測器。因此,這個光譜附近的背景噪聲強度相比高能量光譜部分是相當低的。顯著的提高了信噪比,從而提高的測量的準確性。


  2、通過采用背景補償軟件試圖去模仿樣本基材帶來的背景噪聲。


  3、使用SDD探測器可以進一步改善信噪比和測量精度。憑借其超高的分辨率和與樣品更接近的的距離,浸錫的“L”系列低能量熒光輻射比較比例計數器(PC)更靈敏。這種測量配置解決方案優勢體現在能夠測量較大的樣品區域(焊盤大于30mil2或者線路寬度大于20mil)。


  4、被認證過的標準片(使用假定的密度值)和浸鍍層之間的密度差異會影響厚度測量的計算。這種不同可能是由沉積層晶體結構的差異或孔隙度的變化導致的。在這種情況下,如果不使用密度校正補償,XRF厚度測量結果將會和使用其他技術的測量結果存在差異。針對這個問題,善時儀器會根據客戶需求,提供密度補償服務。即可通過切片方式直接獲取鍍層真實數據,用以修正誤差。


  使用善時儀器旗下的X熒光鍍層厚度分析儀,型號:iEDX-150WT,對印制板的浸鎳/金厚度進行測量,測量時間分別為5153060秒。iEDX-150WT鍍層儀使用鉬靶X-Ray源,SDD探測器,分辨率為125±5eV。配合使用0.3mm準直器時,測量穩定性與準確性小于5%。正因為其高分辨率的特性,iEDX-150WT不需要額外的濾波器去除干擾,測量結果更接近于真實值。與同類型產品相比,i EDX-150WT使用時無需預熱與能量校準,即開即測。


圖片6


測量數據

鍍層錫Sn厚度μm

測量時間(s

5

15

30

60

1

1.129

1.089

1.071

1.068

2

1.112

1.077

1.008

1.055

3

1.056

1.029

1.036

1.048

4

1.209

1.037

1.009

1.046

5

1.11

1.087

1.006

1.034

6

1.138

1.103

1.036

1.044

7

1.203

1.127

1.068

1.034

8

1.174

1.058

1.109

1.055

9

0.994

1.064

1.042

1.035

10

1.157

1.047

1.071

1.012

11

1.201

0.963

1.017

0.976

12

1.121

1.077

1.038

1.058

13

1.115

1.049

1.036

1.041

14

1.134

1.069

1.095

1.019

15

1.145

1.115

1.003

1.035

16

1.197

1.105

1.063

1.047

17

1.2

1.04

1.046

1.02

18

1.013

1.029

1.075

1.022

19

1.09

0.962

1.091

1.052

20

1.147

1.112

1.077

1.049

21

1.181

1.011

1.053

1.038

22

1.115

1.08

1.035

1.034

23

1.204

1.005

1.003

1.065

24

1.069

1.131

1.08

1.037

25

1.065

1.139

1.046

1.042

26

1.102

1.087

1.034

1.035

27

1.179

1.065

1.024

1.051

28

1.138

1.051

1.071

1.033

29

1.051

1.039

1.021

1.05

30

1.163

1.098

1.086

1.064

平均值

1.129

1.064

1.048

1.039

標準偏差

0.058

0.045

0.030

0.018

CV%

5.165%

4.222%

2.846%

1.732%

最大值

1.209

1.139

1.109

1.068

最小值

0.994

0.962

1.003

0.976

范圍

0.215

0.177

0.106

0.092

附注:暫未提供鍍層錫的標稱值


  根據測量的數據以及計算的結果我們可以得出:在使用SDD探測器,從選擇不同測量時間角度分析,選擇測量時間為60s時,重復性最高,標準偏差最小。但在實際測量中,過長的測量時間不僅減少X射線管的壽命,而且檢測工作效率低。因此,在實際應用過程中,結合自身工藝條件和測量要求,選擇對應的測量時間。



、善時儀器


  深圳市善時儀器有限公司是一家集儀器研發、制造,系統集成于一體,為礦山、環保、化工、印制電路板、金屬加工、機械與電子制造等行業提供全方位原料成分檢測解決方案的高新技術企業。公司以高水平檢測技術,軟件技術為主的發展方向,相繼推出了二十余種X熒光分析儀檢測設備和掃描電子顯微鏡設備,覆蓋政府安全,土壤環境檢測,食品藥品安全等領域對成分檢測的需求。為企業降低成本、耗材,提高產品質量,增強企業核心競爭力做出了杰出貢獻。近年來,善時儀器運用物聯網,大數據,移動互聯等新興技術,結合善時儀器多年積累的儀器應用經驗,為省級以上實驗室自動化改造提供了智能化的解決方案,推動行業產品技術轉型升級,為國民經濟快速增長,發揮出越來越重要的影響。



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