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使用iEDX150WT應對IPC4556化鎳鈀金鍍層測試應用

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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,浸銀;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-4556印制板化學鎳//?ENEPIG)規范》(以下簡稱ENEPIG),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。



、化學鎳//浸金(ENEPIG)鍍層要求


ENEPIG是沉積在以銅為基底金屬上的一個三層表面處理。ENEPIG由鎳作為基礎層,再鍍上一層鈀層作為阻擋層,最外層沉積一層薄薄的金層。


檢驗

等級/測試頻率(A.Q.L.

要求

測試項目

測試方法

1

2

3/3A

備注

總則

外觀

外觀

4.0

2.5

1.0

鍍層平整且完全覆蓋被鍍覆表面



鍍鎳厚度



XRF分析法



6.5



4.0



2.5

在一個焊盤尺寸為1.5*1.5mm0.06* 0.06in)或等效面積上進行測量,在相對平均值±4σ (標準偏差)時測量值為3-6m118.1-236.2μin



鍍鈀厚度



XRF分析法



6.5



4.0



2.5

在一個焊盤尺寸為1.5*1.5mm0.06*0.06in)或等效面積上進行測量,在相對平均值-4σ (標準偏差)時測量值為0.05-0.3μm(2-12μin)



浸金厚度



XRF分析法



6.5



4.0



2.5

在一個焊盤尺寸為1.5*1.5mm0.06in*0.06in)或等效面積上進行測量,在相對平均值-4σ (標準偏差)時測量值>0.030μm(1.2μin)

物理性能

附著力

IPC-TM-650

6.5

4.0

4

沒有鍍層或阻焊層剝離的跡象

可焊性

J-STD-003

4.0

2.5

2.5

參閱使用的性能范圍

需要力的測量時,在指定的規定條款下使用



測力實驗



4.0



2.5



2.5

錫鉛共晶測試最小值為0.14m_/mmSAC305測試最小值為0.19m_/mm

環境性能

SIR

IPC-TM-650/GR78-Core

如有需求時,可接受質量水平(AQL應當由供需雙方協商確定

1.0E+08ohms
1.0E+10ohms

清潔度

IPC-TM-650/GR78-Core

如有需求時,可接受質量水平(AQL應當由供需雙方協商確定

參閱適用的性能規范


電化學腐蝕


IPC-TM-650

如有需求時,可接受質量水平(AQL應當由供需雙方協商確定

僅需雙方協商確定

摘自ENEPIG規范表3-1要求



三、X射線熒光分析儀


  測量要求和條件


  化學鎳厚度在相對平均值為±4σ(標準偏差)時,在焊盤尺寸為1.5*1.5mm0.060×0.060in)或等效的面積下測量的化學鎳厚度應當3-6μm118.1-236.2μin),標準特征尺寸公差采用IPC-6010標準系列的要求。


  化學鈀厚度在相對平均值為±4σ(標準偏差)時,在焊盤尺寸為1.5*1.5mm0.060×0.060in)或等效的面積下測量的化學鈀厚度應當為0.05-0.30μm2-12μin),標準特征尺寸公差采用IPC-6010標準系列要求。


  化學金厚度在低于平均值-4σ(標準偏差)時,最小浸金厚度應當大于0.030μm1.2μin),焊盤尺寸為1.5*1.5mm0.060*0.060in)或等效的面積,標準特征尺寸公差采用IPC-6010標準系列的要求。


  在某些設計中可能沒有該指定焊盤面積的特征尺寸,則需使用備用的焊盤尺寸。使用X射線熒光分析儀的準直器應始終小于用于測量的焊盤。具體的準直器不應該超過所測量的特征焊盤尺寸的30%。對于較小尺寸的焊盤,測量時間需要隨準直器面積的減少而相應的增加。


XRF校準標準


  建議使用與被測量的ENEPIG厚度有相似厚度的國家標準的可追蹤式校準法。銅的厚度大于30μm時,應該用金和鈀直接電鍍在鎳//PCB上單三層標準片來校準。如果要測量具有不同銅厚度的板,則應該采用金和鈀直接電鍍在鎳箔上的三層標準片。


針對銅厚度> 30μm,至少兩個具有近似厚度的校準標準組合,如下所示,應該被使用:

///基材0.05μm/0.02μm/3μm/>30μm

///基材0.05μm/0.09μm/3μm/>30μm

///基材0.05μm/0.3μm/3μm/>30μm

///基材0.1μm/0.2μm/3μm/>30μm


針對銅厚度<30μm,至少兩個具有近似厚度的校準標準組合,如下所示,應該被使用:

///基材0.06μm/0.02μm/4μm/<30μm

///基材0.06μm/0.06μm/4μm/<30μm

///基材0.05μm/0.1μm/4μm/<30μm

///基材0.05μm/0.25μm/4μm/<30μm




、消除外界干擾,讓測量水到渠成


在測量過程中,會對檢測結果帶來干擾因素如下:


  1、PCB環氧樹脂層壓板通常含有溴的阻燃化合物

  XRF儀器的默認測量條件是計算偵測到的金L-β線(能量~11.4 keV)的金X-Ray數量。這是因為金L-α峰與銅層的X-Ray峰重疊。在XRF分析中,盡量避免重疊可能造成的干擾,因此通常選擇分析金L-β線。當在銅或銅合金基板進行電鍍時,通常情況下,金L-β峰沒有干擾。然而,印制電路板樣品中,有相當大的概率檢測到環氧基板上輻射的一些溴的X-Ray。由于正比計數器X-Ray探測器能量分辨率差,能量為11.9 keV的溴K-α會產生一種與通常較可靠的金L-β峰重疊或干擾的光譜峰。


  通常情況下,溴X-Ray強度會很低,因為溴X-Ray必須得穿過銅、鎳、金層才能到達探測器并被計數。如果這些金屬層的屏蔽,溴X-Ray強度會顯著減少,導致只有一個很小的輕微的溴峰強度。但浸金層通常都非常的薄,它只會產生低強度的金L-β峰,這個小的溴X-Ray強度對金峰強度的貢獻,如果不進行修正,影響是非常明顯的。因為溴對金峰值強度的貢獻相比于金峰強度本身,是大致相同的數量級或更大的水平。


  對于金的測量,當測量厚度在0.05μm-0.13μm[2-5μin]范圍的浸金層時,沒有修正過的溴干擾,可能對任何一處增加幾個亞微米或微英寸到零點幾微米或幾十微英寸。因此,例如金的實際厚度為0.1μm[4μin],如果溴的干擾沒有考慮或修正,測量值可能是0.15μm0.25μm[6μin10μin]或者更大。測量誤差的大小將主要取決于銅層的厚度(更薄的銅層將導致更大的金的測量誤差)、環氧樹脂中的溴化合物的量、X-Ray束的空間分辨率和相對于被測電鍍區域的位置。


  實際上,XRF儀器已提供峰值去卷積軟件。該軟件將允許儀器分解復合的金+溴峰到各自的組成部分。因此,這使得從溴的干擾貢獻中獨立提取出金L-β峰強度信息成為可能。對于PCB板浸金的精確測量,使用峰值去卷積程序是可靠的做法。并在許多情況下,對于金層厚度測量精確度最大化是絕對至關重要的,它可以最大限度地提高金厚度測量的準確性。應該指出的是,由于沒有修正溴的干擾,導致在測量金厚度時出現的較大誤差,同樣也會造成在金下面的鎳厚度測量的誤差。


  對于這部分誤差,iEDX150WT儀器除了在軟件上使用去卷積算法外,還使用SDD探測器,該探測器分辨率遠高于正比計數器(PC)探測器,能直接分辨溴Kα峰與金的Lβ峰,從源頭上消除這部分的干擾誤差。


  2、化學鍍鎳層中磷含量

  在電鍍過程中,由于電鍍廠使用的藥水不同,電鍍后鍍層中的磷含量也是不同的。如果樣品的磷含量小于校準標準,化學鍍鎳厚度的測量將會偏高。如果樣品的磷含量大于校準標準,化學鍍鎳厚度的測量將會偏低。若樣品中磷的含量是已知的,是可以對測量數據進行修正。iEDX-150WT軟件允許用戶輸入已知鎳層中磷含量的百分比,并將自動修正測量的厚度。


  3、浸鈀層厚度的測量受兩種可能的誤差影響。

  較為顯著的潛在誤差是存在于可檢測到鈀K-α的光譜區域中X-Ray背景值變化所引起的。這個鈀K-α的峰值被添加到這樣的背景水平。典型地,XRF鍍層厚度測量儀器對這塊區域求積分以獲得鈀的強度,并使這個強度與鈀的厚度相關聯。在浸鈀厚度為0.05μm-0.15μm[2μin-6μin]的情況下,光譜的背景值強度通常等同或強于鈀峰值本身的強度。如果背景值是恒定的,這種影響可以被包括在校準當中。事實上,背景的不同,源于鈀下面的銅層厚度有關。

背景散射主要來源于環氧基板。在測量過程中,鎢或鉬靶的X-Ray源提供了廣闊頻帶的X-Ray能量給樣品。主要是較高能量的X-Ray透過厚的覆銅板,然后從環氧樹脂散射回來再通過銅層,從而在測量光譜中被檢測和看到。低能量的X-Ray,不具有足夠的能量穿透銅層兩次從而無法被檢測到。因此,背景噪音僅僅是較高頻段X-Ray能譜的問題。正是在這種頻譜的高段,鈀K-α21.1keV)才會出現。到達探測器的背景散射量也是與銅厚度有關的函數,因為散射的X-Ray主要地被相對較厚的層所屏蔽。正如溴對金的干擾,背景散射將是一個底層銅厚度的函數,同時也是X射線束空間分辨率和射線束相對于樣品被鍍區域邊緣位置的函數。


  再次,為了審慎和優化對鈀厚度的測量精度,潛在的背景值變化應該被補償,以獲得凈鈀的強度信息。XRF儀器配備背景修正軟件來處理這個問題,并獲得合理準確的凈鈀強度,使用者應該熟悉如何利用這個功能。且在連續測量鍍層厚度時,注意檢查XRF儀器是否一直使用自動背景修正。


  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。




、善時呈現優質的解決方案滿足規范


  由于熒光分析儀在硬件配置上不同,上述因素對測量結果真實性相互之間差異較大。通常來說,X射線源和探測器選擇上的不同,所測量的結果也不同。


  使用善時儀器旗下的X射線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,測量時間為60秒。iEDX-150WT鍍層厚度分析儀使用鉬靶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%。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,iEDX-150WT使用時無需預熱與能量校準,即開即測


圖片7


測量數據

元素

測量時間(s

60

1

0.073

0.029

5.045

2

0.074

0.025

5.056

3

0.075

0.026

5.061

4

0.073

0.026

5.054

5

0.074

0.026

5.033

6

0.075

0.027

5.005

7

0.075

0.026

5.015

8

0.074

0.028

4.988

9

0.075

0.025

5.047

10

0.074

0.026

4.970

11

0.074

0.026

5.062

12

0.074

0.027

5.006

13

0.073

0.025

5.046

14

0.073

0.026

4.986

15

0.075

0.026

5.015

16

0.073

0.025

5.023

17

0.073

0.026

5.049

18

0.075

0.027

5.057

19

0.074

0.027

5.023

20

0.073

0.025

5.009

21

0.074

0.026

4.995

22

0.075

0.026

4.983

23

0.073

0.025

5.041

24

0.074

0.026

5.061

25

0.073

0.026

4.954

26

0.073

0.025

5.023

27

0.074

0.027

5.008

28

0.073

0.025

5.049

29

0.073

0.025

5.043

30

0.074

0.026

5.050

平均值

0.074

0.026

5.025

標準偏差

0.001

0.001

0.029

CV%

1.054%

3.642%

0.582%

最大值

0.075

0.029

5.062

最小值

0.073

0.025

4.954

范圍

0.002

0.004

0.108

鎳標稱值:5.0804μm


圖片8




、量具能力、量具的可重復性和可再現性類型研究


目標:對于一個給定公差的值,用測量值的重復性和平均值,來檢驗量具的能力。

量具能力最好用校準過的參考標準矯正,而其參考值接近在公差范圍的中間位置。

上面定義的測量點,參考標準是在可重復的條件下被測量次數n≥25

對于測量標準的上規格極限和下規格極限(USLLSL):T=USL-LSL

測量標準只有一邊的規格極限(USLLSL):T是不存在的。在這種情況下,允許測量值低于USL-4s或高于LSL+4s

參考標準值應該在USLLSL±10%

如果要計算出量具能力指數。使用下面的公式。檢查儀器能力是通過CgCgk值。這些被定義為:


圖片9

圖片10

量具能力:

T=公差,s=標準偏差,xm =平均標準,x=測量平均值。

注:如果Cg≥1.33 Cgk ≥1.33,此量具是合格的。




量具能力指數

元素

Cg

1.333

8.790

3.419

Cgk



2.790

附注:因無法提供鍍層金和鍍層鈀的標稱值,故無法計算鍍層金和鍍層鈀的Cgk


  根據測量的數據以及計算的結果我們可以得出:使用SDD探測器,選擇測量時間為60s,測試次數30次。重復性≤5%。從量具能力指數并結合測量時間分析,鍍層鎳Cg3.419Cgk:2.790滿足Cg≥1.33 Cgk ≥1.33的量具要求。鍍層金Cg:1.333,鍍層鈀Cg8.790,符合Cg≥1.33的量具要求,驗證了儀器良好的檢測能力。




、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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