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使用iEDX150WT应对IPC4554浸锡镀层测试应用方案

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引荐


  印制电路板在生产过程中最重要的指标是能在铜表面上形成一个长期稳定,厚度均匀的镀层。镀层首要目的是防止电路板中的铜接触空气后发生氧化,其次是提供一个可焊的表面,适合所有的表面贴装和通孔组装,并且有适当的保存期限。


  印制电路板表面处理由单层或多层金属镀层构成,单个镀层如:浸锡,浸锡;多个镀层如:镍金,镍钯金。每种镀层结构均具有其自身的特殊性及工艺的复杂性,表现在镀层的稳定性,使用成本和寿命等各方面的优缺点。


  IPC发布的IPC-4554印制板浸锡规范(以下简称规范),旨在帮助印制板制造商在PCB生产过程中改进工艺环节,提升产品可靠性。在规范中,IPC详细的描述每种类型的金属镀层表面适合的厚度,包括如何使用XRF分析仪准确测量厚度,且包含应满足XRF分析仪准确测量所需的条件。




IPC-4554印制板浸锡要求


测试项目

测试方法

一级

二级

三级

总则

外观

外观

镀层平整且完全覆盖被镀覆表面


浸锡厚度

 XRF分析法

在焊盘为2.25mm2[3.600 E-3in2]的面积,若制程控制在

其最小厚度为1μm[40μin]。通常第3类耐久性的涂覆层厚度为

1.15μm1.3μm

注: 第1类和第2类耐久性可使用小于1μm的涂覆层厚度,由供

需双方协商确定。

XRF标准片


用金属箔覆盖在塑料片上,标准片每年须做校正

疏孔性

不适用

不适用

物理性能

附着力

IPC-TM-650

没有镀层剥离的迹象。

没有阻焊膜剥离的迹象(并非所有阻焊都满足此要求)。


可焊性


J-STD-003

满足第3类耐久性的可焊性要求(超过6个月的保存期限)。如

果该沉积层是为了满足性能级别要求,则贮存条件是至关重

要的。其它耐久性级别的接受度由供需双方协商确定。

化学性能

耐化学性

不适用

不适用

电学性能

高频信号损失


不适用

不适用

不适用

接触电阻


不适用

不适用

不适用

环境性能

SIR

IPC-TM-650

1.0E+02M ohms

清洁度

IPC-TM-650

最大1.56μg/cm2

锡须

不适用

浸锡在特定使用环境下会产生锡须。终端用户需负责确定锡须生长的可能性及它们对模块长期可靠性的潜在影响。

电化学迁移

IPC-TM-650

一个数量级的损失

摘自IPC-4554印制板浸锡规范表3-1浸锡镀层要求




、浸锡厚度


  IPC-4554印制板浸锡规范中提到,为确保有足够的可用锡,1.5mm*1.5mm2.25mm2的相当面积下测量最小锡厚应当1μm[40μin],制程均值在时,浸锡厚度一般为1.15μm1.3μmXRF准直器不得超过最小边长的30%。




、消除外界干扰,让测量水到渠成


  在使用XRF测量浸锡厚度时,会出现两个主要的问题,即信号强度和背景噪声的问题。


  1、因为信号强度非常低,导致测量精度下降。另外,仪器对锡的“K”系列X射线侦测不适合,因为金属厚度变化引起的信号变化很小。结果是厚度测量不精确,及对较小的镀层厚度变化不敏感。重复性和再现性的研究显示,不准确性达到50%或者更高。


  2、源于环氧树脂板材料的高能量X射线散射,这个散射光将在浸锡的光谱区域产生过多的背景噪声,进一步的降低了测量的精确性。这个背景噪声强度同样也随基材铜厚度的变化而变化。浸锡在相同数量级的背景散射的荧光强度下,其铜厚的变化将导致10%-50%的测量误差。



、善时呈现优质的解决方案满足规范


  1、采用L系列X射线具有三个优点,可以改善测量的准确性和精确性:


  1> 在正常的厚度范围内,L系列X射线可以产生比K系列更高的荧光强度,更高强度自然提高了测量的准确性。


  2>对于浸锡,L系列X射线能量比K系列的能量低很多,因此最大测量范围显著降低了。由于缩小了比例,随着厚度变化,L线的荧光相对于K系列的荧光强度有了显著的增加。


  3>由于L系列属于X射线光谱的低能量部分,从板子材料环氧树脂中的低能量散射不能穿透铜层,进而不会干扰到探测器。因此,这个光谱附近的背景噪声强度相比高能量光谱部分是相当低的。显著的提高了信噪比,从而提高的测量的准确性。


  2、通过采用背景补偿软件试图去模仿样本基材带来的背景噪声。


  3、使用SDD探测器可以进一步改善信噪比和测量精度。凭借其超高的分辨率和与样品更接近的的距离,浸锡的“L”系列低能量荧光辐射比较比例计数器(PC)更灵敏。这种测量配置解决方案优势体现在能够测量较大的样品区域(焊盘大于30mil2或者线路宽度大于20mil)。


  4、被认证过的标准片(使用假定的密度值)和浸镀层之间的密度差异会影响厚度测量的计算。这种不同可能是由沉积层晶体结构的差异或孔隙度的变化导致的。在这种情况下,如果不使用密度校正补偿,XRF厚度测量结果将会和使用其他技术的测量结果存在差异。针对这个问题,善时仪器会根据客户需求,提供密度补偿服务。即可通过切片方式直接获取镀层真实数据,用以修正误差。


  使用善时仪器旗下的X荧光镀层厚度分析仪,型号:iEDX-150WT,对印制板的浸镍/金厚度进行测量,测量时间分别为5153060秒。iEDX-150WT镀层仪使用钼靶X-Ray源,SDD探测器,分辨率为125±5eV。配合使用0.3mm准直器时,测量稳定性与准确性小于5%。正因为其高分辨率的特性,iEDX-150WT不需要额外的滤波器去除干扰,测量结果更接近于真实值。与同类型产品相比,i EDX-150WT使用时无需预热与能量校准,即开即测。


图片6


测量数据

镀层锡Sn厚度μm

测量时间(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

标准偏差

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

范围

0.215

0。177

0.106

0.092

附注:暂未提供镀层锡的标称值


  根据测量的数据以及计算的结果我们可以得出:在使用SDD探测器,从选择不同测量时间角度分析,选择测量时间为60s时,重复性最高,标准偏差最小。但在实际测量中,过长的测量时间不仅减少X射线管的寿命,而且检测工作效率低。因此,在实际应用过程中,结合自身工艺条件和测量要求,选择对应的测量时间。



、善时仪器


  深圳市善时仪器有限公司是一家集仪器研发、制造,系统集成于一体,为矿山、环保、化工、印制电路板、金属加工、机械与电子制造等行业提供全方位原料成分检测解决方案的高新技术企业。公司以高水平检测技术,软件技术为主的发展方向,相继推出了二十余种X荧光分析仪检测设备和扫描电子显微镜设备,覆盖政府安全,土壤环境检测,食品药品安全等领域对成分检测的需求。为企业降低成本、耗材,提高产品质量,增强企业核心竞争力做出了杰出贡献。近年来,善时仪器运用物联网,大数据,移动互联等新兴技术,结合善时仪器多年积累的仪器应用经验,为省级以上实验室自动化改造提供了智能化的解决方案,推动行业产品技术转型升级,为国民经济快速增长,发挥出越来越重要的影响。



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