在电路测试阶段使用无铅PCB表面处理工艺的研究

无铅PCB的出现对在电路测试(ICT)提出了新的问题，本文描述了现有的PCB表面处理工艺，并分析了这些工艺对ICT的影响，指出影响ICT的关键是探针与测试点间的接触可靠性，并介绍了为满足ICT的要求在PCB构建过程中需要做出的特定改变。

图1：用户采用了一套推荐的OSP规则集，但是依然发现对一次通过的良率有12%的影响。

一直以来，测试工程师主要关注的是确保他有一个有效的测试程序，该程序能在生产中很好地执行。"在电路测试(ICT)"依然是一种检测制造缺陷的非常有效的 方法。更先进的ICT系统还能在测试时，通过提供对Flash存储器、PLD、FPGA和EEPROM编程的方法，在测试功能配置中增加实际价值。安捷伦 3070系统在ICT方面是市场的领导者。

现在ICT依然在印刷电路板组装(PCA)的制造和测试过程中发挥重要的作用，但是人们对无铅PCB的追求将对ICT阶段有怎样的影响呢？

对无铅焊接技术的推动导致了对PCB表面处理技术的大量研究。这些研究主要基于在PCB构建过程中的技术性能。不同的PCB表面处理技术对测试阶段的影响大 部分被忽略掉，或者仅仅关注于接触阻力。本报告将介绍在ICT中观察到的影响的细节，以及对这些变化做出响应和理解的需要。

本文的目的是分享PCB表面处理经验，以及针对为实现ICT PCB生产工艺要求的改变对工程师进行培训。本文将讲述在无铅PCB表面处理问题，特别是在的制造过程中的ICT阶段，并揭示对无铅表面处理的成功测试也依赖于PCB构建工艺的有益贡献。

成功的ICT测试总是与针床夹具的测试探针和PCB上测试焊盘的接触点的物理特性上。当很尖的探针接触到一个已焊接的测试点时，焊料将凹陷，因为探针的接触 压力远远高于焊料的屈服强度。随着焊料的凹陷，探针穿过测试焊盘表面的任何杂质。下面未受污染的焊料现在接触到探针，以实现对测试点的良好接触。探针插入 的深度是目标材料的屈服强度成直接的函数关系。探针穿透的越深，接触越好。

8盎司(oz)的探针可以施加26,000至160,000psi(磅/平方英寸)的接触压强，具体压力大小取决于表面直径。因为焊料的屈服强度大约为5,000psi，对于这种相对较软的焊料，探针的接触更好。

PCB表面处理工艺选择

在我们了解前因后果之前，描述已有的PCB表面处理工艺的类型以及这些类型能提供什么非常重要。所有的印刷电路板(PCB)在板上都有铜层，如果铜层未受保护将氧化和损坏。有多种不同的保护层可以使用，最普遍的是热风焊料平整(HASL)、有机焊料防护(OSP)、无电镀镍金沉浸(ENIG)、银沉浸以及锡沉浸。

热风焊料平整(HASL)

HASL是工业中用到的主要的有铅表面处理工艺。工艺由将电路板沉浸到铅锡合金中形成，过多的焊料被"风刀"去除，所谓的风刀就是在板子表面吹的热风。对于PCA 工艺，HASL具有很多的优势：它是最便宜的PCB，而且通过多次回流焊、清洗和存储后表面层还可以焊接。对于ICT而言，HASL也提供了焊料自动覆盖 测试焊盘和过孔的工艺。然而，与现有的替代方法相比，HASL表面的平整性或者同面性很差。现在出现了一些无铅的HASL替代工艺，由于具有HASL的自 然而然的替代的特性而越来越普及。多年来HASL应用的效果不错，但是随着"环保"绿色工艺要求的出现，这种工艺存在的日子屈指可数。除了无铅的问题，越 来越高的板子复杂性和更精细的间距已经使HASL工艺暴露出很多的局限性。

优势：最低成本PCB表面工艺，在整个制造过程中保持可焊接性，对ICT无负面的影响。

劣势：通常使用含铅工艺，含铅工艺现在受到限制，最终将在2007年前消除。对于精细引脚间距(<0.64mm)的情况，可能导致焊料的桥接和厚度问题。表面不平整会导致在组装工艺中的同面性问题。

有机焊料防护剂

有机焊料防护剂(OSP)用来在PCB的铜表面上产生薄的、均匀一致的保护层。这种覆层在存储和组装操作中保护电路不被氧化。这种工艺已经存在很久了，但是直到最近随着寻求无铅技术和精细间距解决方案才获得普及。

就同面性和可焊接性而言，OSP相对于HASL在PCA组装上具有更好的性能，但是要求对焊剂的类型和热循环的次数进行重大的工艺改变。因为其酸性特征会降低OSP性能，使铜容易氧化，因此需要仔细处理。装配者更喜欢处理更具柔韧性和能承受更多热循环周期的金属表面。

采用OSP表面处理，如果测试点没有被焊接处理，将导致在ICT出现针床夹具的接触问题。仅仅改以采用更锋利的探针类型来穿过OSP层将只会导致损坏并戳穿 PCA测试过孔或者测试焊盘。研究表明改用更高的探测作用力或者改变探针类型对良率影响很校未处理的铜具有比有铅焊接高一个数量级的屈服强度，唯一的结