無鉛焊接除了銲料(Solder)必須全部禁鉛外，PCB電路板板面（含各式封裝載）之焊墊、通子L焊環(huán)以及零件腳等各種表面處理，也都必須無鉛。先就板面焊墊而書，其真正可供量產(chǎn)選擇的可焊處理，預計將有下列七八種，而具正能上線量產(chǎn)者，目前看來則僅有OSP與I-Sn或I-Ag兩三種而已。
至于零件腳或接墊的可焊表面處理，除了早期各式IC金屬腳架(LeadFrame，亦稱導線架)，系採用卷帶收放式(ReeltoReel)連續(xù)電鍍外，其馀散裝元件（Discrets分離式為拙譯）不管是被動或主動者，則多半採用“滾鍍”(Barrelplating)的大量處理方式，現(xiàn)行及未來之主流槽液將有：
1、電鍍純錫（以酸性硫酸亞錫TinSulfate或甲基磺酸錫為槽液，可兼做掛鍍或滾鍍，此種銅材之表面鍍錫又可分為光亮錫及霧面錫兩種，前者容易發(fā)生錫鬚，后者價格較貴。）
2．電鍍銀Silverplating（以鹼性氰化物槽液為主，亦可兼做掛鍍及滾鍍兩種方式。）
3．電鍍鎳與錫NickelandTinplating（將銅材表面先鍍上一層鎳，再鍍純錫者，將可減少錫鬚的問題。）
4．其他尚有電鍍鎳鋰(Ni/Pd)，與電鍍鎳鍍金(Ni/Pd/Au)，甚至電鍍其他各種錫合金等，然而在成本太貴或技術(shù)成熟度不足兩方面的缺失下，目前尚不足形成氣候，將不再介紹。
一、有機保焊劑OSP:
簡單的說OSP就是在潔淨的裸銅表面上，長出一層有機皮膜，用以保護銅面處于常態(tài)環(huán)境中不再繼續(xù)生鏽（氧化或硫化等）；但在后續(xù)的焊接高溫中，此種保護膜又必須很容易被助焊劑所迅速趕走清除，如此方可使露出的乾淨銅面，得以在極短時間內(nèi)得與熔融銲錫立即結(jié)合成為牢固的銲點，此等可護銅抗銹的有機皮膜，一律稱之為”有機保護膜劑”(OrganicSolderabilityPreservatives)。
早期某些含松香(Rosins)或活性樹脂(ActiveResins)類，所配製的各種涂佈式預焊劑(Preflux)，即為此類OSP之先期產(chǎn)物。不過昔時單面板領(lǐng)域常稱為”整面處理”（整理銅面），是在銅面上涂佈上的一層物理性的有機保護膜；與后來美商Enthone公司首先利用坐類(Azole)化學品，與銅面直接反應(yīng)而生成”有機銅絡(luò)化物”的化學性保護膜，在原理上并不完全相同，但護銅保焊的效果上卻很類似，故目前也一律稱之為OSP。
Enthone企司利用Azole化學品（例如Benzo-Triazole）對銅面的保護技術(shù)，亦即業(yè)界知名的商品Entek，此乃出自IBM當年所最早使用的CU-56的暫時水性護銅劑。此種OSP經(jīng)過多年的歷練與改善，目前已有長足的進步，將來可能成為無鉛焊接時代，板面焊墊暨便宜又平坦的主要處理方法。
以下將按所用主要化學品的五個世代分別加以介紹：
（一）、苯基連三連坐Brenzotriazole(BTA)，第一代
此BTA可使銅面免于腐蝕與氧化的護銅方法，可追溯到1960年代IBM在其PCB製程中，保護銅面的暫時性皮膜CU-56（1%的BTA水溶液），后經(jīng)供應(yīng)商Enthone公司的繼續(xù)研究改進，而成為知名的Entek處理法(EnthoneTechnology)。以至目前仍有極多業(yè)者只曉得有Entek的商名，而不知有BTA的鼻祖學名。
BTA之所以能抗蝕護銅的原理，是因與銅材表面的氧化亞銅Cu20進行立即直接的反應(yīng)，進而生成高分子狀態(tài)有機銅式之錯合鹽類（Complexor太陸譯為絡(luò)合劑，比道接引用日文的錯合劑者，似要更為高明），下式即為其反應(yīng)過程的示意結(jié)構(gòu)，亦即于銅面形成多重薄膜的假想圖。此等BTA與氧化亞銅(Cu20)所形成的皮膜，屬牛透明性無色的皮膜（老化后變成褐色），在槽液中將會不斷長厚，與溫度、時間、pH等有關(guān)。1989年會有學者Tornkvist等人在”電化學學會期刊”發(fā)表專文，指出當BTA分子與氧化亞銅首先進行反應(yīng)的瞬間，BTA會以其分子中”三連坐之特殊方向性(Orientation)產(chǎn)生互動，并令其朝外而生成[Cu(I)BTA)n的長鍊，再配合其他吸附的機理下，即可形成平面狀分子膜而附著在銅面上。
以下為1996年6月“電路板資訊雜志”之P．80對于護銅劑BTA之文字解說：
所謂的BTA是Benzotriazole的縮寫，其正式學名為1，2，3-Benzotriazole，是指在1，2，及3位處有三個互相連接的偶氮，并形成5個碳的雜環(huán)化舍物，稱為“含氮之雜戊環(huán)”或稱吐系(Azole)之苯化物。
BTA是一種白色帶淡黃，無嗅之晶狀細粉，在酸及鹼液中都非常安定，且也不易發(fā)生氧化及還原反應(yīng)而相當安定。能與金屬形成安定的化舍物。此BTA不易溶于水，但能溶于醇類或苯類中通常可做為照片的保護膜或紫外線吸收劑。
十余年前美國著名的電路板化藥供應(yīng)商Enthone公司，將之溶于甲醇及水的溶液中出售，做為銅面的抗污抗氧化劑（tarnishandoxideresist}，商品名為ENTEKCU-55及CU-56，并得IBM的認可。后各的名氣很大，在國內(nèi)多數(shù)電路板廠多用其0.25%之稀水溶液當成護銅劑，在厚化銅完成后，只畢將板子浸入槽液30-60秒處理，然后以熱風吹乾即可得到良好的護得效果，無需再做刷磨而可直接完成影像轉(zhuǎn)移的工作（乾膜或印刷皆可），在進入二次銅前的稀硫酸活化清洗時，即可很容易將之除去，有助于銅與錦之間的結(jié)合附著力。
其高濃度(l%)的槽液浸漬處理，對裸銅的保護性更強，其至可代替噴鍚板(SMOBC)能做長期的護銅，對板子在裝配時的焊錫性表現(xiàn)，比之熔鍚、噴鍚、滾錫各褽程亦不遑多讓。本文即為IBM之研究專文，在“減廢”觀念漸盛，及電路板成本被逼降的今日，特將該全文漫譯以饗讀杏，做為製程改進的參考。
面氧化亞皮膜與BAT氧化亞銅生時生成皮膜時的假想立體圖

圖1、銅面氧化亞皮膜與BAT氧化亞銅生時生成皮膜時的假想立體圖。
若將上違BTA分子式三連氮的五角環(huán)的l位與2位t見前圖l，處，另外替換上其他的官能基時（例如甲基），則比起原始BTA的抑制效應(yīng)要減低若干。但將六角苯環(huán)中的4與5位的氫原子，替換上甲基(Methyl)時，則又比起原始BTA的抑制效果卻又增大了一些，如此一來一往的變化，將會使得皮膜在銅面上的吸附力更強，其抑制力強弱的順序可排列為：

圖2、此為BTA暫時性抗氧化護銅皮膜的施工流程圖。
下列流程圖即為BTA式有機保焊劑在裸銅表面所常見的生產(chǎn)流程：
由此等流程所得到的銅面保焊劑，厚度約40-140A(IA=O.lnm或1nm=10A)，在乾燥空氣中的保固壽命可達2年。但在高溼度的環(huán)境中，卻只能忍耐3-6個月而已。此種BTA式的銅面暫時性抗氧化保護劑，由于不耐高溫環(huán)境，根本無法進行2-3次或多次焊接，而且金手指表面上也會長出不該有的OSP皮膜，太厚時更將使得接觸導通(Contact)曼阻，或造成電測的困擾，目前已從可焊處理清單中淘汰除名，
（二）、咪唑類，第二代
此類第二代化學品常用者為“烷基咪唑”(Alkylimidazoles)，也可與氧化亞銅進行反應(yīng)而形成高分子狀的絡(luò)合物皮膜，目前本類僅做為單面板預焊劑(Preflux)之用。下兩圖即分別為其結(jié)構(gòu)式，及在銅面反應(yīng)所生成有機銅高分子保護膜的示性過程。
護銅薄膜結(jié)構(gòu)圖

圖3、左為烷基咪坐的結(jié)構(gòu)式。右為與銅面反應(yīng)后所生成有機銅式的護銅薄膜結(jié)構(gòu)圖。
此種OSP平均厚度很薄，只有IOOA(lOnm)而已，故不耐高溫的考驗，溫度愈高時保護性愈差，原因是銅面發(fā)生氧化的機會也愈大之故。下圖即為其高溫劣化后出現(xiàn)氧化銅并以其厚度為指標，比較其焊錫性的下降情形。故本劑配方者亦無法進行多次高溫焊接。

圖4、咪唑式護銅皮膜對高溫非常敏感，在經(jīng)150℃四小后氧化膜已厚達15μm，至于200℃經(jīng)2小時者就更增加到22～23μm之厚皮膜，此時當然無法繼續(xù)使用免洗錫膏去焊接了。
（三）、苯基咪坐Benzimidazoles(BIA)類，第三代
若將上述的Imidazole再予以衍生或替代上苯環(huán)時，則護銅效果更好。1970年時日本的四國化學公司(ShikokuChemicalsCo.)，即申請到Imidazole與Benzylimidazole兩種銅面保護劑的專利。后來1985年才開始在美國展開商業(yè)用途，例如麥特公司的M-Coat,Schering公司（后來併入Atotech的）Schercoat（即三和的CuCoat），Kester公司的Protecto，以及Enthone-OMI的Entek等。其中以EntekPlus在業(yè)界最為知名，甚互比OSP更為廣傳與熟稔。此種第三代Benzimidazole在銅面上也能迅速形成高分子式的“有機銅絡(luò)合物”，厚度可從100A到10KA不等，端視其反應(yīng)時間與狀況而定，但仍以0.3-0.4μm最為適宜，不過此世代之OSP會造成金面的變色，而遭到業(yè)者的反感，現(xiàn)已被淘汰。
（四）、現(xiàn)役衍生式苯基咪坐Substituted(SBA)類，第四代
1997年時IBM研究員Sirtori等，發(fā)現(xiàn)進一步”替代性”的苯基咪坐類（SubstitutedBenzlmidazole或AlkylBenzimidazole），其耐熱性比早先各種 Azole類都要好。于是這種新開發(fā)產(chǎn)品(2—butyl-5ChloroBenzimidazole)替代衍生式的Azole，就成為現(xiàn)役商品Entek106A的基本配方了。此種現(xiàn)役的OSP其標準操作流程，可以下違者為代表。

圖 5、現(xiàn)役各種品牌的OSP，幾乎都已改成取代型的BIA了，上列者即為業(yè)界所熟知Entek:Plus106A的代表性流程，其中微蝕非常關(guān)鍵。但更新型的106A(X)不沾金面者，則進入OSP主槽前須徹烘烤，以免將銅離子帶主槽（對Cu++的容忍度約在100～60ppm之間）。后續(xù)烘乾對成膜品質(zhì)亦極重要。
不過此Entek106A保護膜主反應(yīng)（OSPCoat），的藍色主槽液中，早先的配方需先行溶入銅離子，使于銅面反應(yīng)后形成淺棕色的皮膜。如此一來反應(yīng)雖較順利，但卻常在皮膜中會出現(xiàn)不均勻的變色或斑點。于是后來改進OSP主劑之無銅無色槽液者，皮膜均勻性才又變得較好一些。
此為四國化學改革后的SBA式第四代護銅膜，其機理與先前者很相似，此假想圖即為其銅面OSP保護膜的多層次結(jié)構(gòu)圖。

圖 6、此為四國化學改革后的SBA式第四代護銅膜，其機理與先前者很相似，此假想圖即為其銅面OSP保護膜的多層次結(jié)構(gòu)圖。
其改良方法是在主劑的前處理中，加一道AlkalinePrecoat的槽液預處理，如此不但使銅面生成的皮膜更為均勻，疏孔性(porous)亦大為減低，而且也不再會對某些金屬表面（如黃金或鋁面或鎳面等）生成不該有的薄膜，或造成斑駁狀的污染。更重要的是后續(xù)耐熱性方面也改善很多。一般現(xiàn)行商品應(yīng)可耐三次熔焊(Reflow)，但第三次沾錫時間(WettingTime)會變慢，因而須採用較強的助焊劑，才能順利驅(qū)走已老化的OSP皮膜。OSP所處理的空板由于裸銅墊面已有絕緣性有機銅的皮膜存在，故較不利于電測時探針的順利導電。但只要皮膜不致太厚時，銳利的針尖在稍大的壓力下仍可刺穿而到達銅墊，使得電測仍可照常進行。
此等現(xiàn)役的OSP商業(yè)製程，其配方中成份可分為七類，即：
(1)主反應(yīng)劑為烷基苯咪坐(ABI)。
(2)高級脂肪酸做為聚合皮膜之成形劑。
(3)稀釋劑，如甲酸乙酸等，均具強力刺激味。
(4)氨水做為中和與絡(luò)合劑。
(5)少量過渡金屬之鹽類。
(6)有機螯合劑。
(7)其他助劑等。
一般供應(yīng)商均宣稱其等產(chǎn)品在空氣中可耐三次高溫之熔焊（氮氣中還可更耐久），但已有皮膜的銅面則不可進行溶劑清洗，以免OSP皮膜慘遭傷害或剝除（如錫膏印刷不良而須工PA洗掉重印者）。通常經(jīng)過兩三次之高溫操作，OSP皮膜慘遭強烈氧化的折磨后，顏色會變得較暗，沾錫時間也為之不良性的拉長，甚至還需動用到強活性的助焊劑，才能將已老化的皮膜順利推走完成焊接。
就Pb-Free的焊接而書，其助焊劑原本就已加強為水性者(VOC-FreeWaterBasedFlux)，故對OSP皮膜的老化而書，還不至過份讓人擔心。至于原本弱活性的現(xiàn)行免洗助焊劑，似已無法因應(yīng)全新的困難局面。且由于Pb-Free焊接原本就先天不足，是故還不得不仰賴氮氣的協(xié)助以減少氧化，對于OSP皮膜而書已成為不可或缺的外援。未來各式PCBA的無鉛焊接領(lǐng)域，OSP絕對將成為板面可焊處理的主流之一。
（五）、面對無鉛焊接的ArvlPhonylimidazole類，第五代
無鉛焊接不但焊溫升高（平均30℃以上），而且焊時也拉長（熔焊時200,C以上約60秒；波焊時不但200，C以上吸熱段在60秒以上，且峰溫更高達265,C），造成現(xiàn)役的各種OSP阻擋不住銅的氧化。加以免洗助焊劑又軟弱不強下，想要3Pass之最后過關(guān)者，實在很困難。而且連各種BGA式的封裝載板，植球墊面也亟欲節(jié)省成本，正在打算改換掉電鍍金鎳，而以其他較便宜的可焊處理做為代打。在如此種種壓力與利益的交相誘迫下，于是02年以后的OSP又有了突破性的進步。
日商四國化學宣稱其第五代OSP的Glicoat-SMDF2(LX)已經(jīng)出籠，其特色有：(1)完全不沾金面，(2)裂解溫度高達354.7℃，號稱可耐3次無鉛焊接，(3)均可被各種免洗助焊劑所．能推開，(4)厚度還可減薄到0.2-0.3μm。
說明OSP在銅面快速成長過程中，也會在金面上緩慢著落，第四代后期幾乎可完全通過目檢二不必擦洗了

圖7、此圖說明OSP在銅面快速成長過程中，也會在金面上緩慢著落，第四代后期幾乎可完全通過目檢二不必擦洗了
(1)不沾金面（也不沾錫鉛面）
板面上經(jīng)常會有插接用插接的金手指，ENIG銲墊或?qū)|，以及載板正面打線用電鍍鎳金的環(huán)形排指，先前的各種OSP幾乎都會沾梁金面，以致必須事先的仔細南蔽而非常麻煩，否則事后的擦洗（用橡皮或異丙醇）更是耗損人力。第四代后期的OSP，雖然已經(jīng)做到金面之目視不變色而可以正常出貨了，其實那只是OSP（處理50秒）已薄到0.05μm而無關(guān)痛癢罷了，而并非完全不沾金。
然而當BGA載板正面鍍金后，其腹底另行製作此種單面OSP時，正面的電鍍金手指上，即使OSP薄到0.05似m也仍然會打不牢金線。必須要再用電漿去乾洗金面才行。不過如此一來又會劊薄了腹面待植球的OSP，進而造成高溫后焊性的不良。四國化學號稱其第五代的F2(LX)已完全不沾金面了。
三種OSP在金面上隨處理時間而著膜的比較

圖8、為三種OSP在金面上隨處理時間而著膜的比較

(2)可耐三次無鉛焊接
四國化學會說明其第二代OSP(GlicoatT)的裂解溫度僅255.4℃，到了1991年第四代OSP(GlicoatSMDE3)時已提升到了276℃，最新2002年的第五代OSP(GlicoatSMDF2LX)則更改善到了354.7℃。換句話說其護銅抗氧化的能耐已大幅增強，因而對未來無鉛焊接的3Pass有把握過關(guān)了。至于厚度方面亦可從原先的0.3-0.4μm減薄到0.2-0.3μm，對電性測試方面當然更為有利。且此種F2(LX)槽液中的溶劑已從蟻酸改成醋酸，分子量加大下?lián)]發(fā)減少，因而pH的穩(wěn)定性提高，使得成膜色澤的均勻性也頗有改善。
四國化學所公佈第五代Lx的裂解溫度高達354.7℃的情形

圖9、此為四國化學所公佈第五代Lx的裂解溫度高達354.7℃的情形

二、OSP工藝流程
反應(yīng)機理：
“衍生性”苯基咪坐(SubstitutedBenzimidazole)的槽液中，另加入刺激性很強的蟻酸（FormicAcid或醋酸AceticAcid}，故待加工的板類需在密閉式水平輸送線中進行製程。下列者即為銅面所形成皮膜的假想結(jié)構(gòu)式。式中胺基(AmineGroup-NH)上的氮原子(N)，會在清潔銅面上首先產(chǎn)生反應(yīng)，出現(xiàn)絡(luò)合共價鏈之單層結(jié)構(gòu)，隨即著落上一層BID的分子層。但若銅面不潔時，則該反應(yīng)將無法順利進行，也就長不出均勻的皮膜（此時之微蝕即扮演很重要的角色），之后其他的氮原子才又陸續(xù)與溶液中的銅離子形成另一層絡(luò)合物(Complexes)皮膜，事實上“Entek”之所以能夠讓銅面得以抗氧化而不銹，除了皮膜厚度的保護外，結(jié)構(gòu)式苯環(huán)上的鍊狀衍生物”RGroup”，亦另具疏水性或拒水性，可協(xié)助皮膜的抵抗外侮與防止氧氣的滲透。不過當此層強勁護銅皮膜面臨各種助焊劑的刻意攻擊時，卻仍可展現(xiàn)其毫不棧戀的迅速讓位；換句話說此種皮膜仍可被助焊劑所輕易移除，進而使清潔銅面得以展現(xiàn)良好的焊錫性。

圖10、此為先前美商Enthone所說明商品EntekPlus106A的皮膜結(jié)構(gòu),其中官能團胺基中的氮原子(N)首先與銅發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，一旦銅面遭到污染時則反應(yīng)就不易發(fā)生了。而被酸性槽液所溶出的銅離子，又會再被絡(luò)合劑所抓住,而形成后績有機金屬式多孔性的皮膜組識，如此不斷反應(yīng)增厚，即可形成淺棕色的皮膜。

厚度測試：
OSP皮膜之最厚度值須在0.35μm左右，太薄時將耐不住兩三次高溫環(huán)境強烈氧化的考驗，在焊錫性方面會有不良的影響。太厚時又不易被后來焊接助焊劑所迅速清除,其焊錫性當然就問題多多了；而且太厚的皮膜還會妨礙出貨前電測的進行oOSP厚度的測法以Entek1O6A為例,是將銅面試樣(3Ox55mm)上的皮膜,用5％的定量(25ml)稀鹽酸將之全部溶洗下來，然后利用”UV分光光度計”進行厚度(濃度)的檢測。該銅面試樣的皮膜溶液,利用”UV分光光度計”(SpectrOphOtOmeter)在270.0μm的波長位處置,可測出CU啊106A的濃度,再利用下述經(jīng)驗公式即可計算出厚度來,即：

外觀檢查
主槽液的老化與污染,或前后處理的不良,都會造成皮膜外觀的異常，也將會影響到后續(xù)的焊錫性與焊點可靠度。正常的皮膜將呈現(xiàn)均勻灰棕色的銅面,或稍呈深灰色及不均的銅面,顏色太暗或嚴重斑點者則無法允收,所附四圖即為EntekPluS之原始參考資料。

四圖為Enthone公司特別為Entek Plus 106A處理后銅面所提供目檢對比的彩色畫面。

圖11、上列四圖為Enthone公司特別為Entek Plus 106A處理后銅面所提供目檢對比的彩色畫面。


三、市場現(xiàn)況
由于密距小墊的盛行，墊面的可焊處埋層必須平坦,加將到來,致使噴錫製程幾乎已無明天了!平坦可焊的各種現(xiàn)行處理中，又以O(shè)SP製程最簡單成本最低利益的誘因下，OSP技術(shù)在日本已有長足的進步,連創(chuàng)始的也都引用日商的專利。日商中以三和研究所及四國化學兩家廠商最為領(lǐng)先。
兩位重量級的人士橘大吉與山口謙一,十余年前曾在四國化學任職，彼時二人即對OSP的創(chuàng)新著力甚深，并申請到多項專利。后三和研究所,另採用新配方并己在日本業(yè)界闖出名號，將來一番短兵相接劇烈競爭的場面。為了無鉛焊接，業(yè)界目前最迫切需要突破的障礙,就是OSP經(jīng)過三次空氣中高溫模擬熔焊后(260℃以上至少60秒),其歷經(jīng)老化折磨的護銅皮膜,是否仍可被柔弱的免洗助焊劑所輕易推走，而讓清潔銅面迅速接受焊接,確實是前所未見的嚴酷調(diào)整，一旦成功則OSP必定錢途大好希望無窮：
(1)英商Cockson的EntekPI_+US106A(X)一此即金面不再變色新型OSP(其實此OSP很薄僅約0.05μm而已)，且其他各方面的表現(xiàn)也比原來的106A還要好。目前在臺業(yè)務(wù)是由分店自己經(jīng)手。
(2)日商四國化學的Glicoat-SMDF2(LX，一此為2002年該公司推，出不沾金面的最新OSP，對于手機板選擇性ENIG處理后，其后續(xù)銲墊的OSP處理非常有利。據(jù)其技術(shù)資料宣稱，此產(chǎn)品筒可適用于免洗錫膏之無鉛焊接，不知是否可通過三次無鉛焊接的高溫的考驗，目前臺灣代理商為伊希特化。
(3)日商三和研究所SanwaLab．的CuCoatGV一為Glicoat-SMD的原始研發(fā)者，離開四國化學后所另創(chuàng)的公司，臺灣代理商為“微實化學”量產(chǎn)線已有四到五條左右。
(4)日商田村電研TamuraKaken的SolderiteWPF-207一此一般性的OSP在臺代理商為申晶企業(yè)，且亦另有不沾金面的WPF-21，可專用于選擇性ENIG的手機板。
(5)日商美格MEC的MECSALCL-5824S一其在各業(yè)務(wù)系自己分店經(jīng)手，并未假手代理商。
(6)日商上村工業(yè)Uyemura的OEX-308一此為最新上陣的尖兵，效果如何筒待時間的證明。

https://www.nodsmt.com