【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第55页
个月。 OSP 涂层 与 锡 铅焊 料和 无铅焊 料 均兼容； 但 在 无铅焊 接时 必须 要 使用 针 对 无铅焊 料 设 计 的 OSP 涂层 。 平整 的 OSP 表面有 效 地 减少 了 模板印 刷 和 元器件 共 面 度问题 。 由 于 OSP 涂层 表面 保 持 着 像铜 一 样 的 外观 （ OSP 涂层 是透 明 的） ， 焊膏印 刷错 误 可 以 通 过增加 的 色差 对 比 而 更容 易辨 别 。 如果 使 用 酒 …
这三 种 性质的 影响可 以 整合为焊接温度影响
指数（STII），定义式为STII = T
g
/2 + Td/2–(TE%
(50-260°C) 10)。
5.3 表⾯处理 表面处理的主要目的是为了防
止印制电路板裸露铜箔的氧化；这为了确保元
器件贴装或插入时表面是可焊接的。表面处理
也有其它用途，包括：为探针、触点和开关、金
属线键合提供可靠的接触平面以及为焊膏印刷
的提供平整的表面。尽管BGA是本文的重点，
在选择最适合的表面处理时，其它元器件和组装
操作必须加
以考虑。
由于没有一种理想的表面处理能适合所有应用
的要求，表面处理解决方案的研究需要持续改
善。表5-2给出了在选择合适的表面处理时一些
必须考虑的应用特点。因为人手上的盐分会对
表面处理造成损害（特别是OSP表面处理），所
以对PCB的操作方式很关键。作为一条通用准
则，印制电路板只能拿取它们的边缘。对任何
表面处理的板子要达到最
大的贮存寿命，就要
求其有适当的包装和贮藏。
5.3.1 热风焊料整平（HASL）在此制程，印制
板成品以垂直或水平的方式浸入熔融焊料槽中
（约为260°C），再用热风将多余的焊料吹离或
整平，该工艺由此得名。HASL是印制板经历的
第一次热应力冲击。当印制板结束此工艺之后，
任何湿润或不湿润的迹象都会立即显现
出来。
5.3.1.1 锡铅热风整平 锡铅HASL曾经是印制
电路板的主要表面处理方法。然而涂层厚度均
匀性是SMT和BGA元器件的主要关注点--焊料
厚度的变化范围为0.8至0.38μm。通常来说太薄
的涂层厚度是不可接受的，因为较薄的焊料涂
层会完全转化为锡-铜金属间化合物，造成可焊
性极差的情况。锡铅HASL涂层厚度变化范围大
也
会导致元器件共面度和焊膏印刷问题。不均
匀的表面会给焊膏印刷带来更大的难度，因为
印刷时模板和印制板间很难密封，密封不好会
导致焊料泄漏到模板底部。这个结果会导致更
高的模板清洗频率和潜在桥接不良的增加。
锡铅HASL与SMT、BGA和通孔元器件兼容，但
不能进行导线键合。它可与大部分阻焊膜兼容。
使用锡铅HASL处理的印制板的保存期
限为12个
月，通常可在不影响可焊性的情况下承受4到5
个热循环，锡铅HASL只能用于锡铅焊料。
5.3.1.2 ⽆铅HASL 由于锡铅HASL不符合RoHS
规定，因此已转到无铅HASL。无铅HASL最可
能的替代材料是锡铜合金（熔点227°C），或锡
银铜合金（熔点217°C）。锡银铜合金具有熔点
温度较低的优点，锡铜合金成本则较低廉。一
些无铅合金也会
加入少量镍。所有高锡合金的
价格都高于作为被替代者的锡铅合金，因为原
来的低成本材料（铅）被替换成了高成本材料
（锡和银）。
无铅HASL可与SMT、BGA和通孔元器件兼容，
但无法进行金属线键合。它可与大部分阻焊膜
兼容。使用无铅HASL处理的印制电路板的保存
期限为12个月。通常来说其在不影响可焊性的
情况下可承受4至5个热循环。无铅HASL只能使
用无铅焊
料进行焊接。
对那些需要采用无铅工艺的应用，无铅HASL是
理想的替代。这种表面处理方式比锡铅HASL更
为光滑和平整（见图5-3）；然而密节距元器件的
镀层厚度均匀问题仍然需要解决。无铅兼容性层
压板能容许没有明显降级和不可接受翘曲（拱
曲和扭曲）的涂层工艺。极薄板在所有HASL工
艺中仍旧会遇到很大的问题，可能需使用夹具
来解决。
5.3.2
有机表⾯保护（可焊性有机保护）OSP
膜 OSP是一种抗氧化有机化合物涂层（比如苯
并咪唑化合物），用于覆盖外露铜表面以防止氧
化。OSP一般是一种水性有机化合物，选择性地
与铜结合形成能保护铜并保持其可焊性的有机
金属层。有 多种化学物质可供OSP使用，一 些常
见的如苯并三唑、咪唑、苯并咪唑，这些涂层一
般通过浸入和喷涂法来施加。只要制程能受控
并且实现涂层均匀，两种方法都是有效的。涂
层厚度的变化范围可由较薄的0.2μm变化至相对
厚的0.5μm。当需要进行多次再流焊循环和／或
两面焊接间隔时间较长时（最大时间24小时），
应优先使用厚OSP涂层。
OSP涂层可与SMT、BGA和通孔元器件兼容，
但不能进行金属线键合。
OSP涂层与阻焊膜的兼
容性通常也不会是个问题。如果储存合适的话，
表面涂有OSP层的印制电路板的保存期限为6至9
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个月。OSP涂层与锡铅焊料和无铅焊料均兼容；
但在无铅焊接时必须要使用针对无铅焊料设计
的OSP涂层。
平整的OSP表面有效地减少了模板印刷和元器件
共面度问题。由于OSP涂层表面保持着像铜一样
的外观（OSP涂层是透明的），焊膏印刷错误可
以通过增加的色差对比而更容易辨别。如果使
用酒精或其它溶剂洗掉PCB上错印的焊膏，同
样也会清洗掉OSP
层，这会增加铜氧化的风险从
而影响可焊性。但是如果有必要，这样的板可
以重新涂覆涂层。不建议对OSP电路板进行清洗
或擦拭，而应根据IPC-7526的做法进行处理。
OSP涂层有一些潜在的工艺问题。由于多次再流
焊循环后OSP层会退化，波峰焊接时通孔的完全
填充可能会很难实现，特别是使用免清洗助焊剂
的情况。在氮气氛围中进行再流焊接
是限制OSP
退化程度的一个好方法。这种方法可以减少在
波峰焊接时通孔填充发生问题的风险。波峰焊
接时在锡炉上方保持氮气氛围也是一个好的方
案。在再流焊过程中，焊膏应该覆盖整个连接
盘表面以避免在靠近边缘的连接盘出现退湿润
外观；尽管这只是外观现象，却常常会引起问
题。由于探针刺穿OSP涂层有一定困难，因此ICT
在线测试可能会
存在问题；测试连接盘应该有
焊料覆盖（再流焊接或波峰焊接）以提供理想
的接触面。
5.3.3 贵⾦属涂层 由于RoHS指令中强制要求
消除电子焊料中的铅，即使某些金属的价格已
表5-2 各种表⾯处理板⼦的关键属性
HASL
锡铅/锡铜 OSP 化学镀镍/浸⾦电解镍/电镀⾦ 浸银 浸锡
存贮寿命
操作适当
1年 6–9个月 1年 1年 6–9个月 6个月
操作 正常 避免物理接触 正常 正常 避免物理接触 避免物理接触
SMT连接盘表面图形半球形/不平平整平整平整平整平整
多次再流循环（2X）
后的可焊性
好好好好好好
多次再流循环（2X）
后的孔填充
好
两次再流后可能
有问题
好好好
两次再流后可能
有问题
厚印制板上使用
不用。通孔难于
填充和清除
可用
镍改进通
孔
可靠性
镍改进通孔
可靠性
可用 可用
薄印制板上使用
不用，易发
生翘曲
可用 可用 可用 可用 可用
焊点可靠性 好好
BGA“黑焊盘”
问题
金脆问题
平面微通孔问题 好
零星脆性断裂失效
卡边缘接触 额外电镀作业 额外电镀作业 额外电镀作业
不需额外电镀作
业
额外电镀作业 额外电镀作业
金属线键合 不用 不用 不
用 不用用不用
测试点探测 好
不好，除非组装
过程中上焊料
好好好好
组装后露铜 不会
会，沿连接
盘边缘
不会 不会 不会 不会
开关/触点 不用 不用用用用不用
PCB制造时的废物处
理和安全性
差/一般 好 一般 一般 好好
工艺控制 厚度控制问题 好磷含量问题 金厚度控制问题 好厚度控制问题
电镀层厚度/μm 0.38 – 0.8 0.2 – 0.5 0.05 – 0.10 0.8 – 2.5 0.07 – 0.10 1.0 – 1.3
总成本比较 1.0 0.4 – 0.6 2.0 – 3.0 2.0 – 3.0 1.1 – 1.6 1.0 – 1.5
无铅
锡铅
图5-3 表⾯热风整平（HASL）表⾯拓扑结构⽐较
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超越了历史高点，贵金属涂层仍被越来越多地
用于印制电路板表面处理，因此贵金属涂层的
成本通常高于其它涂层。
5.3.3.1 化学镀镍/浸⾦（EIG）化学镀镍/浸
金表面处理是在印制电路板外露铜的表面上，
先沉积 一 层 镍 层 ，随 后 沉 积 一 层薄的金保护
层。浸金的薄层通过阻止高活性的镍表层氧化
以保持其可焊性。镀镍层的出现使得在多次再
流焊
、波峰焊接和手工焊等循环期间，给镀覆
孔孔壁提供了额外的强度。IPC-4552 化学镀镍/
浸金镀层规范，是一本有价值的参考文件。
EIG与SMT、BGA和通孔元器件可兼容。EIG
处理的表面被认为不是金属线可键合的表面。
使用EIG镀层的印制电路板的保存期限为12个
月。通常来说，它在不影响可焊性的情况下，
可以承受4至5个加热循环。
EIG与锡铅和无铅
焊料均兼容，其形成的平整表面可以减少模板
印刷和元器件共面问题。
EIG应用可采用各种化学方法进行，取决于使
用的化学方法，其导致的结果可能会不同。另
外，所使用化学物质和工艺可能会与某些阻焊膜
不兼容。在化学镀镍工艺中所使用的还原剂含有
磷或硼。在化学镀镍沉积的镍还原过程中，无
论是磷还是硼会都会结合在镍沉积中。
这些共
沉积元素含量水平应该控制在规定的范围内。
过高的磷或硼的含量，超出规定的范围，可能
会对可焊性和焊点可靠性产生负面影响。
许多厂商已成功运用EIG。然而，当BGA使用
化 学 镀镍/ 浸 金表面处理时，结果有时不可预
测。近几年出现了两种失效模式，第一种失效
模式是被称为“黑焊盘”的不润湿或退浸润情
况。图5-4展示了由黑焊盘相关的
失效而引发的
裂纹位置。这种失效介于镍和镍锡之间的金属
间化合物中（不是在焊球与镍锡金属间化合物
之间）。
第二 种 失 效 模式是 与 机械应力有关的界面断
裂，这种失效会发生在BGA焊球和镍锡金属间
化合物之间。图5-5举例强调了这两种失效模式
的差异以及它们出现的位置。
从行业协会和个别公司的研究结果表明，“黑
焊盘
”是在浸金镀层工艺时由于化学镍镀层的
过度攻击（过度腐蚀）造成的。当它们以金属
金的形式析出时，电镀液中的金离子吸引金属
镍表面电子；相应的，镍离子被释放到电镀槽
中。由于某种微结构特征，例如涉及的晶粒边
界和电化学，这种置换并不会一直局限在某一
处发生，即金元素的沉积区域与镍离子的释放
区域并不一定会相
同。这种工艺可能的后果是
所选的镍区域会被侵蚀，而留下与焊料形成键
合薄弱的粗糙的富磷层。受此影响的焊点不会
与 印制线路 板形成强健 的 机械连接。其结果
是，即使作用相对较小的外力也能使焊点失效，
暴露的连接盘上几乎没有焊料遗留。连接盘上
Cu
Ni
裂纹
镍-锡金属
间化合物
BGA焊球
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图5-4 与⿊焊盘相关的断裂，镍与镍-锌⾦属间化合物
层之间的裂纹
裂纹界面
裂纹界面
焊料
镍-锡金属
间化合物
Ni-P
Ni
Cu
(a)
(b)
焊料
镍-锡金属
间化合物
Ni-P
Ni
Cu
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图5-5 裂纹位置 a)与⿊焊盘相关的失效和 b)使⽤EIG
表⾯处理的断裂界⾯
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