【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第53页
率 远 高于 X-Y 平 面， 尤 其 当温 度高于 T g 时。 Z 轴 的 膨胀 对 镀 覆孔 和 导 通 孔 可 靠性 有 极 大的 影响 。 表 5-1 显 示了各 种 增 强 树脂类 的 环 境 性质 。所有 的 热 膨胀是以 每 摄 氏 度 温 度变 化 产 生 的 每百 万 分 单位的 变 化来 度 量的。 5.2.3.2 玻璃化温 度 玻璃 化 温 度 是 增 强材料和 树脂系统 从 线性系数热 膨胀 转 化为 膨胀速率…
5.2.2 增强材料 增强材料提供了尺寸的稳定
性和大部分有机基板层压板的机械性能，以下
是一些更常用的增强材料。
5.2.2.1 玻璃纤维布 玻纤布是PCB基板最常用
的增强材料。它们使用广泛并且加工相对容易，
可以得到许多不同厚度和织法的玻纤布。玻璃的
化学成份会有变化并且会影响电气性能。目前E
类型的玻璃纤维是印制板基板最常用的玻璃纤
维布。
5.2.2.2 玻璃毡 玻璃毡或非编织
玻璃纤维毯常
被作为氟树脂的增强材料，普遍用于低损耗、
射频或微波应用。这种材料有时也可见于成型
层压板。
5.2.2.3 芳纶布 芳纶布已用于增强某些层压板。
特别的是，它在X和Y方向有负膨胀系数，有助
于抵消树脂的面内CTE。由于作用相反的膨胀
和收缩，此层压板材料组合能近似地匹配陶瓷的
CTE。然而，芳纶布材料一个缺点在于其在Z轴
方
向上的CTE比玻璃纤维高，当温度变化时会
导致周围树脂发生断裂，沿着纤维表面留下微
裂纹。
5.2.2.4 芳纶纸 由于缺少制造资源，无纺芳纶
纸的供应量已减少了。芳纶纸在许多多层层压
板制造中得到了有效的使用，它们具有芳纶布
的大部分优点并有更高的工艺宽容度。它们通
常用于印制板表面或靠近表面的薄芯层，以便
更好地控制热膨胀系数。由于芳纶纤维是有机
的，
具有更易于被激光切割处理的额外优点，
并且孔加工也可以使用等离子蚀刻处理。该材
料的这种有机性质也可助于保持低介电常数。
5.2.3 层压板材料性质 各种各样的材料性质对
BGA基板制造时层压板的选择很重要。
5.2.3.1 热膨胀 热膨胀通常根据X-Y平面内的
变化来表征，基本受控于材料的增强程度。X-Y
平面内的膨胀将对表面贴装
元器件及其可靠性
产生最大的影响。热膨胀也会发生在Z轴且膨胀
表5-1 普通介质材料的环境性能
环境性能
材料
FR 4
（环氧树脂，
玻璃纤维）
多功能
环氧树脂
⾼性能
环氧树脂
双马来酰亚胺三
嗪/环氧树脂 聚酰亚胺 氰酸酯
热膨胀系数，XY平面，CTE(XY)
(ppm/°C)
16–19 14–18 14–18 ~15 8–18 ~15
热膨胀系数，低于T
g
1
时Z轴方向，
CTE(z,<T
g
) (ppm/°C)
50 – 85 44 – 80 ~44 ~70 35 – 70 ~81
热膨胀系数，高于T
g
1
时Z轴方向，
CTE(z,>T
g
)(ppm/°C)
240 – 390 240 – 390 240 – 390 TBD TBD TBD
Z轴热膨胀，TE(50–260°C)(%) 3.0 – 4.5 2.5 – 4.0 2.0 – 3.5 TBD TBD TBD
玻璃化温度
2
T
g
(°C) 110 – 140 130 – 160 165 – 190 175 – 200 220 – 280 180 – 260
分解温度
3
Td (5%)(°C) 310 – 330 320 – 350 330 – 400 ~334 ~376 ~376
焊接温度影响指数
4
，STII 170 – 205 200 – 220 215 – 260 TBD TBD TBD
弯曲模量(Gpa)
纬线
5
经线
6
18.6
12.0
18.6
20.7
19.3
22.0
20.7
24.1
26.9
28.9
20.7
22.0
抗拉强度(Mpa)
纬线
5
经线
6
413
482
413
448
413
524
393
427
482
551
345
413
吸水率(wt%) 0.5 0.1 0.3 1.3 1.3 0.8
1. CTE (z,<T
g
)也称为α1，CTE(z,>T
g
) 称为α2。其它材料的具体值请联系供应商；
2. 玻璃化温度可通过三个不同的方法(TMA, DSC, DMA)来测量。若以评估可靠性为目的，通过TMA所得的值最贴切。通过这三个方法得到结果
的粗略关系为T
g
(TMA)≈T
g
(DSC) -10°C ≈ T
g
(DMA) -20°C。其它材料的具体值请联系供应商；
3. 分解温度可以测量出两种不同的失重值，Td (2%) 和 Td (5%)。Td (5%)更常用，但Td (2%)因为它更实用而变得很流行。其它材料的具体值请联
系供应商；
4. 焊接温度影响指数STII，定义为 STII = T
g
/2+Td/2- (TE% (50至260°C) x10)；
5. 纬线-横向织入织物的纱线；
6. 经纱（织物）-纵向织入织物的纱线
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率远高于X-Y平面，尤其当温度高于T
g
时。Z轴的
膨胀对镀覆孔和导通孔可靠性有极大的影响。
表5-1显示了各种增强树脂类的环境性质。所有
的热膨胀是以每摄氏度温度变化产生的每百万
分单位的变化来度量的。
5.2.3.2 玻璃化温度 玻璃化温度是增强材料和
树脂系统从线性系数热膨胀转化为膨胀速率高
很多的材料性质。玻璃化温度（T
g
）表明了树
脂的分子结构由玻璃态转化为无定形态的温度
范围；这些不同的分子结构可导致非常不同的
物理性质，这种情况多发生在树脂系统的温度
超过其固化聚合态时。当规定温度以更快速率
升高时，通常在Z轴方向上材料会膨胀，尽管仍
保持为线性关系（mm/mm厚度）。表5-1表示多
种类型材料的玻璃化温度下的一些特
质。图5-2
以图示的方法解释了此概念并展示了不同树脂
可能如何表现。
不同树脂制成的层压板的玻璃化温度不同，导
致耐高温能力不同。温度高的无铅工艺需要更
高性能的层压板，这些层压板价格通常更高。
玻璃化温 度 可通过 三种 方 法 （TMA、DSC、
DMA）测量。通过TMA法 得到的数据与可靠
性问题的评估是最相关的。此三种方法得到的
数据关系可非常粗略地表示为：T
g
(TMA)≈T
g
（DSC）-10°C≈T
g
（DMA）-20°C。
5.2.3.3 吸湿性 大部分有机材料具有某种程度
的吸湿性，并会以不同速率吸收水分，某些材
料的吸水速率相对较快。湿气的吸收改变了材
料的电气性能，比如损耗正切、材料的工艺特
性，因为排气会引起气泡。它也会影响物理尺
寸和层压板重量。因此，可以用一个简单的方法
来确定吸湿性，在已定义的潮湿暴露
条件下，
通过记录重量的增加来确定材料吸收的水分。
表5-1展示了本章节所重点说明过的各种材料的
重量与水分吸收速率的关系。IPC-6101定义了
减少吸湿性的包装标准和确定印制板中水分含
量的测试程序。
5.2.3.4 ⽆铅⾼温焊接的可靠性问题 无铅焊料
焊接需要较高温度，这带来了印制板树脂的耐
久性和印制板电路板互连结构（如镀覆孔和导
通孔）的完整性相关的可靠性问题。在此方面最
重要的性质为分解温度、热膨胀和玻璃化温度。
分解温度（T
d
）是树脂开始进行不可逆的分解
并损失重量时的温度；通常重量损失2%或5%时
测到的温度。温度范围为50-260°C的热膨胀，
TE％（50-260°C），是玻璃化温度上下热膨胀的
复合。
IPC-7095c-5-2-cn
图5-2 T
g
以上温度膨胀率
膨胀率
T
g
-1
T
g
-2
树脂层压体系1
树脂层压体系2
温度
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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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