【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第54页
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 、…
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
2013年1月 IPC-7095C-C
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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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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
2013年1月 IPC-7095C-C
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