IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第46页
芳纶 布 的大部 分优点 ， 通 常被 用于 薄 芯层 ， 处 于 或 靠 近 多层 印制板的表面 以便更 好 地控 制 CTE 。 由 于 芳纶 纤 维是 有 机 的， 具 有 更 容易 被 激 光切割加 工的 额 外优点 ， 也 可 以 使用 等 离 子 蚀刻作孔加 工。 这些 材 料的有 机性 质 可 帮助 保 持 低 的 介 电 常 数 。 5.2.3 ⾼温 ⽆ 铅 制程焊接的可靠性 问题 无 铅 焊接制程 高温 的要求， 带 …
5.2 安装结构的特性 BTC元器件的安装结构
与其它许多不同封装结构需求元器件的结构相
同。这些结构使得安装结构复杂化，从而要确
定树脂、加固材料以及在很多应用情况下让元
器件附着的表面金属层的结构。
PTH导通孔连接PCB散热焊盘到任何适合的PCB
內部电气平面。对于双面板来说，非盖孔PTH
导通孔在混合组装的波峰焊接时，焊料有可能
爬到PCB板的正面造成第二次再流，可能导致
开路和短路。因此PTH导通孔应该需要镀层封
闭，用环氧基树脂填充
或用阻焊膜覆盖，来防
止由于PTH导通孔在再流焊制程时焊料吸入影
响低外形的间隙高度。但是对导通孔的封闭制
程会增加PCB成本。
为了达到最好的散热性能，使用最大数量PTH
孔是一个好的方法，但是重要的是要注意到这
会影响PCB散热焊盘的焊接面。推荐的导通孔
图形是0.3mm、中心孔钻直径为1mmPTH孔，但
是更小的孔径也被采用。高密度的导通孔可改
善散热性能，在相同图形下，较大的导通孔
有
良好的可焊性。
5.2.1 树脂系列 有许多不同的树脂系列适用
于有机层压板结构。传统的树脂系列值得信赖，
已有很长的历史为人们所熟知。然而为了符合
欧盟无铅法规，已开发许多新树脂以满足高温再
流焊的组装需求。测试方法也得到很大发展。
如T
d
(分解温度)和T260、T288、T300(分层时
间)，要量化材料的属性以符合欧盟新法规。一
些新树脂系列归类在IPC-4101中，如4101/99，
/101，/121，/124，/126和/129。
5.2.1.1 环氧树脂 有许多不同的树脂系列被用
于生产印制板的基材。环氧树脂属于有机树脂，
具有很长的使用历史，也是PCB最常用的树脂之
一。在合理的成本内，它具有良好的物理、电
气和
加工特性。表5-1提供了一般的特性。更高
的耐温能力的环氧树脂已得到开发并运用于无
铅应用中，同时成本低廉。
5.2.1.2 聚酰亚胺 聚酰亚胺在当今采用的树脂
板中能承受最高的工作温度。这种材料在军事
应用上最受欢迎，因为现场返工及维修中会使
用到不受控的焊接工具。由于聚酰亚胺的玻璃
转化温度高，当使用不受控的烙铁拆除或更换
元器件时，它可提
供安全边际和可能性来降低
损坏板子的风险。表5-1概括了一般的特性。
5.2.1.3 双马来酰亚胺三嗪树脂 双马来酰亚胺
三嗪树脂或BT树脂是包括BTC元器件在内的一
些半导体封装结构的最好选择。因为它结合了
在合理成本下耐高温能力的优点。表5-1提供了
它一般的属性。
5.2.2 加固材料 加固材料可以使有机层压板
外形尺寸和许多机械特性保持稳定。以下是一
些很普遍使用的
加固材料。
5.2.2.1 玻璃纤维布 玻璃纤维布是印制板基材
中最常用的加固材料。这种材料到处都有，加工
相对容易，可以选择不同的厚度和编织物。由
玻璃纤维做成的化学品变化多样，从而影响电
气特性。目前，E类型的玻璃纤维是印制板基材
中最常使用的玻璃纤维布。
5.2.2.2 玻璃毡 玻璃毡或非编织玻璃纤维席常
被作为氟树脂的加固材料，普遍应用于低损耗、
射频或微波场合。也有见应用于成型层压板，
但是
这种技术不是很普遍。
5.2.2.3 芳纶织物 芳香族聚酰胺织物已被用于
加固某些层压板。特别之处是，它在X和Y方向
有负 热膨胀系数，能帮助抵 消 平 面内的树脂
CTE。由于膨胀与收缩的反作用，这种化合物
层压材料的CTE基本与陶瓷一致。然而，这些
材料有一个缺点，芳纶在Z方向上比玻璃纤维有
更大的CTE，热传递时使树脂断裂，在纤维表
面留下微裂纹。
5.2.2.4 芳纶绝缘纸 由
于缺少货源，无纺芳纶
绝缘纸的供应量已大为减少。芳纶纸在许多多
层板制造中得到了有效的使用，它们具有纬纱
IPC-7093-5-1-cn
图5-1 典型的HDI叠层，2+4+2结构
2011年3月 IPC-7093-C
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芳纶布的大部分优点，通常被用于薄芯层，处
于 或 靠 近多层印制板的表面以便更好地控制
CTE。由于芳纶纤维是有机的，具有更容易被
激光切割加工的额外优点，也可以使用等离子
蚀刻作孔加工。这些材料的有机性质可帮助保
持低的介电常数。
5.2.3 ⾼温⽆铅制程焊接的可靠性问题 无铅
焊接制程高温的要求，带来了对PCB树脂的耐
久性以及PCB互连结构的完整性(比如镀通孔和
导通孔)可靠性的
担忧。
在这方面 最重要的性质是热膨胀、玻璃转化温
度和分解温度。热膨胀范围是50-260°C，TE(50-
260°C)是 低 于 或 高于玻璃转 化温度热膨胀的
复合。玻璃转化温度(T
g
)是处于非晶态区的非晶
态聚合物或半晶态聚合物，从其坚硬而相对脆的
状态转化为粘糊或胶状时的温度。这些不同的
分子结构导致差异很大的物理性质，见图5-2。
分解温度(T
d
)是从树脂产生不可逆分解而导致
重量损失时的温度，一般当失重2％或5％时测
得的温度。
这三个特性的综合为焊接温度影响指数STII，
STII 的公式如下 ：STII = T
g
/2 + T
d
/2 — (TE%
(50-260°C) x10)，这公式与材料T
g
、T
d
及热膨
胀特性有关。见表5-1。
这里： T
g
：层压板玻璃转化温度
T
d
：材料分解温度
TE：从50°C变化到260°C时热膨胀百分比
5.2.4 热膨胀 热膨胀通常根据X-Y平面内变化
来定性，基本上受控于材料的加固程度。X-Y方
向膨胀将对表面贴装元器件及其可靠性产生最
大的影响。特别是当温度高于T
g
时，热膨胀也会
发生在Z轴方向且大大高于X-Y平面的膨胀率。
Z轴的膨胀将对镀通孔和导通孔可靠性有最大的
影响。
表5-1显示了各种加固的树脂类型。热膨胀是以
每 温度变化产生 的 百 万 分 之体积变化来度量
的。
表5-1 普通电介质材料的环境性质
环境性质
材料
FR-4
(环氧树脂
E-玻璃)
多功能
环氧树脂
⾼性能
环氧树脂
双马来酰亚
胺三嗪树脂 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，Z轴低于T
g
1
CTE(z,<T
g
)(ppm/°C)
50-85 44-80 ~44 ~70 35 - 70 ~81
热膨胀系数，Z轴高于T
g
1
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
玻璃转化温度
2
T
g
(°C) 110 - 140 130 - 160 165 - 190 175 - 200 220 - 280 180 - 260
分解温度
3
T
d
(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)
纬纱
5
经纱
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
拉伸强度(Mpa)
纬纱
5
经纱
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
注：
1. CTE (z,<T
g
)也称为α
1
，CTE(z,>T
g
) 称为α
2
。其它材料的特定值请联系供应商。
2. 玻璃转化温度可以由三个不同的方法(TMA、DSC、DMA)来测量。若以评估可靠性为目的，则TMA所得到的值是较为可靠的。通过这三种方
法所得到结果的大致关系为T
g
(TMA) ≈ T
g
(DSC) -10°C ≈ T
g
(DMA) -20°C。其它材料的特定值请联系供应商。
3. 分解温度可以测量出两种不同的失重值，T
d
(2%)和T
d
(5%)。T
d
(5%)是较为常用的，而T
d
(2%)因其更实用而被广泛采用。其它材料的特定值
请联系供应商。
4. 焊接温度影响指数STII，STII = T
g
/2 + T
d
/2 — (TE% (50-260°C) x10)。
5. 纬纱，就是纤维横向编织的纱。
6. 经纱，就是纤维纵向编织的纱。
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5.2.5 吸湿性 大部分有机材料具有某种程度
的吸湿性，而以不同的速率吸收水分，某些材
料吸收水分相对迅速。水分吸收可改变材料的
电气性能，比如损耗正切、材料的工艺性能，
当排气时会导致起泡。它可影响物理尺寸和层
压板的重量。因此，可以用一个简单的方法来
确定吸湿，在定义好的水分含量状况下通过记
录重量的增加来确认材料已经吸收的
水分，表5-
1表示本节所提到的各种材料按重量显示的吸水
率。
5.2.6 平整度(拱曲和扭曲) 1.5mm、2.25mm和
3.0mm厚度的板子共面性会有差异，尤其是组装
BTC类型的元器件时。平整度根据层压板或成品
印制板的长宽测得。术语拱曲适用于定义零件最
长的尺寸，而扭曲是横跨零件对角线的长度。
这些要求通 常以距离的容许 百分比来定义。
因此，印制板的允许拱曲被规定为长边尺寸的
0.50％。
但是关
于组装BTC元器件后平整度的关键，需
要通过阴影叠纹影像技术对局部平整度进行评
估。这种技术允许在室温下进行局部平整度测
量，也可以在无铅焊接条件下的高温(如260°C)
下测量。当贴装端子数量多的BTC元器件到板
上某局部区域时，传统的测量整板平整度的技
术不能反映出问题。
5.3 表⾯处理 印制板表面处理有几个功能，
它们包括：可焊性的提供和防
护，为触点/开关
提供可靠的接触面，线键合表面和焊接互连。
虽然本标准主要研究BTC元器件，但是在选择
最合适的表面处理时也要考虑其它元器件和线
路板的组装要求。没有一种表面处理能很好地
适合所有应用要求。
因为没有一种表面处理能很好地适合所有应用
要求，所以要不断研究改进表面处理方案。一
些表面浸镀处理可以满足许多元器件混合组装
场合，特别是浸银。组装BTC元器件的重点是
IPC-7093-5-2-cn
图5-2 材料热膨胀⽐较
材料
铝材质散热器
铜
环氧“E”玻璃
BT-“E”玻璃
聚酰亚胺“E” 玻璃
L.C.C.C.*
CTE范围
CTE (PPM/ °C)
17 18
1513
1412
1412
1311
氰酸脂-“S” 玻璃
铜-因瓦-铜 聚酰亚胺“E”玻璃
无纺芳纶/聚酰亚胺
无纺芳纶/环氧树脂
聚酰亚胺-石英
氰酸脂-石英
环氧-编织芳纶
BT-编织芳纶
聚酰亚胺-编织芳纶
聚酰亚胺-编织芳纶
氰酸脂-“E” 玻璃
108
117
6.35.7
5.0 6.0
5.0 6.0
5.53.8
3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617
18 19 20 21 22 23 24
106
2420
96
87
87
5.5 7.5
*无引脚陶瓷芯片载体
2011年3月 IPC-7093-C
35
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Not for Resale, 11/27/2015 17:57:03 MST
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