IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第47页
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…
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。
IPC-7093-C 2011年3月
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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
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要保证有足够的焊膏量，一些企业对焊料成形
还需要有优先的表面处理要求。重点是最终成
品板表面处理的一致性和安装BTC的焊盘的镀
层/涂覆层的平整度。
表5-2提供一些应用的参数。
5.3.1 热风焊料整平(HASL) 热风焊料整平是
应用很久的表面处理。这种工艺是将完成的印
制板垂直或水平浸入熔融的锡槽内，再用热风
将多余的焊料吹离和整平，由此得名。HASL工
艺是印制板
承受的第一次焊接冲击。有些材料的
结合在多次过高温外露期间可能会产生分层。
HASL表面处理实质上保证了可焊性，因为该工
艺已经通过润湿整个铜表面基材提供了一半的
焊接。事先经过老化和简单的目视检查，这种
产品的可焊性质量可以通过一个简单的浸锡测
试确认。当印制板结束本制程后，不润湿或退
润湿的任何迹象马上显现出来。
采用热风焊料整平(HASL)的表面
处理提供了长
久的可焊性寿命。只有当表面金属间化合物生
长后，可焊性才变差。因此，一个合适的涂覆
处理，在正确保存的前提下至少可以保持一年
以上的有效期。另外，涂层的可焊性可以承受
多次粘合固化或焊膏再流过程。
5.3.1.1 锡铅热风整平 虽然许多印制板的主要
表面处理都是锡铅表面处理，但是我们主要关
注的是HASL过程镀层厚度的一致性。通常这种
工艺的涂层
的厚度大部分是在0.75μm到35μm之
间。一般太薄的镀层厚度是不可接受的，因为
很薄的焊料涂层会完全转化为锡-铜金属间化合
物，可焊性较差。然而，对HASL或其它保护涂覆
的印制板的可焊性评估研究表明，外观看到的
焊接质量与通过切片试验观察到的HASL厚度和
覆盖率没有相关性。因此，印制板的可焊性验
收标准应该要通过样品板的功能测试来评估。
HASL焊料厚度变化很大，影响印制板和元器件
焊接终端的共面性。还
有，不均匀的表面给焊
膏印刷带来更多的难度，因为在印刷时模板和
印制板很难密封。缺少良好的密封或填料会导
致焊料泄漏到模板底部。结果导致制造商或增
加清洗模板的频率(这样会降低产能)或造成桥
接增加的可能(这样会降低良率)。
5.3.1.2 ⽆铅HASL 无铅热风整平工艺已经证
明可同时提供良好质量和可靠性的表面处理，
并且有长久的可焊性寿命。无铅
HASL最有可能
的镀层选择是锡铜合金(熔点227°C)，或锡银铜
合金(熔点217°C)，其它锡银铜合金如105、305
或其它也可以选用。SAC合金具有熔点温度较
低的优点，但是锡铜合金也有优点，其原材料
容易得到而且成本低廉。锡铜合金焊料缸容易
管理和回收，因为只有两种成分。对焊料缸并
不很有侵蚀性，有少量铜析出的特点
，对常见
的杂质要求不是很严格。
熔点温度足够低可以满足当前大部分设备和元
器件要求，另外借助于一些新的层压板特性，
可与印制板的制造顺序和工艺相兼容。为了优
化工艺，焊料合金供应商增加了一些专用稳定
的配方用于HASL，称为Sn-0.7Cu。一种为无铅
焊接开发的典型合金是SnCui，这种合金的熔
点温度是227°C，工艺焊接温度是从250°C 到
260°C[482°F到500°F]。锡槽 内 铜 溶 解 是 个 问
题，如果
锡槽中铜含量高于0.85％将很可能增加
桥接、拉尖和其它缺陷。Sn-0.7Cu+i的焊接温
度是227 - 265°C (变化38°C)，而Sn63Pb37的焊
接温度是183 - 250°C (变化67°C)。
这种表面处理通过热传递和热贮存保持有良好
的可焊性。与被替代的锡铅相比，具有光亮的
表面且很少突起。锡槽中的成分可以通过使用低
铜充满合金保持稳定，同时锡渣损失少。最重
要的是这合金对锡槽
材料没有侵蚀性。
在大尺寸印制板(>250x250mm)使用大BTC元器
件(>25x25mm)时，减 小 电路板弯 曲 和 挠 曲变
形的最好方法就是增加电路板的厚度至少达到
2mm，这会减少或消除由电路板弯曲或扭曲引起
的机械应力导致的分界面失效。然而，随着切换
为无铅制程，较厚的板子就要求在高温下外露
更长的时间，使可靠性问题成为较大的担忧。
随着许多 手 持 产品中使用薄PCB
(厚度小于0.5
mm)的增加，不再使用HASL板子，因为在HASL
处理过程中容易使PCB产生翘曲。
5.3.2 有机表⾯保护(可焊性有机保护)膜 随着
BTC元器件和细间距元器件的广泛使用，比如
LGA，对PCB平整度的控制尤为重要。作为容
易产生翘曲的HASL表面处理的替代，其表面处
理是可焊性有机保护膜(OSP)。OSP是一种抗氧
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