IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第48页

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…

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

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

氰酸脂-“E” 玻璃

108

117

6.35.7

5.0 6.0

5.53.8

3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617

18 19 20 21 22 23 24

106

2420

5.5 7.5

*无引脚陶瓷芯片载体

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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SnCui，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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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

水基有机化合物，选择性地与铜结合形成有机

金属层以保护铜层，保持其可焊性。

OSP可以使用多种化学物。一些常见的如苯并三

唑、咪唑和苯并咪唑。这些涂层通过防止铜表

面氧化或锈蚀而保持其可焊性。这些涂层一般

将电路板沉浸在OSP缸内或通过喷洒

得到。只要

过程受控而达到OSP涂层均匀，两种方法都是可

以的。涂层的厚度变化很广，可以从很薄(0.01

μm)到相对厚的0.2μm到0.5μm。厚涂层比薄涂

层更优先，特别是如要经过多次再流焊接或板

子两面焊接的等待间隔时间太长(比如，隔天以

上)时。应该注意的是，所有的OSP不是一样的，

因为有专门开发的OSPs用于能承受温度较高的

无铅再流焊曲线。

表面OSP有许多优点

。其中最重要的是，能避免

锡/铅HASL的主要问题而使电路板表面保持平

整。它同样是要符合欧盟法规无铅要求。OSP也

要改进密封问题，从而可以减少焊膏印刷的相

关缺陷以提高整体良率。

由于OSP镀层是透明的，涂覆的端子还是维持着

铜的外观，所以能进一步发觉任何焊膏的印刷错

误情况。如果使用酒精或其它溶

剂洗掉PCB上的

焊膏，同样也会清除掉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

样的板子可以重新涂覆。这里不建议清洗和擦拭

板子。但具体的做法应该可以依照IPC-7526，

它介绍了模板和印刷不良板的应用资料。工艺工

程师应该与化学清洗供应商一起制定正确的清

洗工艺，可以清除焊膏且最小程度地去除表面的

OSP。

有一些工艺过程与OSP不

兼容。例如，如果在焊

接过程中焊膏或助焊剂没有覆盖焊盘所有表

面，再流焊接后会出现退润湿外观。在过波峰

焊时，很重要的一点是让助焊剂要进到PTH孔

内，以形成正面焊料填充。同样，在SMT制程，

焊膏必须覆盖焊盘整个表面，避免在焊盘边缘

出现退润湿外观。另外，可能有的免清洗助焊

剂和某种溶剂不兼容。在通过再流焊接、波峰

焊和手工焊等多次热冲击后，也可能会有可焊

性问题。

5.3.3 贵⾦属镀层/涂层随着欧盟法规要禁止

在电子焊接中使用铅，看到了更多的使用贵金

属如金和钯作为PCB表面处理。其它两种贵金

属表面处理也很受欢迎，它们是化学镍/化学

钯/浸金(EEPIG)和直接浸金(DIG)。这些一般

被称为通用表面处理，因为它们能被焊接与连

接，也适宜作为可接触表面处理。特别地，当

EEPIG用于SAC无铅制程来焊接BTC元器件端

子时，可以减轻使用EIG有时会看

到的焊点变

脆问题。

5.3.3.1 化学镍/浸⾦(EIG) 化学镍/浸金提供

了非常好的储存寿命，适合于SMT制程的平贴

焊接表面以及适合于内部电路测试(ICT)电子探

针接触的良好表面。EIG表面处理具有经过多

次再流焊接后还可维持可焊性表面，同时很少

有与操作相关的问题。由于镀镍层的存在，强

化了PTH 孔壁强度，在多次再流焊接和PTH元

器件返工后还能保持完好。贵金属

表面涂覆处

理比OSP处理成本高，与HASL相比，成本相当

或贵过HASL，这取决于PCB的复杂程度。如果

想在一个板上混合采用多种表面处理，比如在

某处镀i/Au而在其它地方涂覆OSP，要实现这

种制造过程比较困难而且成本高。

在化学镍工艺使用的还原剂包括磷或硼。在化学

沉镍时镍减少，而磷或硼结合到镍沉积中。这

表5-2 各种板⼦表⾯处理的主要属性

HASL

锡铅/锡铜

OSP 化学镍浸⾦电解镍/⾦浸银

浸锡

储存寿命

适当操作

1年 6个月 >1年 >1年 6个月 6个月

操作正常避免直接接触正常正常避免直接接触避免直接接触

SMT焊盘表面图形半球形/不平平整平整平整平整平整

多次再流循环好，但需要稳健的板材一般，涂层厚更好好好一般/好一般/好

注：

1. 无铅HASL时优选铜合金

2. 为保持光泽可能需要有机保护层

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