IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第49页
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 。…
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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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(EEPIG)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
EEPIG用于SAC无铅制程来焊接BTC元器件端
子时，可以减轻使用EIG有时会看
到的焊点变
脆问题。
5.3.3.1 化学镍/浸⾦(EIG) 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。EIG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
1
OSP 化学镍浸⾦电解镍/⾦ 浸银
2
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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些共沉积元素的含量水平应该受控，不能超过
规定的工艺限值。磷或硼含量水平的变化，超
出规定的工艺限值时可能会对处理表面的可焊
性和焊点的可靠性带来不利影响。
5.3.3.2 电解镀镍/电镀⾦ 镍/金结合物另外一
种是电解镀镍/电镀金表面处理。这种电镀是类
似的，但是会导致与化学镍/浸金不同的晶粒结
构，且不会出现“黑盘”焊点破裂现象。
电解镀镍/电镀金在图形电镀后，大多在阻焊膜
前
，因此有表面污染的风险。在电解镀镍/电镀
金上施加阻焊膜，比起其它表面处理阻焊膜附着
力低。这会导致BTC组装时的问题，尤其是在返
工时。如果覆盖在BTC焊盘和导通孔之间的阻
焊隔离翘起，焊料就会从焊盘流入导通孔，导致
焊料不够或焊点开路。
另一个担忧是很难控制整块板上的镀金厚度。
金层可能过薄(比如在密集电路区域)或金层可
能过厚(比如在
独立电路区域)。后面一种情况
可能因为焊点中金过量(>3%)而引起金脆化。
5.3.3.3 化学镍/钯/浸⾦(EEPIG) 为了解决化
学镍/浸金(EIG)工艺的一些问题，已经开发
了另外一种化学镀和浸金组合工艺。转变为无
铅焊接后，对制造、工艺和无铅电子产品的可
靠性提出了许多问题。其中一些评估包括i-7%
P/Pd/Au (EEPIG)(5μm/0.06μm/0.03μm)工
艺。
5.3.3.4 直接
浸⾦(DIG) 直接浸金(DIG)是另
外一种表面处理方式，可以直接在铜表面沉积
成一个薄且均匀的镀金层。通过监控镀金槽中
的沉积反应，可以确认铜没有与金一起沉积，
沉积的主要驱动力来自于自动催化反应。铜表
面的粗糙度影响焊料的延展性。而当镀层厚度
在30到80nm之间，可以得到特性良好的焊点。
此外，引线键合良好性能取决于中性PH
值，自动
催化型化学镀金槽和镀金层。
对于DIG处理的表面，无铅焊接与锡/铅共晶焊
接相比，焊接结果通常较差(延展性差)。有必
要了解在无铅工艺下，在150°C下金属间化合物
层(IMC)随时间变化的情况如下：
a) 0小时，Sn/Ag/Cu焊料与锡/铅焊料的IMC层
厚度差异很小
b)经过100小时的外露，IMC层厚度基本相等
c) Cu3Sn的IMC层厚度随受 热 时间增加而
继续
增加
d)与锡/铅焊料一样，使用Sn/Ag/Cu焊料时的
Cu3Sn清晰可见。
5.3.3.5 浸银 浸银是一种金属可焊性的保护
层。它可永久性地成为组装板完整的一部分，
或是牺牲性保护层，在组装过程中防止铜氧化
并保持可焊性。对于接触探针测试，浸银也是
良好的表面处理。
业界继续在寻找可替代的表面处理，以克服与
HASL、OSP和EIG表面处理相关的缺点。其
中
最有前景的可替代表面处理是浸银和浸锡。
5.3.3.6 浸锡 浸锡有相当长的历史，但是由于
早期担心形成金属间化合物而降低可焊性，所
以应用受到了限制。这些担忧在最近的工艺中
得到解决。浸锡是一种金属可焊性的保护层，
在组装过程中防止铜氧化并保持可焊性。与浸
银相比，由于锡有比较高的接触电阻，不太适
合探针测试。其中一点担心是在使用无铅焊料
的焊
点中有大量的锡，当产品经历各种应力变
化时会生长晶须。
浸银和浸锡都是使用浸镀方法将金属沉积在板
子表面上。
5.3.3.7 固体焊料沉积物 固体焊料沉积(SSD)
自1986年就有了。它是一种预先在表面贴装盘
上以固体的形式预置完成元器件附着所需所有
焊料的方法。SSD工艺使用有粘性的助焊剂涂层
在最终再流焊时将元器件定位。这种具有粘性的
助焊剂一旦干掉，比焊膏具有更强的保持力，
而且
如果污染也没有关系，因为它不导电也不
具有腐蚀性。这就意味着，安装具有不可视引
线或引线在本体底部的元器件时，更具有可预
测性而获得更好的良率。
SSD应用的基本步骤如图5-3所示。
SSD生产注意事项如下：
• 固体焊料沉积应用工艺步骤(见图5-4)。
• 焊膏印刷到焊盘上，在没有干扰时过再流焊，
这是一种比较简单的施加焊膏方法。在Z方
向
由贴装压力引起的元器件不良都可以消除。
IPC-7093-C 2011年3月
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Not for Resale, 11/27/2015 17:57:03 MST
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