第二章表面組裝印制電路板

第二章表面組裝印制電路板SMBSMB與傳統(tǒng)PCB的區(qū)別

SMT工藝與傳統(tǒng)插裝工藝有很大區(qū)別，對(duì)PCB設(shè)計(jì)有專門要求。除了滿足電性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)、等常規(guī)要求外，還要滿足SMT自動(dòng)印刷、自動(dòng)貼裝、自動(dòng)焊接、自動(dòng)檢測(cè)要求。特別要滿足再流焊工藝的再流動(dòng)和自定位效應(yīng)的工藝特點(diǎn)要求。

SMT具有全自動(dòng)、高速度、高效益的特點(diǎn)，不同廠家的生產(chǎn)設(shè)備對(duì)PCB的形狀、尺寸、夾持邊、定位孔、基準(zhǔn)標(biāo)志圖形的設(shè)置等有不同的規(guī)定。1

—基板材料選擇—布線

—元器件選擇—焊盤

—印制板電路設(shè)計(jì)——————測(cè)試點(diǎn)

SMB設(shè)計(jì)——可制造（工藝）性設(shè)計(jì)—導(dǎo)線、通孔

—可靠性設(shè)計(jì)—焊盤與導(dǎo)線的連接

—降低生產(chǎn)成本—阻焊

—散熱、電磁干擾等印制電路板（以下簡(jiǎn)稱PCB）設(shè)計(jì)是表面組裝技術(shù)的重要組成之一。PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量是衡量表面組裝技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志，是保證表面組裝質(zhì)量的首要條件之一。

SMB設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容：2金屬基板在散熱性、機(jī)械加工性、基板大型化、電磁屏蔽性方面表現(xiàn)優(yōu)異。在高頻性方面是差的。單獨(dú)采用金屬基板實(shí)現(xiàn)多層線路板的制作方面也是差的。但目前利用金屬基板做兩層或多層板的底基材，在它的上面覆有環(huán)氧玻璃布半固化片制成兩層板，甚至是多層板，也可達(dá)到很好的效果。這也是金屬基板今后發(fā)展方向之一。一PCB材料金屬基板、常規(guī)PCB（FR-4基）、陶瓷基板性能對(duì)比3二、PCB基材質(zhì)量參數(shù)

1.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是指PCB材質(zhì)在一定溫度條件下，基材結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的臨界溫度。在這個(gè)溫度之下基材是硬而脆的，即類似玻璃的形態(tài)，通常稱之為玻璃態(tài);若在這個(gè)溫度之上，材料會(huì)變軟，呈橡膠樣形態(tài)，稱之為橡膠態(tài)或皮革態(tài)，這時(shí)它的機(jī)械強(qiáng)度將明顯變低。這種決定材料性能的臨界溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(glasstranstiontemperture，簡(jiǎn)稱Tg)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物特有的性能,除了陶瓷基板外，幾乎所有的層壓板都含有聚合物，它是選擇基板的—個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。4Ｔg應(yīng)高于電路工作溫度無(wú)鉛工藝要求Tg≥170℃52.熱膨脹系數(shù)(CTE)

熱膨脹系數(shù)指每單位溫度變化所引發(fā)的材料尺寸的線性變化量

任何材料受熱后都會(huì)膨脹，高分子材料的CTE通常高于無(wú)機(jī)材料，當(dāng)膨脹應(yīng)力超過(guò)材料承受限度時(shí)，會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生損壞。用于SMB的多層板是由幾片單層“半固化樹脂片”熱壓制成的，冷卻后再在需要的位置上鉆孔并進(jìn)行電鍍處理，最后生成電鍍通孔－－金屬化孔，金屬化孔制成后，也就實(shí)現(xiàn)了SMB層與層之間的互連。

63、PCB分解溫度TdTd是樹脂的物理和化學(xué)分解溫度，是PCB加熱到其質(zhì)量減少5%時(shí)的溫度。當(dāng)焊接溫度超過(guò)Td時(shí)，會(huì)由于化學(xué)鏈接的斷裂而損壞PCB基材，造成不可逆轉(zhuǎn)的降級(jí)。圖b是超過(guò)Td溫度損壞層壓基板結(jié)構(gòu)的例子。74.耐熱性 某些工藝過(guò)程中SMB需經(jīng)兩次再流焊，因而經(jīng)過(guò)一次高溫后，仍然要求保持板間的平整度，方能保證二次貼片的可靠性;而SMB焊盤越來(lái)越小，焊盤的粘結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較小，若SMB使用的基材耐熱性高，則焊盤的抗剝強(qiáng)度也較高，一般要求SMB能具有2600C／50s的耐熱性85.電氣性能

①介電常數(shù)，通常要求SMB基材的<2.5。

②介質(zhì)損耗

通常要求SMB基材的

<0.02

③抗電強(qiáng)度。要求板材厚度大于籌于0.5mm時(shí)的擊穿電壓大于40kV。

④絕緣電阻。潮濕后表面電阻大于l04MQ;高溫下(E-24/125)表面電阻大于l03MQ。

⑤體積電阻。要求大于l03MQ．cm。

⑥抗電弧性能。要求大于60s。

⑦吸水率。要求小于0.8%。9選擇基材應(yīng)根據(jù)PCB的使用條件和機(jī)械、電氣性能要求來(lái)選擇；根據(jù)印制板結(jié)構(gòu)確定基材的覆銅箔面數(shù)(單面、雙面或多層板)；根據(jù)印制板的尺寸、單位面積承載元器件質(zhì)量，確定基材板的厚度。不同類型材料的成本相差很大，在選擇PCB基材時(shí)應(yīng)考慮到下列因素： ①電氣性能的要求;②Tg、CTE、平整度等因素以及孔金屬化的能力;③價(jià)格因素。

6.PCB基材的選用107.PCB板做成圓弧角直角的PCB板在傳送時(shí)容易產(chǎn)生卡板，因此在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，要對(duì)板框做圓弧角處理，根據(jù)PCB板尺寸的大小確定圓弧角的半徑。拼板和加有輔助邊的PCB板在輔助邊上做圓弧角。112.3

PCB焊盤表面涂鍍層及無(wú)鉛PCB焊盤涂鍍層的選擇

自然界中除了金和鉑金外，所有暴露在空氣中的金屬都會(huì)被氧化。為了防止PGB銅焊盤被氧化，焊盤表面都要進(jìn)行涂（鍍）保護(hù)層處理。PCB焊盤表面處理的材料、工藝、質(zhì)量直接影響焊接工藝和焊接質(zhì)量。另外，不同的電子產(chǎn)品、不同工藝、不同焊接材料，對(duì)PCB焊盤表面處理的選擇也是有區(qū)別的。正確選擇PCB焊盤表面涂（鍍）層是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。12

2.3.1PCB焊盤表面涂（鍍）層

PCB焊盤表面涂（鍍）層有兩種類型：有機(jī)防氧化保護(hù)涂層(OSP)和金屬鍍層。

1．有機(jī)防氧化保護(hù)涂層OSP(Organic SolderabilityPreservatives)OSP是有機(jī)防氧化保護(hù)劑，其涂層薄(0.3～0.5um)、平面性好，能防止焊盤被氧化，有利于焊接，在焊接溫度下自行分解；可焊性、導(dǎo)電性好，金屬化孔內(nèi)鍍銅層厚度大25Um。132．金屬鍍層

金屬鍍層主要有焊料涂層(HASL)、電鍍鎳／金(ENEG)、化學(xué)鍍鎳／金(ENIG)、化學(xué)鍍鎳／鈀／金(ENEPIG)、浸銀(I-Ag)和浸錫(I-Sn)。

(1)焊料涂層(Hot-AirSolderLeveling，HASL)

HASL是指熱風(fēng)整平法。鍍層厚度為7～11um。HASL的印制板真空包裝可保存期為8個(gè)。(2)電鍍鎳／金(ElectrolessNi/Au，ENEG)

電鍍鎳／金的技術(shù)分為無(wú)電極電鍍(ElectrolessNi/Au)和有電極電鍍（ElectroplatedNi/Au）兩種，大多采用無(wú)電極電鍍工藝。143、化學(xué)鍍鎳金(ENIG)

ENIG：在PCB焊盤上化學(xué)通過(guò)化學(xué)方法在銅表面鍍上Ni/Au。Ni在焊錫和銅之間形成阻隔層。焊接時(shí)，外面的Au會(huì)迅速融解在焊錫里面，焊錫與Ni形成Ni/Sn金屬間化合物。外面鍍金是為了防止在存儲(chǔ)期間Ni氧化或者鈍化，所以金鍍層要足夠密，厚度不能太薄。15浸金：在這個(gè)過(guò)程中，目的是沉積一層薄薄的且連續(xù)的金保護(hù)層，主要金的厚度不能太厚，否則焊點(diǎn)將變得很脆，嚴(yán)重影響焊電可靠性。與鍍鎳一樣，浸金的工作溫度很高，時(shí)間也很長(zhǎng)。在浸洗過(guò)程中，將發(fā)生置換反應(yīng)―――在鎳的表面，金置換鎳，不過(guò)當(dāng)置換到一定程度時(shí)，置換反應(yīng)會(huì)自動(dòng)停止。金強(qiáng)度很高，耐磨擦，耐高溫，不易氧化，所以可以防止鎳氧化或鈍化，并適合工作在強(qiáng)度要求高的場(chǎng)合。16ENIG的局限性

ENIG的工藝過(guò)程比較復(fù)雜，而且如果要達(dá)到很好的效果，必須嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。最為麻煩的是，ENIG處理過(guò)的PCB表面在ENIG或焊接過(guò)程中很容易產(chǎn)生黑盤效應(yīng)（Blackpad），從而給焊點(diǎn)的可靠性帶來(lái)災(zāi)難性的影響。黑盤的產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，它發(fā)生在Ni與金的交接面，直接表現(xiàn)為Ni過(guò)度氧化。金過(guò)多，會(huì)使焊點(diǎn)脆化，影響可靠性。174、化學(xué)鍍鎳鈀金(ENEPIG)

化學(xué)鎳鈀浸金的原理：ENEPIG與ENIG相比，在鎳和金之間多了一層鈀。Ni的沉積厚度為120～240μin（約3～6μm），鈀的厚度為4～20μin（約0.1～0.5μm），金的厚度為1～4μin（約0.02～0.1μm）。鈀可以防止出現(xiàn)置換反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象，為浸金作好充分準(zhǔn)備。金則緊密的覆蓋在鈀上面，提供良好的接觸面。185、浸銀(Immersionsilver)

浸銀的工作原理：通過(guò)浸銀工藝處理，?。?～15μin，約0.1～0.4μm）而密的銀沉積提供一層有機(jī)保護(hù)膜，銅表面在銀的密封下，大大延長(zhǎng)了壽命。浸銀的表面很平，而且可焊性很好。浸銀焊接面可焊性很好，在焊接過(guò)程中銀會(huì)融解到熔化的錫膏里，和HASL和OSP一樣在焊接表面形成Cu/Sn金屬間化合物。浸銀表面共面性很好，同時(shí)不像OSP那樣存在導(dǎo)電方面的障礙，但是在作為接觸表面（如按鍵面）時(shí)，其強(qiáng)度沒(méi)有金好。浸銀的局限性：浸銀的一個(gè)讓人無(wú)法忽略的問(wèn)題是銀的電子遷移問(wèn)題。當(dāng)暴露在潮濕的環(huán)境下時(shí)，銀會(huì)在電壓的作用下產(chǎn)生電子遷移。通過(guò)向銀內(nèi)添加有機(jī)成分可以降低電子遷移的發(fā)生。196、

浸錫

浸錫原理：由于兩個(gè)原因才采用了浸錫工藝：其一是浸錫表面很平，共面性很好；其二是浸錫無(wú)鉛。但是在浸錫過(guò)程中容易產(chǎn)生Cu/Sn金屬間化合物，Cu/Sn金屬間化合物可焊性很差。

如果采用浸錫工藝，必須克服兩障礙：顆粒大小和Cu/Sn金屬間化合物的產(chǎn)生。浸錫顆粒必須足夠小，而且要無(wú)孔。錫的沉積厚度不低于40μin（1.0μm）是比較合理的，這樣才能提供一個(gè)純錫表面，以滿足可焊性要求。

浸錫的應(yīng)用和局限性：浸錫的最大弱點(diǎn)是壽命短，尤其是存放于高溫高濕的環(huán)境下時(shí)，Cu/Sn金屬間化合物會(huì)不斷增長(zhǎng)，直到失去可焊性。202.3.3

無(wú)鉛PCB焊盤涂鍍層的選擇無(wú)鉛焊接要求PCB焊盤表面鍍層材料也無(wú)鉛化。目前主要是用非鉛金屬或無(wú)鉛焊料合金取代Pb-Sn熱風(fēng)整平（HASL）、化學(xué)鍍鎳／金(ENIC)、化學(xué)鍍鎳／鈀／金(ENEPIG)、Cu表面涂覆OSP、浸銀(I-Ag)和浸錫(I-Sn)。

選擇無(wú)鉛PCB焊盤涂鍍層必須考慮焊料、工藝與PCB焊盤涂鍍層的相容性。211、PCB焊盤涂鍍層與焊料的相容性

不同金屬鍍層與焊料合金焊接后在界面形成的化合物是不一樣的，因此它們之間的連接強(qiáng)度也不同。

2、PCB焊盤涂鍍層與工藝的相容性

(1)無(wú)鉛焊料合金熱風(fēng)整平(HASL)

目前，無(wú)鉛焊料合金熱風(fēng)整平的焊料主要有Sn-Cu-Ni+Ge（鍺）或Sn-Cu-Ni+Co（鈷）兩種。其中Sn-Cu-Ni+Ge（鍺）的成分為Sn、0.7%Cu、0.05%Ni和名義含量65×10-6的Ge。22（2）ENIG(Ni/Au)ENIG耐氧化、可焊性好、鍍層表面平整，適用于無(wú)鉛高密度SMT板的雙面再流焊工藝。（3）化學(xué)鍍鎳鈀金(ENEPIG)ENEPIG與ENIG相比，可避免黑盤和金脆現(xiàn)象，它的可焊性和可靠性比ENIG好，適合于軍工和高可靠的無(wú)鉛產(chǎn)品與有鉛、無(wú)鉛混裝產(chǎn)品。（4）浸銀工藝（I-Ag）（4）浸錫工藝（I-Sn）（4）有機(jī)防氧化保護(hù)涂層(OSP)232.4

當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)印制電路板及其制造技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

PCB制造技術(shù)不僅朝著高密度、多層板方向發(fā)展，還與半導(dǎo)體技術(shù)、SMT緊密結(jié)合，大有打破傳統(tǒng)技術(shù)的勢(shì)頭。在某些高密度、高速度領(lǐng)域里，PCB制造、半導(dǎo)體與SMT三者的界限1慢慢模糊，漸漸融合在一起．推動(dòng)電子制造業(yè)向更先進(jìn)、高可靠、低成本方向發(fā)展。

1．印制電路板材料的發(fā)展趨勢(shì)

①使用高性能玻璃布基覆銅板，降低介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。

②使用改性環(huán)氧樹脂，提高FR-4玻璃布覆銅箔層壓板材料的Tg溫度。

③