第二章表面组装印制电路板

1、1 SMT工艺与传统插装工艺有很大区别，对工艺与传统插装工艺有很大区别，对PCB设计有专门要求。除了满足电性能、机械设计有专门要求。除了满足电性能、机械结构、等常规要求外，还要满足结构、等常规要求外，还要满足SMT自动印刷、自动印刷、自动贴装、自动焊接、自动检测要求。特别要满自动贴装、自动焊接、自动检测要求。特别要满足再流焊工艺的再流动和自定位效应的工艺特点足再流焊工艺的再流动和自定位效应的工艺特点要求。要求。 SMT具有全自动、高速度、高效益的特点，具有全自动、高速度、高效益的特点，不同厂家的生产设备对不同厂家的生产设备对PCB的形状、尺寸、夹的形状、尺寸、夹持边、定位孔、基准标志图形的设置

2、等有不同的持边、定位孔、基准标志图形的设置等有不同的规定。规定。2 基板材料选择基板材料选择 布线布线 元器件选择元器件选择 焊盘焊盘 印制板电路设计印制板电路设计测试点测试点 SMB设计设计可制造（工艺）性设计可制造（工艺）性设计 导线、通孔导线、通孔 可靠性设计可靠性设计 焊盘与导线的连接焊盘与导线的连接 降低生产成本降低生产成本 阻焊阻焊 散热、电磁干扰等散热、电磁干扰等 印制电路板（以下简称印制电路板（以下简称PCB）设计是表面组装技术）设计是表面组装技术的重要组成之一。的重要组成之一。PCB设计质量是衡量表面组装技术水平设计质量是衡量表面组装技术水平的一个重要标志，是保证表面组装质量

3、的首要条件之一。的一个重要标志，是保证表面组装质量的首要条件之一。 SMB设计包含的内容：设计包含的内容：3 金属基板在散热性、机械加工金属基板在散热性、机械加工性、基板大型化、电磁屏蔽性性、基板大型化、电磁屏蔽性方面表现优异。在高频性方面方面表现优异。在高频性方面是差的。是差的。 单独采用金属基板实现多层线单独采用金属基板实现多层线路板的制作方面也是差的。路板的制作方面也是差的。 但目前利用金属基板做两层或但目前利用金属基板做两层或多层板的底基材，在它的上面多层板的底基材，在它的上面覆有环氧玻璃布半固化片制成覆有环氧玻璃布半固化片制成两层板，甚至是多层板，也可两层板，甚至是多层板，也可达到很

4、好的效果。这也是金属达到很好的效果。这也是金属基板今后发展方向之一。基板今后发展方向之一。 一一 PCBPCB材料材料金属基板、常规金属基板、常规PCBPCB（FR-4FR-4基）、陶瓷基板性能对比基）、陶瓷基板性能对比41.1.玻璃化转变温度玻璃化转变温度(Tg)(Tg) 玻璃化转变温度玻璃化转变温度(Tg)(Tg)是指是指PCBPCB材质在一定温度条件下，基材质在一定温度条件下，基材结构发生变化的临界温度。材结构发生变化的临界温度。 在这个温度之下基材是硬而脆的，即类似玻璃的形态，通在这个温度之下基材是硬而脆的，即类似玻璃的形态，通常称之为玻璃态常称之为玻璃态; ;若在这个温度之上，材料会

5、变软，呈橡若在这个温度之上，材料会变软，呈橡胶样形态，称之为橡胶态或皮革态，这时它的机械强度将胶样形态，称之为橡胶态或皮革态，这时它的机械强度将明显变低。明显变低。 这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化转变温度这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化转变温度(glass (glass transtion temperturetranstion temperture，简称，简称Tg)Tg)。 玻璃化转变温度是聚合物特有的性能玻璃化转变温度是聚合物特有的性能, ,除了陶瓷基板外，除了陶瓷基板外，几乎所有的层压板都含有聚合物，它是选择基板的几乎所有的层压板都含有聚合物，它是选择基板的个关个关键参数。键参

6、数。5g g应高于电路工作温度应高于电路工作温度无铅工艺要求无铅工艺要求TgTg1701706 热膨胀系数热膨胀系数 指每单位温度变化所引发的材指每单位温度变化所引发的材料尺寸的线性变化量料尺寸的线性变化量 任何材料受热后都会膨胀，高分子材料的任何材料受热后都会膨胀，高分子材料的CTE通常通常高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时，高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时，会对材料产生损坏。会对材料产生损坏。用于用于SMB的多层板是由几片单层的多层板是由几片单层“半固化树脂片半固化树脂片”热压制成的，冷却后再在需要的位置上钻孔并进行热压制成的，冷却后再在需要的位置上钻孔并进行电镀处理，最

7、后生成电镀通孔金属化孔，金属电镀处理，最后生成电镀通孔金属化孔，金属化孔制成后，也就实现了化孔制成后，也就实现了SMB层与层之间的互连。层与层之间的互连。 73、PCB分解温度分解温度Td Td是树脂的物理和化学分解温度，是是树脂的物理和化学分解温度，是PCB加热加热到其质量减少到其质量减少5%时的温度。当焊接温度超过时的温度。当焊接温度超过Td时，时，会由于化学链接的断裂而损坏会由于化学链接的断裂而损坏PCB基材，造成不可基材，造成不可逆转的降级。图逆转的降级。图b是超过是超过Td温度损坏层压基板结构温度损坏层压基板结构的例子。的例子。 84.4.耐热性耐热性某些工艺过程中某些工艺过程中SM

8、BSMB需经两次再流焊，因而需经两次再流焊，因而经过一次高温后，仍然要求保持板间的平整度，经过一次高温后，仍然要求保持板间的平整度，方能保证二次贴片的可靠性方能保证二次贴片的可靠性; ;而而SMBSMB焊盘越来越焊盘越来越小，焊盘的粘结强度相对较小，若小，焊盘的粘结强度相对较小，若SMBSMB使用的基使用的基材耐热性高，则焊盘的抗剥强度也较高，一般材耐热性高，则焊盘的抗剥强度也较高，一般要求要求SMBSMB能具有能具有2602600 0C C50s50s的耐热性的耐热性95.电气性能电气性能 介电常数介电常数 ，通常要求，通常要求SMB基材的基材的 2.5。 介质损耗介质损耗 通常要求通常要求

9、SMB基材的基材的 0.02 抗电强度。要求板材厚度大于筹于抗电强度。要求板材厚度大于筹于0.5mm时的时的击穿电压大于击穿电压大于40kV。 绝缘电阻。潮湿后表面电阻大于绝缘电阻。潮湿后表面电阻大于l04MQ;高温下高温下(E-24/125)表面电阻大于表面电阻大于l03MQ。 体积电阻。要求大于体积电阻。要求大于l03MQcm。 抗电弧性能。要求大于抗电弧性能。要求大于60s。 吸水率。要求小于吸水率。要求小于0.8%。tantan10 选择基材应根据选择基材应根据PCBPCB的使用条件和机械、电气性的使用条件和机械、电气性能要求来选择；能要求来选择； 根据印制板结构确定基材的覆铜箔面数根

10、据印制板结构确定基材的覆铜箔面数( (单面、单面、双面或多层板双面或多层板) )； 根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件质量，根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件质量，确定基材板的厚度。不同类型材料的成本相差很确定基材板的厚度。不同类型材料的成本相差很大，在选择大，在选择PCBPCB基材时应考虑到下列因素：基材时应考虑到下列因素： 电气性能的要求电气性能的要求; ; TgTg、CTECTE、平整度等因素以及孔金属化的能力、平整度等因素以及孔金属化的能力; ; 价格因素。价格因素。6 6.PCB.PCB基材的选用基材的选用11 直角的直角的PCBPCB板在传送时容易产生卡板，因此板在传送时容易产

11、生卡板，因此在设计在设计PCBPCB板时，要对板框做圆弧角处理，板时，要对板框做圆弧角处理，根据根据PCBPCB板尺寸的大小确定圆弧角的半径。板尺寸的大小确定圆弧角的半径。拼板和加有辅助边的拼板和加有辅助边的PCBPCB板在辅助边上做圆板在辅助边上做圆弧角。弧角。122.3 PCB焊盘表面涂镀层及无铅焊盘表面涂镀层及无铅PCB焊盘涂焊盘涂镀层的选择镀层的选择 自然界中除了金和铂金外，所有暴露在空气中的自然界中除了金和铂金外，所有暴露在空气中的金属都会被氧化。为了防止金属都会被氧化。为了防止PGB铜焊盘被氧化，焊铜焊盘被氧化，焊盘表面都要进行涂（镀）保护层处理。盘表面都要进行涂（镀）保护层处理。

12、PCB焊盘表面焊盘表面处理的材料、工艺、质量直接影响焊接工艺和焊接质处理的材料、工艺、质量直接影响焊接工艺和焊接质量。另外，不同的电子产品、不同工艺、不同焊接材量。另外，不同的电子产品、不同工艺、不同焊接材料，对料，对PCB焊盘表面处理的选择也是有区别的。正确焊盘表面处理的选择也是有区别的。正确选择选择PCB焊盘表面涂（镀）层是保证焊接质量的关键焊盘表面涂（镀）层是保证焊接质量的关键因素之一。因素之一。13 2.3.1 PCB焊盘表面涂（镀）层焊盘表面涂（镀）层 PCB焊盘表面涂（镀）层有两种类型：有机防氧化焊盘表面涂（镀）层有两种类型：有机防氧化保护涂层保护涂层(OSP)和金属镀层。和金属镀

13、层。 1有机防氧化保护涂层有机防氧化保护涂层OSP (Organic Solderability Preservatives)OSP是有是有机防氧化保护剂，其涂层薄机防氧化保护剂，其涂层薄(0.30.5 um)、平面、平面性好，能防止焊盘被氧化，有利于焊接，在焊接温度性好，能防止焊盘被氧化，有利于焊接，在焊接温度下自行分解；可焊性、导电性好，金属化孔内镀铜层下自行分解；可焊性、导电性好，金属化孔内镀铜层厚度大厚度大25Um。142金属镀层金属镀层 金属镀层主要有焊料涂层金属镀层主要有焊料涂层( HASL)、电镀镍金、电镀镍金(ENEG)、化学镀镍金化学镀镍金(ENIG)、化学镀镍钯金、化学镀镍

14、钯金( ENEPIG)、浸、浸银银(I-Ag)和浸锡和浸锡(I-Sn)。 (1)焊料涂层焊料涂层(Hot-Air Solder Leveling，HASL) HASL是指热风整平法。镀层厚度为是指热风整平法。镀层厚度为711um。HASL的印制板真空包装可保存期为的印制板真空包装可保存期为8个。个。 (2)电镀镍金电镀镍金(Electroless Ni/Au，ENEG) 电镀镍金的技术分为无电极电镀电镀镍金的技术分为无电极电镀(Electroless Ni/Au)和有电极电镀（和有电极电镀（Electroplated Ni/Au）两种，大多采用）两种，大多采用无电极电镀工艺。无电极电镀工艺。1

15、53、化学镀镍金、化学镀镍金(ENIG) ENIG：在：在PCB焊盘上化学通过化学方法在铜表面镀上焊盘上化学通过化学方法在铜表面镀上Ni/Au。Ni在焊锡和铜之间形成阻隔层。焊接时，外面的在焊锡和铜之间形成阻隔层。焊接时，外面的Au会迅速融解在焊锡里面，焊锡与会迅速融解在焊锡里面，焊锡与Ni形成形成Ni/Sn金属间化金属间化合物。外面镀金是为了防止在存储期间合物。外面镀金是为了防止在存储期间Ni氧化或者钝化，所氧化或者钝化，所以金镀层要足够密，厚度不能太薄。以金镀层要足够密，厚度不能太薄。 16 浸金：在这个过程中，目的是沉积一层薄薄的且连续浸金：在这个过程中，目的是沉积一层薄薄的且连续的金保

16、护层，主要金的厚度不能太厚，否则焊点将变得很的金保护层，主要金的厚度不能太厚，否则焊点将变得很脆，严重影响焊电可靠性。与镀镍一样，浸金的工作温度脆，严重影响焊电可靠性。与镀镍一样，浸金的工作温度很高，时间也很长。在浸洗过程中，将发生置换反应很高，时间也很长。在浸洗过程中，将发生置换反应在镍的表面，金置换镍，不过当置换到一定程度时，在镍的表面，金置换镍，不过当置换到一定程度时，置换反应会自动停止。金强度很高，耐磨擦，耐高温，不置换反应会自动停止。金强度很高，耐磨擦，耐高温，不易氧化，所以可以防止镍氧化或钝化，并适合工作在强度易氧化，所以可以防止镍氧化或钝化，并适合工作在强度要求高的场合。要求高的

17、场合。 17 ENIG的局限性的局限性 ENIG 的工艺过程比较复杂，而且如果要达到很好的的工艺过程比较复杂，而且如果要达到很好的效果，必须严格控制工艺参数。最为麻烦的是，效果，必须严格控制工艺参数。最为麻烦的是，ENIG处处理过的理过的PCB表面在表面在ENIG或焊接过程中很容易产生黑盘效或焊接过程中很容易产生黑盘效应（应（Black pad），从而给焊点的可靠性带来灾难性的影），从而给焊点的可靠性带来灾难性的影响。黑盘的产生机理非常复杂，它发生在响。黑盘的产生机理非常复杂，它发生在Ni与金的交接面，与金的交接面，直接表现为直接表现为Ni过度氧化。金过多，会使焊点脆化，影响可过度氧化。金过多

18、，会使焊点脆化，影响可靠性。靠性。 18 4、化学镀镍钯金、化学镀镍钯金(ENEPIG) 化学镍钯浸金的原理：化学镍钯浸金的原理：ENEPIG与与ENIG相比，在镍相比，在镍和金之间多了一层钯。和金之间多了一层钯。Ni的沉积厚度为的沉积厚度为120240in（约（约36m），钯的厚度为），钯的厚度为420in（约（约0.10.5m），金的厚度为），金的厚度为14in（约（约 0.020.1m）。）。钯可以防止出现置换反应导致的腐蚀现象，为浸金作好充钯可以防止出现置换反应导致的腐蚀现象，为浸金作好充分准备。金则紧密的覆盖在钯上面，提供良好的接触面。分准备。金则紧密的覆盖在钯上面，提供良好的接触面

19、。 19 5、浸银、浸银(Immersion silver) 浸银的工作原理：通过浸银工艺处理，薄（浸银的工作原理：通过浸银工艺处理，薄（515in，约约0.10.4m）而密的银沉积提供一层有机保护膜，铜）而密的银沉积提供一层有机保护膜，铜表面在银的密封下，大大延长了寿命。浸银的表面很平，而表面在银的密封下，大大延长了寿命。浸银的表面很平，而且可焊性很好。且可焊性很好。 浸银焊接面可焊性很好，在焊接过程中银会融解到熔浸银焊接面可焊性很好，在焊接过程中银会融解到熔化的锡膏里，和化的锡膏里，和HASL和和OSP一样在焊接表面形成一样在焊接表面形成Cu/Sn金属间化合物。浸银表面共面性很好，同时不像

20、金属间化合物。浸银表面共面性很好，同时不像OSP那样那样存在导电方面的障碍，但是在作为接触表面（如按键面）时，存在导电方面的障碍，但是在作为接触表面（如按键面）时，其强度没有金好。其强度没有金好。 浸银的局限性：浸银的一个让人无法忽略的问题是银的浸银的局限性：浸银的一个让人无法忽略的问题是银的电子迁移问题。当暴露在潮湿的环境下时，银会在电压的作电子迁移问题。当暴露在潮湿的环境下时，银会在电压的作用下产生电子迁移。通过向银内添加有机成分可以降低电子用下产生电子迁移。通过向银内添加有机成分可以降低电子迁移的发生。迁移的发生。 20 6、 浸锡浸锡 浸锡原理：由于两个原因才采用了浸锡工艺：其一是浸浸

21、锡原理：由于两个原因才采用了浸锡工艺：其一是浸锡表面很平，共面性很好；其二是浸锡无铅。但是在浸锡锡表面很平，共面性很好；其二是浸锡无铅。但是在浸锡过程中容易产生过程中容易产生Cu/Sn金属间化合物，金属间化合物，Cu/Sn金属间化金属间化合物可焊性很差。合物可焊性很差。 如果采用浸锡工艺，必须克服两障碍：颗粒大小和如果采用浸锡工艺，必须克服两障碍：颗粒大小和Cu/Sn金属间化合物的产生。浸锡颗粒必须足够小，而金属间化合物的产生。浸锡颗粒必须足够小，而且要无孔。锡的沉积厚度不低于且要无孔。锡的沉积厚度不低于40in（1.0m）是比）是比较合理的，这样才能提供一个纯锡表面，以满足可焊性要较合理的，

22、这样才能提供一个纯锡表面，以满足可焊性要求。求。 浸锡的应用和局限性：浸锡的最大弱点是寿命短，尤其浸锡的应用和局限性：浸锡的最大弱点是寿命短，尤其是存放于高温高湿的环境下时，是存放于高温高湿的环境下时，Cu/Sn金属间化合物会金属间化合物会不断增长，直到失去可焊性。不断增长，直到失去可焊性。 21 2.3.3 无铅无铅PCB焊盘涂镀层的选择焊盘涂镀层的选择 无铅焊接要求无铅焊接要求PCB焊盘表面镀层材料也焊盘表面镀层材料也无铅化。目前主要是用非铅金属或无铅焊料无铅化。目前主要是用非铅金属或无铅焊料合金取代合金取代Pb-Sn热风整平（热风整平（HASL）、化）、化学镀镍金学镀镍金(ENIC)、化

23、学镀镍钯金、化学镀镍钯金(ENEPIG)、Cu表面涂覆表面涂覆OSP、浸银、浸银(I-Ag)和浸锡和浸锡(I-Sn)。 选择无铅选择无铅PCB焊盘涂镀层必须考虑焊料、焊盘涂镀层必须考虑焊料、工艺与工艺与PCB焊盘涂镀层的相容性。焊盘涂镀层的相容性。 22 1、PCB焊盘涂镀层与焊料的相容性焊盘涂镀层与焊料的相容性 不同金属镀层与焊料合金焊接后在界面形成的化合物是不同金属镀层与焊料合金焊接后在界面形成的化合物是不一样的，因此它们之间的连接强度也不同。不一样的，因此它们之间的连接强度也不同。 2、PCB焊盘涂镀层与工艺的相容性焊盘涂镀层与工艺的相容性 (1)无铅焊料合金热风整平无铅焊料合金热风整平

24、(HASL) 目前，无铅焊料合金热风整平的焊料主要有目前，无铅焊料合金热风整平的焊料主要有Sn-Cu-Ni+Ge（锗）或（锗）或Sn-Cu-Ni+Co（钴）两种。其中（钴）两种。其中Sn-Cu-Ni+Ge（锗）的成分为（锗）的成分为Sn、0.7% Cu、0.05% Ni和名义含量和名义含量6510-6的的Ge。 23 （2）ENIG(Ni/Au) ENIG耐氧化、可焊性好、镀层表面平整，适用于无铅耐氧化、可焊性好、镀层表面平整，适用于无铅高密度高密度SMT板的双面再流焊工艺。板的双面再流焊工艺。 （3）化学镀镍钯金）化学镀镍钯金(ENEPIG) ENEPIG与与ENIG相比，可避免黑盘和金脆现象，它的相比，可避免黑盘和金脆现象，它的可焊性和可靠性比可焊性和可靠性比ENIG好，适合于军工和高可靠的无铅好，适合于军工和高可靠的无铅产品与有铅、无铅混装产品。产品与有铅、无铅混装产品。 （4）浸银工艺（）浸银工艺（I-Ag） （4）浸锡工艺（）浸锡工艺（I-Sn） （4）有机防氧化保护涂层