第二章表面組裝印制電路板

1、1 SMT工藝與傳統(tǒng)插裝工藝有很大區(qū)別，對工藝與傳統(tǒng)插裝工藝有很大區(qū)別，對PCB設計有專門要求。除了滿足電性能、機械設計有專門要求。除了滿足電性能、機械結構、等常規(guī)要求外，還要滿足結構、等常規(guī)要求外，還要滿足SMT自動印刷、自動印刷、自動貼裝、自動焊接、自動檢測要求。特別要滿自動貼裝、自動焊接、自動檢測要求。特別要滿足再流焊工藝的再流動和自定位效應的工藝特點足再流焊工藝的再流動和自定位效應的工藝特點要求。要求。 SMT具有全自動、高速度、高效益的特點，具有全自動、高速度、高效益的特點，不同廠家的生產設備對不同廠家的生產設備對PCB的形狀、尺寸、夾的形狀、尺寸、夾持邊、定位孔、基準標志圖形的設置

2、等有不同的持邊、定位孔、基準標志圖形的設置等有不同的規(guī)定。規(guī)定。2 基板材料選擇基板材料選擇 布線布線 元器件選擇元器件選擇 焊盤焊盤 印制板電路設計印制板電路設計測試點測試點 SMB設計設計可制造（工藝）性設計可制造（工藝）性設計 導線、通孔導線、通孔 可靠性設計可靠性設計 焊盤與導線的連接焊盤與導線的連接 降低生產成本降低生產成本 阻焊阻焊 散熱、電磁干擾等散熱、電磁干擾等 印制電路板（以下簡稱印制電路板（以下簡稱PCB）設計是表面組裝技術）設計是表面組裝技術的重要組成之一。的重要組成之一。PCB設計質量是衡量表面組裝技術水平設計質量是衡量表面組裝技術水平的一個重要標志，是保證表面組裝質量

3、的首要條件之一。的一個重要標志，是保證表面組裝質量的首要條件之一。 SMB設計包含的內容：設計包含的內容：3 金屬基板在散熱性、機械加工金屬基板在散熱性、機械加工性、基板大型化、電磁屏蔽性性、基板大型化、電磁屏蔽性方面表現優(yōu)異。在高頻性方面方面表現優(yōu)異。在高頻性方面是差的。是差的。 單獨采用金屬基板實現多層線單獨采用金屬基板實現多層線路板的制作方面也是差的。路板的制作方面也是差的。 但目前利用金屬基板做兩層或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，也可兩層板，甚至是多層板，也可達到很

4、好的效果。這也是金屬達到很好的效果。這也是金屬基板今后發(fā)展方向之一。基板今后發(fā)展方向之一。 一一 PCBPCB材料材料金屬基板、常規(guī)金屬基板、常規(guī)PCBPCB（FR-4FR-4基）、陶瓷基板性能對比基）、陶瓷基板性能對比41.1.玻璃化轉變溫度玻璃化轉變溫度(Tg)(Tg) 玻璃化轉變溫度玻璃化轉變溫度(Tg)(Tg)是指是指PCBPCB材質在一定溫度條件下，基材質在一定溫度條件下，基材結構發(fā)生變化的臨界溫度。材結構發(fā)生變化的臨界溫度。 在這個溫度之下基材是硬而脆的，即類似玻璃的形態(tài)，通在這個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)常稱之為玻璃態(tài); ;若在這個溫度之上，材料會

5、變軟，呈橡若在這個溫度之上，材料會變軟，呈橡膠樣形態(tài)，稱之為橡膠態(tài)或皮革態(tài)，這時它的機械強度將膠樣形態(tài)，稱之為橡膠態(tài)或皮革態(tài)，這時它的機械強度將明顯變低。明顯變低。 這種決定材料性能的臨界溫度稱為玻璃化轉變溫度這種決定材料性能的臨界溫度稱為玻璃化轉變溫度(glass (glass transtion temperturetranstion temperture，簡稱，簡稱Tg)Tg)。 玻璃化轉變溫度是聚合物特有的性能玻璃化轉變溫度是聚合物特有的性能, ,除了陶瓷基板外，除了陶瓷基板外，幾乎所有的層壓板都含有聚合物，它是選擇基板的幾乎所有的層壓板都含有聚合物，它是選擇基板的個關個關鍵參數。鍵參

6、數。5g g應高于電路工作溫度應高于電路工作溫度無鉛工藝要求無鉛工藝要求TgTg1701706 熱膨脹系數熱膨脹系數 指每單位溫度變化所引發(fā)的材指每單位溫度變化所引發(fā)的材料尺寸的線性變化量料尺寸的線性變化量 任何材料受熱后都會膨脹，高分子材料的任何材料受熱后都會膨脹，高分子材料的CTE通常通常高于無機材料，當膨脹應力超過材料承受限度時，高于無機材料，當膨脹應力超過材料承受限度時，會對材料產生損壞。會對材料產生損壞。用于用于SMB的多層板是由幾片單層的多層板是由幾片單層“半固化樹脂片半固化樹脂片”熱壓制成的，冷卻后再在需要的位置上鉆孔并進行熱壓制成的，冷卻后再在需要的位置上鉆孔并進行電鍍處理，最

7、后生成電鍍通孔金屬化孔，金屬電鍍處理，最后生成電鍍通孔金屬化孔，金屬化孔制成后，也就實現了化孔制成后，也就實現了SMB層與層之間的互連。層與層之間的互連。 73、PCB分解溫度分解溫度Td Td是樹脂的物理和化學分解溫度，是是樹脂的物理和化學分解溫度，是PCB加熱加熱到其質量減少到其質量減少5%時的溫度。當焊接溫度超過時的溫度。當焊接溫度超過Td時，時，會由于化學鏈接的斷裂而損壞會由于化學鏈接的斷裂而損壞PCB基材，造成不可基材，造成不可逆轉的降級。圖逆轉的降級。圖b是超過是超過Td溫度損壞層壓基板結構溫度損壞層壓基板結構的例子。的例子。 84.4.耐熱性耐熱性某些工藝過程中某些工藝過程中SM

8、BSMB需經兩次再流焊，因而需經兩次再流焊，因而經過一次高溫后，仍然要求保持板間的平整度，經過一次高溫后，仍然要求保持板間的平整度，方能保證二次貼片的可靠性方能保證二次貼片的可靠性; ;而而SMBSMB焊盤越來越焊盤越來越小，焊盤的粘結強度相對較小，若小，焊盤的粘結強度相對較小，若SMBSMB使用的基使用的基材耐熱性高，則焊盤的抗剝強度也較高，一般材耐熱性高，則焊盤的抗剝強度也較高，一般要求要求SMBSMB能具有能具有2602600 0C C50s50s的耐熱性的耐熱性95.電氣性能電氣性能 介電常數介電常數 ，通常要求，通常要求SMB基材的基材的 2.5。 介質損耗介質損耗 通常要求通常要求

9、SMB基材的基材的 0.02 抗電強度。要求板材厚度大于籌于抗電強度。要求板材厚度大于籌于0.5mm時的時的擊穿電壓大于擊穿電壓大于40kV。 絕緣電阻。潮濕后表面電阻大于絕緣電阻。潮濕后表面電阻大于l04MQ;高溫下高溫下(E-24/125)表面電阻大于表面電阻大于l03MQ。 體積電阻。要求大于體積電阻。要求大于l03MQcm。 抗電弧性能。要求大于抗電弧性能。要求大于60s。 吸水率。要求小于吸水率。要求小于0.8%。tantan10 選擇基材應根據選擇基材應根據PCBPCB的使用條件和機械、電氣性的使用條件和機械、電氣性能要求來選擇；能要求來選擇； 根據印制板結構確定基材的覆銅箔面數根

10、據印制板結構確定基材的覆銅箔面數( (單面、單面、雙面或多層板雙面或多層板) )； 根據印制板的尺寸、單位面積承載元器件質量，根據印制板的尺寸、單位面積承載元器件質量，確定基材板的厚度。不同類型材料的成本相差很確定基材板的厚度。不同類型材料的成本相差很大，在選擇大，在選擇PCBPCB基材時應考慮到下列因素：基材時應考慮到下列因素： 電氣性能的要求電氣性能的要求; ; TgTg、CTECTE、平整度等因素以及孔金屬化的能力、平整度等因素以及孔金屬化的能力; ; 價格因素。價格因素。6 6.PCB.PCB基材的選用基材的選用11 直角的直角的PCBPCB板在傳送時容易產生卡板，因此板在傳送時容易產

11、生卡板，因此在設計在設計PCBPCB板時，要對板框做圓弧角處理，板時，要對板框做圓弧角處理，根據根據PCBPCB板尺寸的大小確定圓弧角的半徑。板尺寸的大小確定圓弧角的半徑。拼板和加有輔助邊的拼板和加有輔助邊的PCBPCB板在輔助邊上做圓板在輔助邊上做圓弧角。弧角。122.3 PCB焊盤表面涂鍍層及無鉛焊盤表面涂鍍層及無鉛PCB焊盤涂焊盤涂鍍層的選擇鍍層的選擇 自然界中除了金和鉑金外，所有暴露在空氣中的自然界中除了金和鉑金外，所有暴露在空氣中的金屬都會被氧化。為了防止金屬都會被氧化。為了防止PGB銅焊盤被氧化，焊銅焊盤被氧化，焊盤表面都要進行涂（鍍）保護層處理。盤表面都要進行涂（鍍）保護層處理。

12、PCB焊盤表面焊盤表面處理的材料、工藝、質量直接影響焊接工藝和焊接質處理的材料、工藝、質量直接影響焊接工藝和焊接質量。另外，不同的電子產品、不同工藝、不同焊接材量。另外，不同的電子產品、不同工藝、不同焊接材料，對料，對PCB焊盤表面處理的選擇也是有區(qū)別的。正確焊盤表面處理的選擇也是有區(qū)別的。正確選擇選擇PCB焊盤表面涂（鍍）層是保證焊接質量的關鍵焊盤表面涂（鍍）層是保證焊接質量的關鍵因素之一。因素之一。13 2.3.1 PCB焊盤表面涂（鍍）層焊盤表面涂（鍍）層 PCB焊盤表面涂（鍍）層有兩種類型：有機防氧化焊盤表面涂（鍍）層有兩種類型：有機防氧化保護涂層保護涂層(OSP)和金屬鍍層。和金屬鍍

13、層。 1有機防氧化保護涂層有機防氧化保護涂層OSP (Organic Solderability Preservatives)OSP是有是有機防氧化保護劑，其涂層薄機防氧化保護劑，其涂層薄(0.30.5 um)、平面、平面性好，能防止焊盤被氧化，有利于焊接，在焊接溫度性好，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、導電性好，金屬化孔內鍍銅層下自行分解；可焊性、導電性好，金屬化孔內鍍銅層厚度大厚度大25Um。142金屬鍍層金屬鍍層 金屬鍍層主要有焊料涂層金屬鍍層主要有焊料涂層( HASL)、電鍍鎳金、電鍍鎳金(ENEG)、化學鍍鎳金化學鍍鎳金(ENIG)、化學鍍鎳鈀金、化學鍍鎳

14、鈀金( ENEPIG)、浸、浸銀銀(I-Ag)和浸錫和浸錫(I-Sn)。 (1)焊料涂層焊料涂層(Hot-Air Solder Leveling，HASL) HASL是指熱風整平法。鍍層厚度為是指熱風整平法。鍍層厚度為711um。HASL的印制板真空包裝可保存期為的印制板真空包裝可保存期為8個。個。 (2)電鍍鎳金電鍍鎳金(Electroless Ni/Au，ENEG) 電鍍鎳金的技術分為無電極電鍍電鍍鎳金的技術分為無電極電鍍(Electroless Ni/Au)和有電極電鍍（和有電極電鍍（Electroplated Ni/Au）兩種，大多采用）兩種，大多采用無電極電鍍工藝。無電極電鍍工藝。1

15、53、化學鍍鎳金、化學鍍鎳金(ENIG) ENIG：在：在PCB焊盤上化學通過化學方法在銅表面鍍上焊盤上化學通過化學方法在銅表面鍍上Ni/Au。Ni在焊錫和銅之間形成阻隔層。焊接時，外面的在焊錫和銅之間形成阻隔層。焊接時，外面的Au會迅速融解在焊錫里面，焊錫與會迅速融解在焊錫里面，焊錫與Ni形成形成Ni/Sn金屬間化金屬間化合物。外面鍍金是為了防止在存儲期間合物。外面鍍金是為了防止在存儲期間Ni氧化或者鈍化，所氧化或者鈍化，所以金鍍層要足夠密，厚度不能太薄。以金鍍層要足夠密，厚度不能太薄。 16 浸金：在這個過程中，目的是沉積一層薄薄的且連續(xù)浸金：在這個過程中，目的是沉積一層薄薄的且連續(xù)的金保

16、護層，主要金的厚度不能太厚，否則焊點將變得很的金保護層，主要金的厚度不能太厚，否則焊點將變得很脆，嚴重影響焊電可靠性。與鍍鎳一樣，浸金的工作溫度脆，嚴重影響焊電可靠性。與鍍鎳一樣，浸金的工作溫度很高，時間也很長。在浸洗過程中，將發(fā)生置換反應很高，時間也很長。在浸洗過程中，將發(fā)生置換反應在鎳的表面，金置換鎳，不過當置換到一定程度時，在鎳的表面，金置換鎳，不過當置換到一定程度時，置換反應會自動停止。金強度很高，耐磨擦，耐高溫，不置換反應會自動停止。金強度很高，耐磨擦，耐高溫，不易氧化，所以可以防止鎳氧化或鈍化，并適合工作在強度易氧化，所以可以防止鎳氧化或鈍化，并適合工作在強度要求高的場合。要求高的

17、場合。 17 ENIG的局限性的局限性 ENIG 的工藝過程比較復雜，而且如果要達到很好的的工藝過程比較復雜，而且如果要達到很好的效果，必須嚴格控制工藝參數。最為麻煩的是，效果，必須嚴格控制工藝參數。最為麻煩的是，ENIG處處理過的理過的PCB表面在表面在ENIG或焊接過程中很容易產生黑盤效或焊接過程中很容易產生黑盤效應（應（Black pad），從而給焊點的可靠性帶來災難性的影），從而給焊點的可靠性帶來災難性的影響。黑盤的產生機理非常復雜，它發(fā)生在響。黑盤的產生機理非常復雜，它發(fā)生在Ni與金的交接面，與金的交接面，直接表現為直接表現為Ni過度氧化。金過多，會使焊點脆化，影響可過度氧化。金過多

18、，會使焊點脆化，影響可靠性。靠性。 18 4、化學鍍鎳鈀金、化學鍍鎳鈀金(ENEPIG) 化學鎳鈀浸金的原理：化學鎳鈀浸金的原理：ENEPIG與與ENIG相比，在鎳相比，在鎳和金之間多了一層鈀。和金之間多了一層鈀。Ni的沉積厚度為的沉積厚度為120240in（約（約36m），鈀的厚度為），鈀的厚度為420in（約（約0.10.5m），金的厚度為），金的厚度為14in（約（約 0.020.1m）。）。鈀可以防止出現置換反應導致的腐蝕現象，為浸金作好充鈀可以防止出現置換反應導致的腐蝕現象，為浸金作好充分準備。金則緊密的覆蓋在鈀上面，提供良好的接觸面。分準備。金則緊密的覆蓋在鈀上面，提供良好的接觸面

19、。 19 5、浸銀、浸銀(Immersion silver) 浸銀的工作原理：通過浸銀工藝處理，?。ńy的工作原理：通過浸銀工藝處理，?。?15in，約約0.10.4m）而密的銀沉積提供一層有機保護膜，銅）而密的銀沉積提供一層有機保護膜，銅表面在銀的密封下，大大延長了壽命。浸銀的表面很平，而表面在銀的密封下，大大延長了壽命。浸銀的表面很平，而且可焊性很好。且可焊性很好。 浸銀焊接面可焊性很好，在焊接過程中銀會融解到熔浸銀焊接面可焊性很好，在焊接過程中銀會融解到熔化的錫膏里，和化的錫膏里，和HASL和和OSP一樣在焊接表面形成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，同時不像

20、金屬間化合物。浸銀表面共面性很好，同時不像OSP那樣那樣存在導電方面的障礙，但是在作為接觸表面（如按鍵面）時，存在導電方面的障礙，但是在作為接觸表面（如按鍵面）時，其強度沒有金好。其強度沒有金好。 浸銀的局限性：浸銀的一個讓人無法忽略的問題是銀的浸銀的局限性：浸銀的一個讓人無法忽略的問題是銀的電子遷移問題。當暴露在潮濕的環(huán)境下時，銀會在電壓的作電子遷移問題。當暴露在潮濕的環(huán)境下時，銀會在電壓的作用下產生電子遷移。通過向銀內添加有機成分可以降低電子用下產生電子遷移。通過向銀內添加有機成分可以降低電子遷移的發(fā)生。遷移的發(fā)生。 20 6、 浸錫浸錫 浸錫原理：由于兩個原因才采用了浸錫工藝：其一是浸浸

21、錫原理：由于兩個原因才采用了浸錫工藝：其一是浸錫表面很平，共面性很好；其二是浸錫無鉛。但是在浸錫錫表面很平，共面性很好；其二是浸錫無鉛。但是在浸錫過程中容易產生過程中容易產生Cu/Sn金屬間化合物，金屬間化合物，Cu/Sn金屬間化金屬間化合物可焊性很差。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金屬間化合物的產生。浸錫顆粒必須足夠小，而金屬間化合物的產生。浸錫顆粒必須足夠小，而且要無孔。錫的沉積厚度不低于且要無孔。錫的沉積厚度不低于40in（1.0m）是比）是比較合理的，這樣才能提供一個純錫表面，以滿足可焊性要較合理的，

22、這樣才能提供一個純錫表面，以滿足可焊性要求。求。 浸錫的應用和局限性：浸錫的最大弱點是壽命短，尤其浸錫的應用和局限性：浸錫的最大弱點是壽命短，尤其是存放于高溫高濕的環(huán)境下時，是存放于高溫高濕的環(huán)境下時，Cu/Sn金屬間化合物會金屬間化合物會不斷增長，直到失去可焊性。不斷增長，直到失去可焊性。 21 2.3.3 無鉛無鉛PCB焊盤涂鍍層的選擇焊盤涂鍍層的選擇 無鉛焊接要求無鉛焊接要求PCB焊盤表面鍍層材料也焊盤表面鍍層材料也無鉛化。目前主要是用非鉛金屬或無鉛焊料無鉛化。目前主要是用非鉛金屬或無鉛焊料合金取代合金取代Pb-Sn熱風整平（熱風整平（HASL）、化）、化學鍍鎳金學鍍鎳金(ENIC)、化

23、學鍍鎳鈀金、化學鍍鎳鈀金(ENEPIG)、Cu表面涂覆表面涂覆OSP、浸銀、浸銀(I-Ag)和浸錫和浸錫(I-Sn)。 選擇無鉛選擇無鉛PCB焊盤涂鍍層必須考慮焊料、焊盤涂鍍層必須考慮焊料、工藝與工藝與PCB焊盤涂鍍層的相容性。焊盤涂鍍層的相容性。 22 1、PCB焊盤涂鍍層與焊料的相容性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度也不同。不一樣的，因此它們之間的連接強度也不同。 2、PCB焊盤涂鍍層與工藝的相容性焊盤涂鍍層與工藝的相容性 (1)無鉛焊料合金熱風整平無鉛焊料合金熱風整平

24、(HASL) 目前，無鉛焊料合金熱風整平的焊料主要有目前，無鉛焊料合金熱風整平的焊料主要有Sn-Cu-Ni+Ge（鍺）或（鍺）或Sn-Cu-Ni+Co（鈷）兩種。其中（鈷）兩種。其中Sn-Cu-Ni+Ge（鍺）的成分為（鍺）的成分為Sn、0.7% Cu、0.05% Ni和名義含量和名義含量6510-6的的Ge。 23 （2）ENIG(Ni/Au) ENIG耐氧化、可焊性好、鍍層表面平整，適用于無鉛耐氧化、可焊性好、鍍層表面平整，適用于無鉛高密度高密度SMT板的雙面再流焊工藝。板的雙面再流焊工藝。 （3）化學鍍鎳鈀金）化學鍍鎳鈀金(ENEPIG) ENEPIG與與ENIG相比，可避免黑盤和金脆現象，它的相比，可避免黑盤和金脆現象，它的可焊性和可靠性比可焊性和可靠性比ENIG好，適合于軍工和高可靠的無鉛好，適合于軍工和高可靠的無鉛產品與有鉛、無鉛混裝產品。產品與有鉛、無鉛混裝產品。 （4）浸銀工藝（）浸銀工藝（I-Ag） （4）浸錫工藝（）浸錫工藝（I-Sn） （4）有機防氧化保護涂層