PCB加工技术现状和未来发展趋势.doc

PCB（印刷电路板）加工技术现状和未来发展趋势 杭州电子科技大学电子信息学院CAE研究所 杨备备 201151057摘要：印制电路板几乎是所有电子装置，即小到MP3大到发电厂的控制元件的核心部件。在100 多年的发展史中，印制电路板在功能、大小和生产成本等方面经历了很大的变化，尤其是近年来，由于集成电路不断地小型化，印制电路板的封装密度有了大幅度的提高，其中个人计算机的发展就是PCB技术取得重大进步的一个最好的例子。目前台式计算机的计算能力已经超过20 世纪六七十年代第一台超级计算机，而价格比当时小型计算器的价格还低。另一个例子是用于全球通讯的移动电话，在短短几年时间内就由昂贵笨重“狗骨”型，发展到小巧玲珑并具有全球范围的通话和数据服务功能重要通讯工具。 电子产品功能的日益复杂和性能的提高，作为电子产品心脏的印刷电路板的密度和其相关器件的频率都不断攀升，工程师面临的高速高密度PCB 设计所带来的各种挑战也不断增加。传统的印制板已经不能够满足现有的需求，特别是在航天航空等领域信号传输的高频化、数字化、高密度化、高精细化。PCB 技术将发生历史的变革，传统的PCB 板将向HDI 板、埋嵌元件印制板、刚挠性印制板过渡并向以光信号为代表的光印制板发展。 关键词：PCB技术；加工技术；HDI首先介绍一下PCB的发展历史进程：PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板，印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。印刷电路板的发明者是奥地利人保罗爱斯勒（Paul Eisler），他于1936年在一个收音机装置内采用了印刷电路板。1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机内。1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。自20世纪50年代中期起，印刷电路版技术才开始被广泛采用。在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。而现在，电路面板只是作为有效的实验工具而存在；印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位。印制电路板的规格比较复杂，产品种类多，一般可以按照PCB的层数、柔软度和材料来类。按层数可分为：单层板、双层板和多层板；按柔软度可区分为刚性印制电路板和柔性电路板；按材质可区分为：覆铜箔板和积层板的绝缘材料。 图1 单层板 图2 双层板印制电路板从最初的单面板到双面板，发展到现在的40 层板。起初主要应用于复杂昂贵的体系如大型计算机，后来印制电路板便被用于便宜的电子产品中，如68 层的手机板。多层PCB 的标准制作是通过内层图形层的叠加而成，层与层之间放半固化片（环氧玻纤材料，0.1mm0.3mm 厚）。层压时，在温度为160180 ，压力为10bar20bar 条件下，经过约1 小时左右完成固化。外层制作可由上述的任何一种电镀涂覆技术完成。 在90 年代早期，出现了顺序积层法（SBU）技术。主要是以4 8 层的标准多层板为芯板，积层由50mm 厚的高分子绝缘层和在其上沉积的金属（通常化学镀、压延或溅射）组成。不同层之间通过液体蚀刻、等离子蚀刻或激光烧除的方法形成微盲孔互连。过去10 年间，出现了多种不同的SBU 技术，至今尚未有一种成为主导技术。SBU 多层板也被称为HDI 板（即高密度互连板），它的一大优点就是高密度性，这是用标准技术所不能达到的。 图3 多层板 图4 硬性板 图5 扰性板从PCB层数和发展方向来分，将PCB分为单面板、双面板、常规多层板、扰性板、HDI（高密度互联）板、封装基板等6个主要细分产品。从产品生命周期“导入期成长期成熟期衰退期”等4个周期维度来看，其中单面板、双面板由于不适合目前电子产品短小轻薄的应用趋势，正处于衰退期，其产值比例逐渐减少。由于以MPU等为中心的半导体器件和其它电子元件的进步，电子设备的硬件年年都取得了显著的发展。与之相平行的电子设备的软件进步也很大，由于两者的发展，无限增大了电子设备的便利性。电子设备是由电子元件的集积构成的，在PCB上安装电子元件，通过焊接而连接。这种形态几乎没有变化，在封装基板上安装LSI芯片，再把它安装在母板上，这是基本的形态。由于设备的高性能化，在封装基板上安装数枚芯片，通过SiP（System in Package）集成为高性能部件。作为封装基板(也称为插入板Interposer或者基板Substrate的绝缘材料有硅基板，套瓷基板和有机树脂基板等，正在进行基板材料的许多开发。本文就支持最先端电子设备的PCB技术的最新动向加以叙述。1 PCB基板材料 电路板的基板一般是以环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等为粘合剂，以纸或玻璃纤维为增强材料而组成的复合材料板，在板的单面或双面压有铜箔。1.1 纸基酚醛树脂板（FR-2）1.2 玻璃纤维环氧树脂板1.3 聚酰亚胺1.4 其它聚合物基板材料1.5 陶瓷2 PCB制造工艺 对于PCB，根据所使用电化学过程分为三种技术：减成法技术、半加成法技术和加成法技术。正如名字所表达的那样，在减成法技术中，除了图形之外的表面压合的金属被去除，而在加成法技术，在聚合物表面起初没有金属层，只在想要图形区域沉积金属。半加成法技术介于两者之间，但从制造过程看，更接近于减成法技术。所有几项技术的原理都是金属在液体中溶解或者通电后金属离子在阴极被还原沉积（即氧化还原过程）。根据这三项技术，发展出多种工艺，其中，使用最广泛的是通过蚀刻的减成法技术，它也是生产电路板最便宜的方法。2.1 蚀刻减成法技术蚀刻技术是生产电路板最基本的方法。它特别适用于不需化学镀和电镀的单层电路板，也是最便宜的技术。按图案印刷抗蚀层后，用氯化铜溶液将露出的铜溶解，然后，去除抗蚀层，再印刷阻焊层覆盖线路层，露出需要焊接和表面贴装的焊盘。最后，用冲床一次冲出所有的孔，并在PCB表面涂上有机可焊性保护层，该保护层有效期约六个月。2.2 金属抗蚀层减成技术 金属抗蚀层减成技术是多种电镀方法的统一体，但为了满足现在微电子装置的要求，在近几年中有了很大的改进。它主要的工艺步骤如图5，但必须指出的是在真正的电路板生产过程中要用大约3040个独立的工序。例如在所有流程之间要用水漂洗，它可以防止浴槽污染，也可以起到在碱处理后接着进行酸处理时，调节pH 值的作用。 钻孔完成以后，接下来要用中等强度的酸来表面处理，起初没有金属的孔，必须沉积一层金属层，这需要先引入晶种（如SnPd 化合物），然后再进行化学沉铜，如下式所示： 反应中，甲醛作为还原剂提供电子。这一过程很慢（约1mm/h1.5mm/h）,对槽液组成要求比较严格。 在不连续的生产过程当中，化学镀前必须先活化槽液，结束时还要进行去活化，否则镀液中的铜将一直沉积到槽壁上。然而，化学镀的优点是：无论材料导电与否，它可以化学镀，且与电镀相比，厚度均匀分布且不受零部件形状的影响。由于化学镀的速度很慢，化学镀铜层厚度只有0.3mm 左右，因而需要再通过电镀加厚至3mm5mm。电镀速率快得多（大约155mm/h），但要求材料表面具有导电性。当金属厚度已经满足后续工序的要求后，贴抗电镀干膜，然后用线路图形的菲林进行曝光、显影，这样印制电路板上除图形外的其它部分都被覆盖住，在后续电镀过程只在图形上电镀金属层（即图形电镀）。在图形电镀中，先电镀15mm20mm 的铜层，再在铜层上电镀3mm5mm厚的Sn 层（或Sn/Pb 层）。Sn层有两种作用：（1） 保护下层的铜在蚀刻中不被蚀刻（这是该工艺称为金属抗蚀层的原因）；（2） 提供了较好的可焊性。最后，印刷液体阻焊层或者压合阻焊膜，覆盖除焊盘外的其它部分。 金属抗蚀层技术的一个严重缺陷为线路过蚀。蚀刻剂不仅蚀刻垂直于板面方向的铜，也蚀刻平行于板面方向的铜。这也就是说，两边蚀刻铜的厚度接近基铜厚度（精确应该加上化学镀铜层厚度和印刷抗镀层前的电镀铜的厚度）。因此，如果被蚀刻的铜层厚度为t，总的过蚀宽度为2t，因而用这种工艺所能达到的最小线宽总是大于2t。因此为了得到更精细的线路，压制的铜箔厚度不应为18mmm而应是9mm或5mm（薄的铜箔比较难以操作，价格也贵得多）。由于过蚀引起的另外一个问题是线路表面的悬锡。线路上的悬锡在受到很小的机械力的作用（如印刷阻焊层）时，就可能成长的碎片，而导致线路间短路。 金属抗蚀层减成法技术在八十年代后期之前一直被广泛使用，直到PCB 线宽间距不能满足SMD要求后。通过增加特殊的工序热风整平工艺（HAL）可以消除金属抗蚀层减成法技术的缺陷。HAL 技术是金属抗蚀层减成法的进一步改进，在图形蚀刻和阻焊层印刷之间将锡层蚀刻（退锡），这样就可以消除悬锡问题。用碱性溶液将裸露的铜表面氧化（就像多层板内层氧化处理一样），然后印刷阻焊层。为了防止氧化的焊盘铜面吸湿，必须去除氧化层。最后，将PCB 放进溶解的焊料中，多余的焊料可用热风吹走（这也是该技术取名“热风整平”原因）。经过HAL工艺的PCB显示出好的可焊性，很适合精细的线路，这也是该工艺在九十年代盛行的原因。 然而，焊盘上Sn（或Sn/Pb）的厚度因线路几何图形及热风管口位置的变化而可能差别很大。伴随而来的一个小问题就是焊盘中靠近通孔位置的锡层较薄，另外一个比较严重的问题就是如果在集成块引脚数较多的锡层厚度不均匀，即使印刷焊膏（有一定的整平性），也可能产生部分引脚无法焊接到PCB 上导致开路。 这些问题使得近年来使用HAL 工艺的PCB大幅降低，而铜面Ni/Au 或铜面浸Sn 工艺的应用则不断增加。两种方法都属减成法技术，工艺流程与图5 相同，只是最终的表面处理层是Au 或Sn。这些表面处理实际是Au 原子或Sn 原子取代已沉积到表面的原子的浸渍过程。因为Au 的作用主要是保护底层Ni 不被氧化，因而其厚度一般小于0.1mm，而Sn 层则需要0.5mm1mm。然而，由于浸渍过程是时间平方的函数，需要很长的时间才可能得到1mm 或1mm 以上的锡层厚度，因而锡层的厚度一般不超过0.5mm0.8mm。 图 5 对于浸Au，必须在Au 和Cu之间增加一层Ni层，这是因为，Au 扩散到Cu 的速度很快，这将导致铜面上的Au 很快消失，而使铜面氧化。Ni 作为Au 和Cu中间的阻挡层非常普遍，部分元器件已经将此作为了标准。2.3 加成法技术 一般看来，印制电路板加成法技术是比较受欢迎的方法，它只在聚合物基板上有线路图形的地方镀覆金属，不需压合金属箔片，也不会造成蚀刻剂的浪费。但要做到这点并不容易。首先，只能采取化学镀，要达到上述铜厚，需要一天左右时间，这大大超过了任何一种减成法技术所需要的时间；其次，在环氧树脂或其它聚合物表面化学镀铜的结合力很弱，而一般压合铜箔与树脂的结合力超过5N/mm。通过化学镀前增加粘结层虽然可以提高结合力，但这样增加了制作成本，同时也达不到压合时的抗剥强度。正是由于上述原因，致使加成法技术至今仍极少使用。2.4 半加成法技术 尽管该技术中含有“加成法”一词，就其流程而言则更像减成法技术。与金属抗蚀层减成法技术相比，半加成法技术的基铜较薄，为5mm9mm（见图6）。但前四个步骤相同，最大区别在于“图形电镀（pattem plating）”的铜厚度为30nm40nm（这与“加成法”一词相一致）。当电镀抗蚀层去除后，进行“有差别”蚀刻，即整个未受保护铜面将统一被蚀刻去一定厚度（基铜铜厚和全板电镀的铜厚之和）。因为图形的的铜层其它地方铜层厚得多，所以蚀刻后仍可以确保PCB的功能。PCB 上裸露的铜面既可用HAL 法处理也可以涂覆有机可焊性保护膜（OSP），6 个月之内可以保证其可焊性。 图 62.5 选择性Sn工艺 前面所提的几种镀覆技术已经较好地满足了近年来高密度的SMD 板的要求。（1） SMD 焊盘表面好的平整性；（2） 在铜线路上没有金属防腐层；（3） 可焊性较好（表面Sn 层厚度大于2mm）；（4） 制造成本较低。下面介绍一种新的技术选择性电镀锡（Selec Tin），它是现有技术全新的有机组合。顾名思义，只在焊盘上进行电镀锡，这样电镀锡的速度比上面所提的浸锡的速度要快得多，从而电镀锡层厚度可以在很短时间超过1mm。事实上，该技术是金属抗蚀层减成法和半加成法两种方法的结合，具有两个独特的特点（见图7）。 图 7（1）需要印刷两次抗镀层，第二次印刷图形决定了哪些区域需要进行选择性镀锡，以供以后焊接（该图形与阻焊层的图形完全一样，但在电镀结束后需要去除）。（2）对线路的化学钝化工艺可采用与多层板层压时内层线路的相同工艺钝化。 在印制电路板（PCB）制造过程种印刷两次抗镀层是比较罕见的，但在该技术中，它可以用电镀代替化学镀。对于精细线路图形的阻焊印刷有时需要根据线路图形作一定的调整，而选择性镀锡工艺对铜面的钝化则是十分简单，通过快速浸渍就可完成。钝化的铜面不会被熔融的焊料浸润，起着与阻焊层相同的作用，如果需要也可以进行阻焊印刷。虽然选择性镀锡的表面也浸渍在钝化溶液中，但其可焊性不会因此而受影响。2.6 电镀设备 在化学镀和电镀时，印制电路板（PCB）的传送有两种方式：垂直传送和水平传送。早期的电镀设备是垂直式的，这类设备目前仍广泛使用。PCB通过夹具固定在飞巴上，然后由PLCs控制飞巴水平传送，而PCB是被垂直浸在镀液中。在处理过程中，PCB在溶液中水平方向慢慢运动，使得PCB表面的溶液保持新鲜，这是孔金属化的极为重要的一步。然而，随着印制电路板的孔的微小化，孔的厚径比（AR）不断增加，孔中溶液不能充分流动，因而近年来，水平电镀线的安装数量不断增加。在水平电镀线中，PCB 水平传送，溶液通过加压在孔中流动，这样，即使是微小孔（孔径小于200mm），其电镀效果也很好。尽管印制电路板的水平电镀线价格更贵，且相对垂直电镀线需要更大的安装面积，但它却是大规模生产高密度互连印制电路板的唯一选择。 图83特种（miscallaneous）PCB技术一些基于聚合物的技术可以用来替代标准的PCB 电镀技术，不过只有很少的几种能应用于工业生产中。3.1 金属芯板技术 当电子器件工作功率很高时，需要有很好的散热效果。此时，聚合物基材料因其很差的热导性和热稳定性（约0.3W/mK400W/mK）而表现出很大的缺陷。证据表明，金属芯板在高功率时具有很大的优越性。最初是用钢铁片作为金属芯板，不仅表现出了很好的热性能而且比FR-4 更便宜，同时还具有良好的冲孔性。然而在成孔后，金属片与聚合物层完全隔离了，特别是在孔内，聚合物层中任何一个针孔都会导致线路短路。可通过层压铜箔和其后的减成法过程，或者通过化学镀和电镀以及其后的减成/半加成法来进行金属化。 通过利用铝片来代替钢片的做法可以形成两层隔离层，这样做是很有必要的。用铝片来代替钢片会失去成本优势，不过可以更好地满足热导性和热稳定性，即采用金属芯板的PCB 上线路的电流负载可以达到FR-4 PCB 板的35 倍。小批量金属基PCB 通常应用在计算机主机上和电源供应器上。最近几年来，厚铜PCB 同样可以应用于计算机主机上和电源供应器上，并且具有相当低的成本。3.2 多重布线（Multi-wire）技术 多重布线技术的基本思想是在元器件和通过电镀与蚀刻形成的铜线路之间进行互连，这样可以节省设计所需的时间，板子可以做到34 层。线路可以通过专门的自动化设备来拉伸并且通过振动方法把其压到PCB 表面，在这之前，PCB 需要钻孔、孔金属化和表面涂覆。在组装有线元器件后，PCB 板需要进行波峰焊，因而已经被放入通孔内的金属线就能与元器件互连了。 采用多重布线技术可以快速完成少量测试PCB板的制作，在大批量制作时则显得很慢。而且，在高频时，由于线路图形完全不同，多层板的电性能不能转变成标准的或HDI 多层板。因此，从总体上看，在大批量生产时，多重布线技术并没有节省时间，其只适合于小批量生产。实际上，尽管多重布线技术有多次突破，其在世界范围内并没有发挥重要的作用。 几年前，一家德国公司通过改进的方法开始进行多重布线设计和小批量生产。为了代替标准线路，孤立线路之间通过电镀方法相连，这些线路被埋置在内层且被负载高电流，而这些线路所传递的信号被转换成标准形式。3.3 三维模铸互连器件技术 19世纪80年代，美国公司Allen Bradly提出这样一种概念，它避免了在电子器件内部制作电路板，而是使用塑料壳的内表面作为电子回路的载体。大约十年以前，德国的一所大学重提了这个概念，并把它称为三维模铸互连器件，线路与这种器件的注射成型壳相连接。有许多方法可以将导电的铜线路与塑料壳的内表面相连结。但是在适中的价格范围内，没有一种方法可以实现高的封装密度。并且，要在表面的任何角度自组装SMD 并焊接胶合它们，还需要克服生产中的许多困难。因此，三维模铸互连器件（3D-MDI）的应用受到限制，只能是一些元器件组装的模式。4 元器件安装 电子元器件或是通过引脚与PC 通孔相连，或是通过SMD 贴装在PCB 的表面。引线元器件的自组装仪器在许多工厂都可以找到，他们被优化来适应特殊的元器件类型，比如轴向（电阻）、径向（电容）或者是芯片中的DIP 双引脚封装。每一种机器仅组装一种元器件，因此，在一条完整的自组装元器件生产线上，不同的组装设备被依次安放在一条自动传输线上，组装速度在5 00015 000 个元器件/ 小时左右。然而许多PCB 上还有一些特殊的元器件和接插件或者开关器件，它们不能使用标准的自动安装机器来安装，他们大都在自组装以后由人工来组装完成。 引脚元器件逐渐被SMD 取代。SMD 有极大的优势，因为它没有引脚，因而不需要弯曲或剪断，因此，同一台机器可以组装专门类型的SMD 。事实上，这是八十年代PCB 上SMD 技术发展的初步目标。事实证明，采用先让其中一台设备来专门高速贴装小型的SMD 在让另一台设备来精确低速组装大型SMD 的方法是最有效的组合。通常在PCB 中，小型无源元器件的数量比大的IC 多得多。我们也可以将两种组装设备在生产线中连接起来，而不至于出现瓶颈现象。大规模生产的SMD 自组装设备可以通过自动光学校正系统来调整，而不需要接触到元器件。这种SMD 自组装设备的速度可以达到50000 个元器件/ 小时。 互连技术元器件和PCB 之间的互连可表示如下（按重要性排列）：（1） 软焊接；（2） 引线结合法；（3） 导电胶合；（4） 压接技术；4.1 压接技术 压接技术最初用来在开关系统中制备厚度大于1.6mm 的背板。顾名思义，压接技术就是引脚元器件被直接压接到通孔中而不需要任何焊料和导电胶。老的刚性压接技术由于刚性引线在插装时通常会发生巨大的形变，从而导致金属导通的失效。因此，已全部被弹性压接技术所取代，这种技术在于它的引线在被压入通孔时会发生弹性形变。这项技术要求具有较小的小孔直径公差、铜镀层的厚度大于25mm以及PCB 的厚度不小于1.6mm。如果这些要求能够满足，那压接技术就可与焊接技术相比。如果PCB 需要在双面组装SMD，且在二次回流焊SMD 后还必须插装少量的如接插件和开关器件那样的引脚元器件时，则压接技术是首选方案。由于这种连结可以达到最高的封装密度，压接技术将在未来的PCB 中扮演越来越重要的角色。4.2 导电胶法 通常有两种导电胶粘剂：各向同性胶和各向异性胶。各向同性胶粘剂由聚合物（主要为环氧树脂）和金属粒子胶（主要为Ag 颗粒），聚合物提供机械强度而金属成分（重量占80%）则起到导电和导热作用。因此需要找到高强度和高传导性的最佳点。也就是说，导电胶法不如焊接法的导电性好。当要求高弹性并且在裸芯片打线连接时不得有助焊剂残留，各向同性胶粘剂可以在PCB 中使用。各向异性胶合剂也是由聚合物与金属粒子组成（球状，半径为几个微米）组成。不单是金属球，而且表面金属化塑料球也应符合要求。各向异性胶粘剂的关键是聚合物和金属粒子的准确混合。因为两部分之间的传导性仅由单层金属球来连接。如果金属含量过低，在平面方向将不会形成金属球链，也就是说，和单个小球相比只是在垂直方向有传导能力。各向异性传导胶粘剂广泛的应用在具有挠性连接的LCD 中。这两种胶粘剂都需要在其表面覆盖非氧化型的金属表面，因此我们通常在上面覆盖一层镍和金层作为表面涂覆处理。4.3 引线连接法 引线连接法是把芯片和引线框架连接起来的标准技术，随后引线框架被焊接到PCB 上。集成电路制作公司每天要生产数百万的引线连接，另外这个技术还能够直接使用在PCB 上（即COB 技术）。尽管一级互连（芯片和引线框架之间）可以被省略，但是在九十年代，一些专家认为COB 技术不能在较大的容量范围内代替焊接技术。主要有两个原因：（1）引线结合法需要非常清洁的表面，如果先焊接，则表面很难保持清洁；（2）引线结合法是微焊技术，如果众多引线中有一条未能连接成功，那么，整个PCB就得报废。因此，COB技术一般只用在相对简单的地方比如电话卡。随着集成电路倒装技术的应用，COB 的使用将会变得更少。4.4 软焊接 目前，最重要的互连技术是软焊接。焊接是基于一种金属间化合物（IMC）形成的技术，IMC 中，至少有一种是焊接剂的组分和PCB 或电子器件的表面金属层，Sn37Pb 标准焊料占了世界90% 以上的焊料消费量。在Cu 表面焊接Sn37Pb 会形成Cu3Sn 和Cu6Sn5。这些IMC 是不稳定的，在焊接过程中一般只能达到几个微米厚度，过厚时在操作中会发生热机械应力而使焊接点易于损坏。焊接方法可以分为大量焊接和连续焊接两种。连续焊接也就是一个焊接点接着一个，或者是平行同时焊接几个点，比如用烙铁进行人工焊接、激光焊接和热棒焊接等。 波峰焊和回流焊被广泛应用于大量生产中，因为同时可以生成许多焊接点。老的波峰焊接技术，作为一种标准应用在引线元器件上，通常会受一些元器件类型和封装密度的限制，同样的情况也发生在SMD 上。在浸入熔融的焊料之前，SMD 必须先用胶粘剂固定在PCB 上，而在回流焊中则不需要。 回流焊在SMD 中应用很广泛，并且近年来随着“孔内焊膏技术”的发展，也成功应用到一些引线元器件类型中，先在焊盘上放置一些焊料的回流焊比波峰焊接更加有效，因为后者通常不必提供焊料。一般来说，焊料中包含球形焊料微粒（10mm15mm）、助焊剂和粘合剂则被用来调节粘性，然后在焊盘上印上8mm150mm 厚度左右的焊料，把SMD 放在焊料上而不再加其它粘合剂。在回流炉中，焊料大约在215265左右熔化，具体多少温度则取决于焊料的类型、元器件的大小以及PCB 的型号。尽管焊料中90%的重量为金属粒子，不过由于助焊剂和粘合剂比重较小，占总体积50% 的组分是易挥发的物质，这些必须在回流焊接过程中挥发掉，因而回流焊接比波峰焊接要慢，回流焊接所需时间为30 秒80 秒，而波峰焊则仅为2 秒4 秒。 几乎所有的焊接技术都需要使用助焊剂来除去金属表面的氧化物，这些氧化物在焊接过程中是不可湿润的。根据表面可焊性的要求，助焊剂可以是温和型也可以是强腐蚀型的（如HCl）。由于这些强腐蚀性助焊剂的残留物可能会引起电迁移和腐蚀作用，因而在焊接之后必须小心除去。随着SMD 的生产，人们更偏好于使用温和型助焊剂，但其在元器件节距在 1/100mm 以下的处理效果还不能确保。因此，大部分助焊剂和焊料都不是清洁的，如果不做进一步处理，残留物将会留在PCB 之中。4.5 无铅的挑战很久以来，共熔合金SnPb（37%Pb）被作为软焊接的标准。它具有183的最低共熔点、优异的机械性能和成本低的优点。众所周知，铅是有毒的，能在人体内富集并能导致数种疾病。因而，欧盟规定，从2006 年7 月1 日开始，铅和其它几种危害性物质被禁止在绝大部分电子产品和电子设备中继续使用。这个法律对人类健康和人类环境的影响非常值得怀疑，因为全世界软焊接所用的铅只占总用铅量的5%。并且无铅焊接会消耗很多的能量。但是无论如何，整个电子行业都必须走向无铅焊接，不管在欧盟或是在世界上的其他国家。“无铅”真正确切的含义是指在整个电子产品中不得含有超过0.1%（wt）的铅。在这个法律被讨论的十多年中，人们进行了大量的研究来寻找低含铅量的代替品。目前开发的产品中主要成分是Sn（90% 以上）， 加上14 种合金成分（Ag、Bi、Bu、In、Sb、Zn 和一些微量元素）。大部分合金只能稍微降低的锡的熔点（232），但增大了张力和硬度。目前最常见的无铅合金为Sn（04%）Ag（00.8%）Cu，二元合金中，Sn0.5Cu 适用于波峰焊接。而三元合金中，Sn3.5Ag0.5Cu则适用于波峰焊接和回流焊接。在合金组成中，可能会有 0.3% 的变化，但是通常银和铜的总含量不会超过4%。 目前与Sn Ag Cu 成分不同的还有Sn Zn 焊料（含或不含Bi），其共熔点为199（Zn9%（wt），比Sn Ag Cu 的熔点低得多。为何这种合金不能取代Sn37Pb 呢？这是由于锌和氧有较大的亲和性，当打开焊料之后（Sn9Zn），焊接剂就变得很硬。后来日本的一些公司克服了这个问题。最近调查表明，开发者对该焊料的可制造性和可靠度充满自信。无铅焊接的最主要的问题是焊接点的可靠性。虽然研究了低温焊料，但是现在主要的焊料是熔融温度高的Sn-3.5AgSn-3.3Ag-0.7Cu。因此，安装的元件和安装元件的PCB的耐热性成为关注的课题。如果使用耐热性低的复铜箔板，焊接时担心发生如图9所示的裂纹。因此要求提高耐热性，尤其是高精细PCB的孔径小，耐热性的提高是不可缺少的。 在一个含有SMD 的PCB 上含有数千个焊接点，如果其中一个焊接点失效，将会导致整个系统的失效。因此，必须做许多测试来确认焊点的可靠性，其中一个标准的方法是在超过焊接温度的条件下进行热循环加速老化试验并随后检查：（1） 通过光学或SEM 检查焊点表面裂缝；（2） 焊接点的剪切强度；（3） 0 欧姆电阻系列的电阻；（4） 内部裂缝的切片。 每种方法都各有优劣，表面裂缝能在热循环中很早发现，但它并不意味着焊接点在最近的一段时间内回失效。另一方面，0 欧姆电阻系列的电阻值将随着热循环次数的增加而增大，但是即使直到其中一个电阻从PCB 脱落时其电阻值的变化还不是很明显。在预测焊点寿命时最复杂的方面就是测试与操作条件之间的加速因子，测试中高的温度振幅将得到大的加速因子，可用下式表示： 测量温度振幅在-20/+100时，意味着操作温度在+10/+70范围，此时加速因子f 为4，热循环通常在最低温与最高温之间缓慢转变中进行或者通过热冲击进行，即在高低温箱中迅速转换。尽管通过热循环试验可以在指定时间内完成更多的循环次数，但必须指出的是，对于焊点来说，缓慢的热循环过程由于其需要更长时间而变得很难测试。数百个研究结果表明，无铅焊接的特点可以归纳如下：（1） 所有无铅焊料的表面可湿润性均低于Sn37Pb 的表面可湿润性；（2） 在足够的焊接温度和时间下焊接，无铅焊料具有相近或更高的应力，并且热循环之后将更大；（3） 无铅焊料的蠕变力比Sn37Pb 的更高；（4） 更高的焊接温度（上升2040）对元器件（特别是电解电容和微处理器）和PCB 都不利；（5） 高锡含量将增加电迁移和锡须的产生。无铅制程中的焊点虽说不会产生可靠性的问题，但会带来对元器件的热损害问题和长期使用后潜在的电迁移和晶须风险。纵观世界范围内的研究现状，日本在此领域的技术水平领先了其他国家3年5年，德国则紧随其后。5 表面涂覆5.1 金属涂覆电流是由铜排条输送到印制电路板上。暴露于空气中的铜象其它贱金属一样易迅速氧化。无论铜氧化为氧化铜或氧化亚铜，导电性都会变差，故在焊接前必须先除去表面氧化层。采用打线或导电胶技术将印制电路板和元器件互连起来。铜的氧化物只能用强酸除去，不过这些强酸应尽量避免使用，因为它们的残留物会引起后续的腐蚀和电迁移问题。另一方面，由于表面安装元件的节距在0.01mm 左右，因此在高密度的SMD 板上除去这些残留物是不可能的。因而，我们对铜表面进行涂覆处理以防止铜氧化，通常的表面涂覆方法有以下几种：（1） 电镀锡（Sn/Pb），厚度在3mm8mm 左右；（2） 热风整平锡（或Sn/Pb），厚度在0.5mm10mm左右；（3） 化学镀（浸）锡，厚度在0.3mm0.1mm左右；（4） 在3mm5mm厚的镍阻挡层上的闪镀（浸）一层小于0.1mm厚的金层；（5） 有机可焊性保护膜（OSP）。除此之外，还有一些正在研究其它金属涂覆方法，如已在小样生产的化学镀银或铅。根据相关技术，应选择最合适的表面涂覆方法。表面抛光剂必须具有较强的粘接性，如果元器件是通过焊接与印制电路板相连（这是目前为止在印制电路板上使用最为广泛的技术），则要求表面涂覆后具有优异的焊接性。表面可焊接性可由很多测试手段检测，其中湿润天平法是最精确的方法，样品先浸在熔融的锡锅里，然后在被提起之前在锡锅中保留一定的时间（如波峰焊时经过2 秒5 秒，回流焊时经过30 秒80 秒）。整个过程中，力与时间的关系表现为一特征湿润曲线。样品的浮力可用样品浸入体积乘以样品焊接剂的质量来计算。即 曲线不是以0 值为参照点而是以浮力线为参照点。 如果湿润性很好，曲线上会表现出一个最大力，说明焊接剂确实在样品表面产生了最大拉力。这个最大力常与样品浸渍部分的周长有关。不仅最大力可由湿润曲线得出，其它一些性能如曲线最大斜率显示了浸渍速度，完整的力时间曲线体现了湿润力与速度的关系。很多湿润天平试验结果表明，热风整平表现了最佳的可焊性，其次为电镀（金）锡，而化学镀镍浸金（ENIG）和有机可焊性保护膜（OSP）的可焊性较差。经过多次回流焊接后，OSP的焊接性会变得很差。 COB 技术（将裸芯片直接用短导线连接到印制电路板上）要求金属表面必须绝对干净，所用涂覆层必须适用于铝线或金线的微焊接。这种互连技术的标准做法是在镍上镀金，该方法也适用于连接器、按键和导电胶。5.2 聚合物（阻焊剂）涂覆在PCB 行业，通过在金属线路表面涂覆有机聚合物来保护其不被液体和机械磨损，最重要的是起到线路与线路之间的绝缘作用。 表面涂覆聚合物可以在组装和焊接之前或之后进行，其中一种标准涂层就是阻焊。阻焊最初被用来防止线路在波峰焊过程中产生的桥接现象，如今阻焊通常被涂覆在PCB 的两面。在回流焊过程中，阻焊也被定义成焊盘的焊接面积，也就是说，焊膏在熔融时不能与焊盘相连接的线路接触。阻焊可以作为一种光敏剂在曝光后进行显影或者作为一种非光敏剂用在网印中。另一种是通过喷淋或者涂布的方法，预烘后进行曝光显影。一般来说，阻焊层厚度大约在25mm80mm 左右。 组装和焊接后，通过浸泡或者喷淋非光敏液体或凝胶的方法可以在PCB 板上形成涂层，这样做可以通过密封器件来达到隔绝湿气的目的。一层厚涂层可以防止PCB 板很长时间内不会受到湿气的攻击。如果厚涂层是脆的，那它在热循环尤其是低温时可能会产生裂纹。解决该问题的一个有效方法是使用永久性弹性凝胶来形成从几毫米到几厘米厚的密封涂层，这已应用于汽车电子中。6 PCB其它特性6.1 电性能PCB也是电子元件之一，为了适应最近的高性能化，要求更加严格的性能。6.1.1 线路的导体电阻低电阻是线路导体的基本要求，但是线路越微细化电阻越上升。如果电阻提高，就会作为导电损失(R)而影响到高频中的信号传输。关于电阻值虽然没有明确的值，但是要求约1 /cm以下。如表4所示，为了达到该值，根据计算，线宽为10 m，厚度为15 m。为了微细化而增加图形厚度，制造技术有困难，电气上也有问题。考虑到下列的趋肤效应时的导体损失如式（1）所示。 R=4.34 （1）由式（1）可知，w=0时的导体电阻（RDC）也会影响。6.1.2 绝缘电阻如果导体间隙小，导体间的绝缘电阻就会有问题。绝缘电阻值由于绝缘材料或者制造工程的的处理而又很大的影响。有机树脂PCB使用各种材料，在加湿环境中，树脂的基本组成或者杂质，与填充材料或者玻璃布的粘结状况大大的影响到绝缘电阻的恶化，所以务必仔细选择材料。6.1.3 特性阻抗PCB的信号图形与各种元器件连接，进行信号的输入输出。在高速信号中，采用如图3所示的信号线的分布参数以保持一定的特性阻抗成为必要。特性阻抗如式2所示 图3 传送线的等效电路（分布参数电路） (2)如果提高频率，R、G要比小，可以省略。此外，与元件的连接中，如果与线路的阻抗有差别，则会引起信号的反射而成为噪音，因此要求阻抗的整合。6.1.4 信号的速度和衰减通过线路的信号的速度如式（3）所示，与基板材料的相对介质常数的倒数成正比。因此正在致力于低介质常数基板材料的开发。 （m/s） (3)信号的传输中，传输所示如式（4）所示，它为导电损失和介质损失之和。 (W) (4)其中的介质损失如式（5）所示，要求小的。 (W) (5)作为基板材料，大多数情况下希望低介质损失材料比较介质常数材料更重要些。6.1.5 趋肤效应如果是高频信号，他的电流往往流过表面。导体厚度随着频率而变化。如式（6）所示，直至电导率降至的距离。 （mm） (6)趋肤效应的厚度与频率的关系如表5所示。随着式1而变化。导体表面的平坦度成为问题，采用平滑面与树脂粘结至关重要。 6.2 机械的特性6.2.1 PCB的翘曲和扭曲如果安装元件变小，I/O针的凸块节距微小而微细，就会加大PCB和封装基板的翘曲和扭曲程度，为了基板的平坦性要求，覆铜箔板的玻璃布构成，树脂或者填充料的分布，多层板时的积层条件的管理等的要求更加严格。6.2.2 热膨胀系数和弹性 因为封装基板上安装硅的裸芯片，所以希望热膨胀系数（CTE）小和高弹性系数的基板。为此，适合这些性能的树脂系设计，填料多些，使基板接近于硅的CTE。然而与母板的CTE的差别变大，缓和由于基板间的CTE之差产生的应力成为问题。此外，因为高弹性系数的材料一般是硬而脆的材料，所以必须充分注意材料构成。关于元件的支撑强度，加工收缩等其它特性也要注意。6.3 热的特性有机树脂的热的变化大。随着温度的上升，CTE或者其它的机械特性发生变化，具有在特定温度下的急剧变化点，这就是玻璃化温度（Tg）。Tg值成为表示树脂的耐热性的目标值。环氧树脂的Tg为130150,特别高的可达170。6.4 化学的特性因为在制造PCB的阶段使用许多处理药品，所以要求对于处理药品而言必须是稳定而无残留。关于可靠性，如果树脂中残留离子性杂质，或者离子性处理药品的残留等，在驾