第二章表面组装印制电路板

第二章表面组装印制电路板SMBSMB与传统PCB的区别

SMT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、机械结构、等常规要求外，还要满足SMT自动印刷、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要求。

SMT具有全自动、高速度、高效益的特点，不同厂家的生产设备对PCB的形状、尺寸、夹持边、定位孔、基准标志图形的设置等有不同的规定。1

—基板材料选择—布线

—元器件选择—焊盘

—印制板电路设计——————测试点

SMB设计——可制造（工艺）性设计—导线、通孔

—可靠性设计—焊盘与导线的连接

—降低生产成本—阻焊

—散热、电磁干扰等印制电路板（以下简称PCB）设计是表面组装技术的重要组成之一。PCB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的首要条件之一。

SMB设计包含的内容：2金属基板在散热性、机械加工性、基板大型化、电磁屏蔽性方面表现优异。在高频性方面是差的。单独采用金属基板实现多层线路板的制作方面也是差的。但目前利用金属基板做两层或多层板的底基材，在它的上面覆有环氧玻璃布半固化片制成两层板，甚至是多层板，也可达到很好的效果。这也是金属基板今后发展方向之一。一PCB材料金属基板、常规PCB（FR-4基）、陶瓷基板性能对比3二、PCB基材质量参数

1.玻璃化转变温度(Tg)玻璃化转变温度(Tg)是指PCB材质在一定温度条件下，基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，通常称之为玻璃态;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(glasstranstiontemperture，简称Tg)。玻璃化转变温度是聚合物特有的性能,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—个关键参数。4Ｔg应高于电路工作温度无铅工艺要求Tg≥170℃52.热膨胀系数(CTE)

热膨胀系数指每单位温度变化所引发的材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CTE通常高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时，会对材料产生损坏。用于SMB的多层板是由几片单层“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SMB层与层之间的互连。

63、PCB分解温度TdTd是树脂的物理和化学分解温度，是PCB加热到其质量减少5%时的温度。当焊接温度超过Td时，会由于化学链接的断裂而损坏PCB基材，造成不可逆转的降级。图b是超过Td温度损坏层压基板结构的例子。74.耐热性 某些工艺过程中SMB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，方能保证二次贴片的可靠性;而SMB焊盘越来越小，焊盘的粘结强度相对较小，若SMB使用的基材耐热性高，则焊盘的抗剥强度也较高，一般要求SMB能具有2600C／50s的耐热性85.电气性能

①介电常数，通常要求SMB基材的<2.5。

②介质损耗

通常要求SMB基材的

<0.02

③抗电强度。要求板材厚度大于筹于0.5mm时的击穿电压大于40kV。

④绝缘电阻。潮湿后表面电阻大于l04MQ;高温下(E-24/125)表面电阻大于l03MQ。

⑤体积电阻。要求大于l03MQ．cm。

⑥抗电弧性能。要求大于60s。

⑦吸水率。要求小于0.8%。9选择基材应根据PCB的使用条件和机械、电气性能要求来选择；根据印制板结构确定基材的覆铜箔面数(单面、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，确定基材板的厚度。不同类型材料的成本相差很大，在选择PCB基材时应考虑到下列因素： ①电气性能的要求;②Tg、CTE、平整度等因素以及孔金属化的能力;③价格因素。

6.PCB基材的选用107.PCB板做成圆弧角直角的PCB板在传送时容易产生卡板，因此在设计PCB板时，要对板框做圆弧角处理，根据PCB板尺寸的大小确定圆弧角的半径。拼板和加有辅助边的PCB板在辅助边上做圆弧角。112.3

PCB焊盘表面涂镀层及无铅PCB焊盘涂镀层的选择

自然界中除了金和铂金外，所有暴露在空气中的金属都会被氧化。为了防止PGB铜焊盘被氧化，焊盘表面都要进行涂（镀）保护层处理。PCB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量。另外，不同的电子产品、不同工艺、不同焊接材料，对PCB焊盘表面处理的选择也是有区别的。正确选择PCB焊盘表面涂（镀）层是保证焊接质量的关键因素之一。12

2.3.1PCB焊盘表面涂（镀）层

PCB焊盘表面涂（镀）层有两种类型：有机防氧化保护涂层(OSP)和金属镀层。

1．有机防氧化保护涂层OSP(Organic SolderabilityPreservatives)OSP是有机防氧化保护剂，其涂层薄(0.3～0.5um)、平面性好，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，金属化孔内镀铜层厚度大25Um。132．金属镀层

金属镀层主要有焊料涂层(HASL)、电镀镍／金(ENEG)、化学镀镍／金(ENIG)、化学镀镍／钯／金(ENEPIG)、浸银(I-Ag)和浸锡(I-Sn)。

(1)焊料涂层(Hot-AirSolderLeveling，HASL)

HASL是指热风整平法。镀层厚度为7～11um。HASL的印制板真空包装可保存期为8个。(2)电镀镍／金(ElectrolessNi/Au，ENEG)

电镀镍／金的技术分为无电极电镀(ElectrolessNi/Au)和有电极电镀（ElectroplatedNi/Au）两种，大多采用无电极电镀工艺。143、化学镀镍金(ENIG)

ENIG：在PCB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Au会迅速融解在焊锡里面，焊锡与Ni形成Ni/Sn金属间化合物。外面镀金是为了防止在存储期间Ni氧化或者钝化，所以金镀层要足够密，厚度不能太薄。15浸金：在这个过程中，目的是沉积一层薄薄的且连续的金保护层，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，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，并适合工作在强度要求高的场合。16ENIG的局限性

ENIG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，ENIG处理过的PCB表面在ENIG或焊接过程中很容易产生黑盘效应（Blackpad），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Ni与金的交接面，直接表现为Ni过度氧化。金过多，会使焊点脆化，影响可靠性。174、化学镀镍钯金(ENEPIG)

化学镍钯浸金的原理：ENEPIG与ENIG相比，在镍和金之间多了一层钯。Ni的沉积厚度为120～240μin（约3～6μm），钯的厚度为4～20μin（约0.1～0.5μm），金的厚度为1～4μin（约0.02～0.1μm）。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。185、浸银(Immersionsilver)

浸银的工作原理：通过浸银工艺处理，薄（5～15μin，约0.1～0.4μm）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化的锡膏里，和HASL和OSP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OSP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，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迁移的发生。196、

浸锡

浸锡原理：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。但是在浸锡过程中容易产生Cu/Sn金属间化合物，Cu/Sn金属间化合物可焊性很差。

如果采用浸锡工艺，必须克服两障碍：颗粒大小和Cu/Sn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40μin（1.0μm）是比较合理的，这样才能提供一个纯锡表面，以满足可焊性要求。

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，Cu/Sn金属间化合物会不断增长，直到失去可焊性。202.3.3

无铅PCB焊盘涂镀层的选择无铅焊接要求PCB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合金取代Pb-Sn热风整平（HASL）、化学镀镍／金(ENIC)、化学镀镍／钯／金(ENEPIG)、Cu表面涂覆OSP、浸银(I-Ag)和浸锡(I-Sn)。

选择无铅PCB焊盘涂镀层必须考虑焊料、工艺与PCB焊盘涂镀层的相容性。211、PCB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

(1)无铅焊料合金热风整平(HASL)

目前，无铅焊料合金热风整平的焊料主要有Sn-Cu-Ni+Ge（锗）或Sn-Cu-Ni+Co（钴）两种。其中Sn-Cu-Ni+Ge（锗）的成分为Sn、0.7%Cu、0.05%Ni和名义含量65×10-6的Ge。22（2）ENIG(Ni/Au)ENIG耐氧化、可焊性好、镀层表面平整，适用于无铅高密度SMT板的双面再流焊工艺。（3）化学镀镍钯金(ENEPIG)ENEPIG与ENIG相比，可避免黑盘和金脆现象，它的可焊性和可靠性比ENIG好，适合于军工和高可靠的无铅产品与有铅、无铅混装产品。（4）浸银工艺（I-Ag）（4）浸锡工艺（I-Sn）（4）有机防氧化保护涂层(OSP)232.4

当前国际先进印制电路板及其制造技术的发展动向

PCB制造技术不仅朝着高密度、多层板方向发展，还与半导体技术、SMT紧密结合，大有打破传统技术的势头。在某些高密度、高速度领域里，PCB制造、半导体与SMT三者的界限1慢慢模糊，渐渐融合在一起．推动电子制造业向更先进、高可靠、低成本方向发展。

1．印制电路板材料的发展趋势

①使用高性能玻璃布基覆铜板，降低介电常数和介质损耗。

②使用改性环氧树脂，提高FR-4玻璃布覆铜箔层压板材料的Tg温度。

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