高速組裝工藝和特性化

1、高速0201組裝工藝和特性化摘要本文論述了超小印腳、表面組裝分立元件的高速組裝，特別是0201無源元件的組裝。發(fā)展趨勢說明每年貼裝的無源元件的數(shù)量快速上升，而元件尺寸卻在穩(wěn)定地下降。為此，急需一種特性化的組裝和超小無源元件的裝聯(lián)工藝。為開發(fā)研制高速0201組裝的初始工藝特征，尤其是工藝的局限性和變量，在這項工作中對每一工藝步驟都進行了詳盡的研究。開發(fā)的工藝步驟有模板印刷、元件貼裝和再流焊接。還對工藝參數(shù)進行了研究，如象；脫膏速度、模板清理頻率、基準類型和再流參數(shù)。緒言顯然，在過去的幾年中，隨著人們使用的便攜式電話、尋呼機和個人輔助用品數(shù)量的急劇上升，使得消費類電子工業(yè)火爆發(fā)展。在更小、更快、成

2、本更低需求的推動下，對小型化技術研究的必要性也成為無止境的需求。多數(shù)移動式電話制造廠家現(xiàn)在已將0201無源元件用于其所有的最新設計中，而且在不遠的將來，其它工業(yè)領域也將采用這種技術。汽車制造工業(yè)的無線通訊產(chǎn)品也在將0201技術應用于GPS系統(tǒng)、傳感器和通訊設備中。醫(yī)療行業(yè)也利用0201尺寸小的優(yōu)點，將其應用于醫(yī)療器械中，如象；助聽器和心臟起博器。許多公司將0201技術用于多芯片模塊（MCM）中，以降低總的封裝尺寸。使用這種MCM器件，通過直接用裸芯片進行封裝，用于2級板組裝上的封裝體模壓，使得0201技術距半導體工業(yè)更近了。還需要做更多的研究來認證焊盤設計、印刷、貼裝和再流工藝窗口，以便使02

3、01無源元件在全面的推廣應用之前，能夠實現(xiàn)較高的一次合格率及高產(chǎn)量。實驗規(guī)劃主要采用了三套實驗方案。這三套方法主要是相對于焊膏印刷、元件貼裝和元件再流。為了了解每種工藝步驟對0201組裝工藝的影響，分別對每種組裝工藝進行了檢驗。對于工藝順序，只對研究中的工藝變量進行了更改，而對其它工藝參數(shù)沒有作任何更改。測試載體設計的載體應能給出下列數(shù)據(jù)：10201-0201間距效果。焊盤邊緣到焊盤邊緣的變化取決于4、5、6、8、10和12mil這幾個間距尺寸。在某些領域的應用中，芯片邊緣到芯片邊緣密度比4mil焊盤邊緣到焊盤邊緣的間距還高?？蓪⑵溆糜诖_定芯片間距和焊盤間距的可接收性。2焊盤尺寸的作用。標稱的

4、焊盤尺寸是一個12×13mil的長方形焊盤，中心到中心的間距為22mil。標稱尺寸將會有10%、20%和30%的變化。在整個板子上，焊盤尺寸將隨著元件到元件間距變化而變化。3芯片定向：在A、B、C和D單元中，對0°和90°的芯片方向進行研究。在單元E和F可使你觀察到5°角對0201組裝工藝的影響。41-6單元研究的是各種無源元件尺寸（0402、0603、0805、1206）到0201之間的相互作用。用這些組件來確定0201元件對其它較大無源元件的大至影響，即在印刷、貼裝和再流（散熱）方面的影響。本文中敘述的間距是邊緣到邊緣的間距在4、5、6、8、10和1

5、2mil范圍內(nèi)的變化。此外，0201焊盤尺寸在這6個單元上的變化，說明了隨著焊盤尺寸變化的相互作用。圖1所示是測試載體，其中有6552個0201元件、420個 0402元件、 252個 0603元件和252個1206元件，總計7728個無源元件?；迨菢藴实腇R4環(huán)氧樹脂板，厚度為1.57mm。印跡是由銅、化學鍍鎳和浸金的金屬化工藝制成的。                    圖1  

6、      略                    圖1 測試載體設備規(guī)劃所有的測試板都是使用同一臺組裝設備組裝的。使用MPM Ultraprint 3000印刷機實施了模板印刷。所有的元件都是用西門子的HS-50貼裝機進行貼裝的。使用BTU International Paragon 98N再流焊接設備進行再流焊接。通過主模板印刷審查DOE的實驗規(guī)劃為了

7、體現(xiàn)0201無源元件的印刷特性，而開發(fā)了一種實驗設計（DOE）以便觀察印刷工藝中的幾個系數(shù)。在絲網(wǎng)印刷DOE中需要檢驗的變量有焊膏目、刮刀類型、模板分離速度和焊膏在幾次印刷之間在模板上的滯留時間。這種DOE是為確定這些系數(shù)是否會影響到0201無源元件的印刷工藝而設計的。每個系數(shù)的變化在表1中列出。最初，是在絲網(wǎng)印刷中對基準類型進行檢查。然而，由于印刷機不可能精確地視查到掩膜規(guī)定的基準座標，所以，這個變量就被刪除了，只使用了金屬規(guī)定的基準座標。焊料掩膜上的十字形的基準座標在模板上看似一個極大的圓形，其相對于焊料掩膜底部開口的金屬。在這個大圓與較小的十字形對齊過程中，導致了模板和板子之間出現(xiàn)了對齊

8、偏移。         表1  絲網(wǎng)印刷DOE的變量系數(shù)變量#1變量#2焊膏類型類型類型刮刀類型金屬聚合物分離速度0.05cm/sec0.13cm/sec焊膏滯留時間30秒10秒 本項研究中使用的四個變量是在需要8組不同實驗的DOE中確定的。對于印刷缺陷的數(shù)量和測量的高度數(shù)據(jù)使用的是公制度量單位。測試結果是基于95%及以上的可靠區(qū)間  來確定統(tǒng)計的有效系數(shù)。印刷缺陷被定義為在印刷后沒有涂上焊膏及焊膏橋接這樣的鍵合焊盤。表2中列出的系數(shù)是在檢驗印刷的實驗中保持不變的常數(shù)。選用125mic

9、ro（5mil）的模板，100%的孔徑比作為第二次、更進一步研究中所需的值范圍的兩個中心值。根據(jù)印刷機制造廠家推薦使用的參數(shù)設置模板印刷機的參數(shù)，并使用其推薦值的中間值范圍。                表2 在絲網(wǎng)印刷DOE過程中保持不變的常數(shù)因素參數(shù)設置模板厚度125m孔徑比100%模板制造方法激光切割和電拋光焊膏化學成分免清洗刮板長度30.48cm印刷力度5.4kg印刷速度5.08cm/sec清理頻率每次印刷后刮板抬起高度2.54cm審查

10、主要印刷DOE的結果表3所列是根據(jù)實驗設計（DOE）實施的一系列實驗。這些實驗只是為檢驗主要效果而設計的。每種實驗都使用了10種復制品實施的。在數(shù)據(jù)搜集中沒有使用前5種復制品，不過，前5種復制品對使焊膏起到充分的作用和確保印刷工藝的穩(wěn)定起到了一定的作用。            表3 檢驗模板印刷的DOE     測試#焊膏類型刮刀類型焊膏停滯時間脫膏速度1類型金屬30秒0.05cm/sec2類型金屬10分0.13cm/sec3類型聚合物30秒0.

11、05cm/sec4類型聚合物10分鐘0.13cm/sec5類型金屬10分鐘0.05cm/sec6類型金屬30秒0.13cm/sec7類型聚合物30秒0.05cm/sec8類型聚合物10分鐘0.13cm/sec在評估每種實驗條件時使用了三種公制單位。第一種公制度量單位是平均焊膏印刷高度。使用一臺用每個象限的四個測量值的激光輪廓測定器測得的每塊板的四個象限的16測量值。這樣在每次實驗中就產(chǎn)生80個高度值?？蓽y得板子兩個邊緣及板子中心的值。焊膏高度的標準偏差作為第二個公制單位。第三個公制單位是缺陷的總數(shù)量。在8次實驗中獲得的平均高度和高度標準偏差數(shù)據(jù)見圖2所示。   &

12、#160;                       圖2         略                圖2 模板絲網(wǎng)印刷DOE的印刷高度結果

13、，單位為micro使用的第三個公制單位是缺陷的總數(shù)量。對選擇的1-6電極和A-D中的區(qū)域實施光學檢驗，并將缺陷的總數(shù)記錄下來。對有橋接的焊盤和漏涂焊膏的焊盤也應視為缺陷。圖3所示是缺陷數(shù)據(jù)的匯總。                          圖3        &

14、#160; 略                圖3 模板絲網(wǎng)印刷缺陷結果，缺陷數(shù)量/DOE根據(jù)這些公制單位及使用95%的可靠區(qū)間，統(tǒng)計的唯一主要有效影響是刮刀類型。主要影響曲線見圖4所示。焊膏類型、分離速度和焊膏滯留時間的可靠區(qū)間在85%以下。                 &

15、#160;        圖4         略                   圖4 絲網(wǎng)DOE的主要影響曲線分離速度和清理頻率的分析為檢查分離速度和清理頻率的影響而實施了第二個小型實驗。因為模板清洗對產(chǎn)量有影響，所以模板清理頻率是一個重要的參數(shù)。由于模板的清洗

16、明顯地增加了模板印刷機的循環(huán)時間，所以，在生產(chǎn)中如果有可能的話，應取消這一工藝步驟。進行這一實驗是為了確定模板清洗是否是0201工藝獲得良好印刷必不可少的一步。在這一實驗中還對分離速度進行了研究，因為在第一步的DOE中已將其取消，沒有使用這個有效系數(shù)，其它方面的論證已獲得了滿意的效果。采用的分離速度分別為0.05cm/sec和0.13cm/sec。對于這兩個分離速度的實驗，都是使用類型焊膏，使用的刮板是金屬刮板，沒有停滯時間。在每個實驗中都使用了5種復制品，在第一次印刷中，是將焊膏施加到5塊模擬板。兩次實驗獲得的結果列在表4和表5中，正象第9和10次實驗那樣。從第一個DOE獲得的第5和6次實驗

17、也是使用類型焊膏和金屬刮板，并與第9和10次實驗進行了對比。                 表4 焊膏高度數(shù)據(jù)，以micro為單位實驗#分離高度清洗頻率平均值標準偏差50.05cm/sec每次印刷后149.9713.4560.13cm/sec每次印刷后149.3620.2090.05cm/sec不清洗145.7715.41100.13cm/sec不清洗136.4515.19     &

18、#160;             表5 每次實驗的缺陷數(shù)量實驗#缺陷數(shù)量515643923610238根據(jù)上述結果，唯一的主要影響是模板清洗頻率。主要影響曲線見圖5所示。                   圖5       &

19、#160;   略             圖5模板清洗頻率和分離速度實驗的主要影響曲線為了將電成型模板與激光切割模板進行比較，還做了另一項實驗。如表6所列，在這項實驗中使用了相同的印刷機參數(shù)、相同的焊膏和孔開口。使用的兩個公制單位是焊膏的平均高度和焊膏高度的標準偏差。實驗結果歸納在表7中。              

20、  表6 用于模板制造方法測試中的參數(shù)設置系數(shù)設置的參數(shù)模板厚度125m孔徑比100%焊膏成分免清洗焊膏目類型焊膏停滯時間30秒分離速度0.13cm/sec刮板類型金屬                   表7 焊膏高度數(shù)據(jù)，單位：micro模板類型平均焊膏高度標準偏差激光切割149.3620.20電鑄成型124.1412.67    實驗結果說明使用電鑄成型的模板，印刷的焊膏

21、更為均勻，而且印刷的焊膏高度接近于模板的厚度。通過貼裝審查DOE的實驗規(guī)劃為確定基準座標的數(shù)量、基準形狀和基準定義方法是否影響到元件的貼裝而進行了兩個實驗。第一個實驗只檢查用于貼裝工序中的球形基準座標的數(shù)量。第二實驗是絲網(wǎng)DOE檢查基準定義方法和基準形狀。每個系數(shù)的變化列在表8中。最初，應在審查中對貼裝力度進行檢驗。然而，當初次進行檢測時，由于貼裝精度的基準座標數(shù)量和基準定義的作用，所以，不能夠確定貼裝力度的作用。由于這個原因，貼裝力度常數(shù)保持不變，應在其它實驗中對貼裝力度進行檢驗。         &#

22、160;       表8 貼裝絲網(wǎng)DOE的變量系數(shù)變量#1變量#2基準座標數(shù)量23基準形狀圓形十字形基準定義方法掩膜定義金屬定義在本項研究中使用的三種變量被用于兩種實驗中，這兩種實驗需要6組不同的實驗。對實驗的元件要進行視覺檢測，并以公制為單位。表9所列是在絲網(wǎng)實驗中保持常數(shù)的貼裝因素。                   表9 在貼裝絲網(wǎng)DOE過程中保持

23、不變的常數(shù)系數(shù)參數(shù)設置貼裝力度0.1kgf貼裝速度50mm/sec貼裝加速度98.1%缺陷通過主要貼裝審查DOE的結果前兩個實驗是為了確定基準座標數(shù)量對貼裝精度有什么樣的影響。第一個實驗使用了兩個對角的基準座標來確定板子的方向，而第二個實驗以三個角作為基準座標。對于一個板子（L=12×W=7mm），據(jù)發(fā)現(xiàn)使用三個基準座標要比使用兩個基準座標來確定板子的方向更為精確。對于其余的貼裝和隨后的所有實驗來說，為了達到更高精度的貼裝，使用了三個基準座標。表10所列是在絲網(wǎng)DOE中實施的一系列實驗。為了只檢驗主要影響，統(tǒng)計軟件封裝建議實施這些實驗。在實施每種實驗中使用4個復制品。 &#

24、160;            表10 貼裝絲網(wǎng)DOE實驗#基準形狀基準定義方法1圓形掩膜定義2十字形金屬定義3圓形金屬定義4十字形掩膜定義用于評估各種實驗條件的標準是0201元件在整個板子上的貼裝精度。把元件貼裝在板子上的四個象限（象限4、19、25和40）中。象限4位于左上角，焊盤尺寸為+30%（17mil×19mil）。象限19距中心很近，焊盤尺寸為標稱尺寸（12mil×13mil）。象限25位于板子中心的旁邊，使用的焊盤尺寸為+30%。象限40位于右邊緣，使

25、用的焊盤尺寸是標稱尺寸。圖6所示是一張標有象限的板子圖片。元件是以平行和垂直的方向進行貼裝。每塊板子上貼裝480個0201元件，在每次實驗中總共使用了1920個元件。焊盤邊緣到焊盤邊緣的元件間距為5mil12mil。對在每塊板子的象限上貼裝的元件應實施光學檢測，并將光檢圖象記錄下來。圖7圖10中的圖片是對板子的極邊緣位置進行的四個不同的實驗中獲得的圖片。                 圖6    

26、;        略             圖6 0201板子的圖片                 圖7           略 

27、60;           圖7  按照DOE#1貼裝的第一塊板子的圖片                 圖8            略       

28、      圖8  按照DOE#2貼裝的第一塊板子的圖片                  圖9           略             圖9

29、  按照DOE#3貼裝的第一塊板子的圖片                  圖10           略             圖10  按照DOE#4貼裝的第一塊板子的圖片在審查貼裝過

30、程中，發(fā)現(xiàn)的最佳貼裝是象限4，并逐漸地向整個板子的左邊漂移。因此，在貼裝中最大的漂移是象限40。注意：最差的漂移是DOE#2，象限40中的元件幾乎與焊盤橋接。還可發(fā)現(xiàn)DOE#3中的漂移比DOE#1或DOE#4的更大。表11列出了X和Y偏離于象限40的四次實驗。從這些結果中，發(fā)現(xiàn)掩膜定義的基準座標提供的板子上的貼裝精度優(yōu)于金屬定義基準座標?；鶞市螤顚Π遄由显馁N裝沒有太大的影響。          表11 用于實驗設計的象限40的平均實驗偏差實驗條件平均X偏差平均Y偏差掩膜定義的圓形基準22micros3

31、 micros金屬定義的十字形基準112 micros2 micros金屬定義的圓形基準53 micros9 micros掩膜定義的十字形基準15 micros4 micros通過再流審查DOE的實驗規(guī)劃為了體現(xiàn)0201無源元件再流工藝的特性，而開發(fā)了DOE以便檢查再流工藝的幾個主要系數(shù)。為了確定某些變量是否對0201組裝工藝有影響，而實施了對DOE的審查。在審查DOE中要檢驗的變量有浸漬時間、浸漬溫度、液相線以上的時間和峰值溫度。各種系數(shù)的變量列在表12中。所有這些變量都在焊膏制造廠家規(guī)定的焊膏技術規(guī)范之內(nèi)。       

32、   表12  在審查DOE中的變量系數(shù)變量#1變量#2變量#3浸漬時間2535秒4050秒5560秒浸漬溫度125135145155165175液相線以上時間3540秒4550秒5565秒峰值溫度211216217221222226對于這個實驗，印刷和貼裝工藝的常數(shù)保持不變，只有再流曲線系數(shù)有所改變。印刷工藝的某些重要常數(shù)列在表13中，這些常數(shù)是模板厚度、清洗頻率、刮板類型和焊膏類型。某些重要的貼裝系數(shù)保持常數(shù)不變，見表14所列。           &

33、#160;      表13 在再流中審查DOE的印刷常數(shù)保持不變系數(shù)參數(shù)設置模板厚度125m孔徑比100%模板制造方法電鑄成型焊膏成分免清洗刮板長度40.64cm印刷力度7.26kg印刷速度5.08cm/sec刮板抬起高度2.54cm焊膏類型類型刮板類型金屬分離速度0.13cm/sec焊膏滯留時間<10分鐘清洗頻率每次印刷后清洗一次                 &#

34、160; 表14 在再流審查DOE過程中貼裝系數(shù)保持不變系數(shù)參數(shù)設置基準數(shù)量3基準定義方法掩膜定義基準形狀圓形貼裝力度0.1kgf貼裝速度50mm/sec貼裝加速度98.1%缺省本項研究使用的四個變量被用于DOE中，其需要9個不同的迭接。對于焊料橋接和墓碑缺陷使用目測和X光檢驗的公制單位，需要95%或更高的可靠區(qū)間，以便獲得一個統(tǒng)計有效的系數(shù)。檢查主要DOE獲得的結果表15所列是在審查DOE中實施的一系列實驗。為了只檢驗主要影響，統(tǒng)計軟件包要求實施這些實驗并使其隨機化。每次實驗使用3個復制品，在每個復制品上總計貼裝564個元件或每次實驗使用1692個元件。在每塊測試板上，貼裝396個0201無

35、源元件。這些元件都是貼裝在15mil×17mil焊盤上及12mil×13mil焊盤上。，焊盤邊緣到焊盤邊緣的元件貼裝以10mil間距和6mil間距排列。除了0201元件以外，還貼裝有168個0402、0603、0805和1206元件，以便確定可接受的0201元件的生產(chǎn)工藝是否對較大的無源元件有不利的影響。在組裝這三塊板子之前，應用焊膏印刷五塊板子。這是為了確保印刷工藝的穩(wěn)定性及使焊膏得到充分的利用。          表15 審查DOE實驗#浸漬時間（sec）浸漬溫度（）液相線以上時間

36、（sec） 峰值溫度（）145501251355565217219255601651755565211214345501451554550211214425351651754550217219525351451555565222225625351251353540211214745501651753540222225855601251354550222225955601451553540217219使用三個標準來評估每次實驗的條件。第一個公制單位是焊點質量。設計的所有實驗條件都必須能夠完全濕潤焊點，而且基本上沒有顆粒狀物質。第二個公制單位是元件在再流后產(chǎn)生的缺陷總數(shù)。查找出的缺陷有焊

37、料橋接和墓碑。當兩個相鄰焊點連接到一起時就會產(chǎn)生橋接，使兩個元件短路。這種缺陷在極細間距的元件貼裝過程中是很容易出現(xiàn)的。墓碑是元件抬起脫離其中一個焊盤的位置，通常是由于整個元件濕潤不均勻或當元件大面積地貼裝在焊盤的一面時而造成的。這些就是0201元件的所有缺陷。較大的元件不存在墓碑和橋接這樣的缺陷，說明使用的組裝工藝對通用的較大尺寸的無源元件并沒有不利的影響。圖11所示是焊料橋接和墓碑的X光檢測圖象的實例。焊料橋接和墓碑的數(shù)量及總缺陷率列在表16中。圖12所示的圖片說明了在每次實驗中出現(xiàn)的缺陷數(shù)量。根據(jù)這些公制單位，使用95%的可靠區(qū)間，唯一的統(tǒng)計有效主要影響是浸漬溫度。浸漬溫度的可靠區(qū)間大于

38、97%。主要影響曲線見圖13所示。浸漬時間、液相線以上的時間及峰值溫度的可靠區(qū)間為40%以下，因此，應考慮隨意的誘導作用。當在中等和高浸漬溫度的結果之間沒有多大差別時，浸漬溫度的主要影響主要是在低浸潤溫度和其它等級溫度之間。                   圖11           略  &#

39、160;             圖11 焊料橋接和墓碑的X光圖象實例                   表16 1224個0201元件的缺陷量實驗#貼裝的0201元件的總數(shù)焊料橋接 墓碑總缺陷量缺陷比率（%）其它無源元件的缺陷量缺陷率（dpm）111886152117701767721

40、18810100808423118800000000411880000000051188022017016846118861117143014310711880000000081188437059058929118800000000                    圖12              略