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文档简介
高速0201组装工艺和特性化摘要本文论述了超小印脚、表面组装分立元件的高速组装,特别是0201无源元件的组装。发展趋势说明每年贴装的无源元件的数量快速上升,而元件尺寸却在稳定地下降。为此,急需一种特性化的组装和超小无源元件的装联工艺。为开发研制高速0201组装的初始工艺特征,尤其是工艺的局限性和变量,在这项工作中对每一工艺步骤都进行了详尽的研究。开发的工艺步骤有模板印刷、元件贴装和再流焊接。还对工艺参数进行了研究,如象;脱膏速度、模板清理频率、基准类型和再流参数。绪言显然,在过去的几年中,随着人们使用的便携式、寻呼机和个人辅助用品数量的急剧上升,使得消费类电子工业火爆发展。在更小、更快、成本更低需求的推动下,对小型化技术研究的必要性也成为无止境的需求。多数移动式制造厂家现在已将0201无源元件用于其所有的最新设计中,而且在不远的将来,其它工业领域也将采用这种技术。汽车制造工业的无线通讯产品也在将0201技术应用于GPS系统、传感器和通讯设备中。医疗行业也利用0201尺寸小的优点,将其应用于医疗器械中,如象;助听器和心脏起博器。许多公司将0201技术用于多芯片模块(MCM)中,以降低总的封装尺寸。使用这种MCM器件,通过直接用裸芯片进行封装,用于2级板组装上的封装体模压,使得0201技术距半导体工业更近了。还需要做更多的研究来认证焊盘设计、印刷、贴装和再流工艺窗口,以便使0201无源元件在全面的推广应用之前,能够实现较高的一次合格率及高产量。实验规划主要采用了三套实验方案。这三套方法主要是相对于焊膏印刷、元件贴装和元件再流。为了了解每种工艺步骤对0201组装工艺的影响,分别对每种组装工艺进行了检验。对于工艺顺序,只对研究中的工艺变量进行了更改,而对其它工艺参数没有作任何更改。测试载体设计的载体应能给出下列数据:1.0201-0201间距效果。焊盘边缘到焊盘边缘的变化取决于4、5、6、8、10和12mil这几个间距尺寸。在某些领域的应用中,芯片边缘到芯片边缘密度比4mil焊盘边缘到焊盘边缘的间距还高。可将其用于确定芯片间距和焊盘间距的可接收性。2.焊盘尺寸的作用。标称的焊盘尺寸是一个12×13mil的长方形焊盘,中心到中心的间距为22mil。标称尺寸将会有10%、20%和30%的变化。在整个板子上,焊盘尺寸将随着元件到元件间距变化而变化。3.芯片定向:在A、B、C和D单元中,对0°和90°的芯片方向进行研究。在单元E和F可使你观察到5°角对0201组装工艺的影响。4.1-6单元研究的是各种无源元件尺寸(0402、0603、0805、1206)到0201之间的相互作用。用这些组件来确定0201元件对其它较大无源元件的大至影响,即在印刷、贴装和再流(散热)方面的影响。本文中叙述的间距是边缘到边缘的间距在4、5、6、8、10和12mil范围内的变化。此外,0201焊盘尺寸在这6个单元上的变化,说明了随着焊盘尺寸变化的相互作用。图1所示是测试载体,其中有6552个0201元件、420个0402元件、252个0603元件和252个1206元件,总计7728个无源元件。基板是标准的FR4环氧树脂板,厚度为1.57mm。印迹是由铜、化学镀镍和浸金的金属化工艺制成的。
图1
略
图1测试载体设备规划所有的测试板都是使用同一台组装设备组装的。使用MPMUltraprint3000印刷机实施了模板印刷。所有的元件都是用西门子的HS-50贴装机进行贴装的。使用BTUInternationalParagon98N再流焊接设备进行再流焊接。通过主模板印刷审查DOE的实验规划为了体现0201无源元件的印刷特性,而开发了一种实验设计(DOE)以便观察印刷工艺中的几个系数。在丝网印刷DOE中需要检验的变量有焊膏目、刮刀类型、模板分离速度和焊膏在几次印刷之间在模板上的滞留时间。这种DOE是为确定这些系数是否会影响到0201无源元件的印刷工艺而设计的。每个系数的变化在表1中列出。最初,是在丝网印刷中对基准类型进行检查。然而,由于印刷机不可能精确地视查到掩膜规定的基准座标,所以,这个变量就被删除了,只使用了金属规定的基准座标。焊料掩膜上的十字形的基准座标在模板上看似一个极大的圆形,其相对于焊料掩膜底部开口的金属。在这个大圆与较小的十字形对齐过程中,导致了模板和板子之间出现了对齐偏移。
表1
丝网印刷DOE的变量系数变量#1变量#2焊膏类型类型Ⅲ类型Ⅳ刮刀类型金属聚合物分离速度0.05cm/sec0.13cm/sec焊膏滞留时间30秒10秒本项研究中使用的四个变量是在需要8组不同实验的DOE中确定的。对于印刷缺陷的数量和测量的高度数据使用的是公制度量单位。测试结果是基于95%及以上的可靠区间
来确定统计的有效系数。印刷缺陷被定义为在印刷后没有涂上焊膏及焊膏桥接这样的键合焊盘。表2中列出的系数是在检验印刷的实验中保持不变的常数。选用125micro(5mil)的模板,100%的孔径比作为第二次、更进一步研究中所需的值范围的两个中心值。根据印刷机制造厂家推荐使用的参数设置模板印刷机的参数,并使用其推荐值的中间值范围。
表2在丝网印刷DOE过程中保持不变的常数因素参数设置模板厚度125μm孔径比100%模板制造方法激光切割和电抛光焊膏化学成分免清洗刮板长度30.48cm印刷力度5.4kg印刷速度5.08cm/sec清理频率每次印刷后刮板抬起高度2.54cm审查主要印刷DOE的结果表3所列是根据实验设计(DOE)实施的一系列实验。这些实验只是为检验主要效果而设计的。每种实验都使用了10种复制品实施的。在数据搜集中没有使用前5种复制品,不过,前5种复制品对使焊膏起到充分的作用和确保印刷工艺的稳定起到了一定的作用。
表3检验模板印刷的DOE
测试#焊膏类型刮刀类型焊膏停滞时间脱膏速度1类型Ⅲ金属30秒0.05cm/sec2类型Ⅲ金属10分0.13cm/sec3类型Ⅲ聚合物30秒0.05cm/sec4类型Ⅲ聚合物10分钟0.13cm/sec5类型Ⅳ金属10分钟0.05cm/sec6类型Ⅳ金属30秒0.13cm/sec7类型Ⅳ聚合物30秒0.05cm/sec8类型Ⅳ聚合物10分钟0.13cm/sec在评估每种实验条件时使用了三种公制单位。第一种公制度量单位是平均焊膏印刷高度。使用一台用每个象限的四个测量值的激光轮廓测定器测得的每块板的四个象限的16测量值。这样在每次实验中就产生80个高度值。可测得板子两个边缘及板子中心的值。焊膏高度的标准偏差作为第二个公制单位。第三个公制单位是缺陷的总数量。在8次实验中获得的平均高度和高度标准偏差数据见图2所示。
图2
略
图2模板丝网印刷DOE的印刷高度结果,单位为micro使用的第三个公制单位是缺陷的总数量。对选择的1-6电极和A-D中的区域实施光学检验,并将缺陷的总数记录下来。对有桥接的焊盘和漏涂焊膏的焊盘也应视为缺陷。图3所示是缺陷数据的汇总。
图3
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图3模板丝网印刷缺陷结果,缺陷数量/DOE滋根据泄这些跃公制三单位锄及使拌用9尖5%姐的可挽靠区通间,遍统计寇的唯亿一主丽要有谈效影颜响是荷刮刀盘类型客。主律要影烛响曲梯线见芝图4裕所示狸。焊犁膏类依型、释分离团速度牛和焊辩膏滞宋留时翻间的桑可靠兔区间续在8动5%脸以下均。孔芝蓄偏页狸叠丹捧袋威阻甚旱图4课丢仪年吊略段睁挑辛砖万脊园饥青图硬4贝丝网处DO眠E的解主要指影响音曲线晃分离气速度似和清倘理频钟率的饱分析捎为检惰查分撑离速竹度和已清理陵频率游的影捉响而虚实施啦了第展二个廉小型鼓实验朴。因纠为模罩板清擦洗对务产量马有影辞响,脊所以性模板饲清理鲜频率兰是一傍个重羊要的强参数宇。由辅于模饥板的逮清洗肯明显寇地增朽加了搞模板胶印刷音机的劫循环伴时间轨,所签以,耍在生婆产中粗如果绵有可葛能的蜻话,谜应取殖消这粘一工返艺步侨骤。惰进行虫这一袭实验梦是为壶了确预定模呈板清熄洗是器否是柏02全01故工艺泽获得烫良好狼印刷乌必不鄙可少谈的一鸽步。图在这享一实得验中森还对召分离失速度胆进行敬了研允究,寺因为御在第料一步碌的D姻OE杀中已千将其念取消次,没猜有使尾用这吨个有破效系悄数,蒙其它调方面耽的论渡证已吵获得宪了满愧意的仅效果挽。采帮用的铁分离循速度窃分别强为0烂.0置5c刷m/遣se蜡c和温0.顿13渡cm共/s淘ec忧。对家于这奸两个省分离令速度甚的实它验,直都是池使用漫类型捞Ⅳ焊纽膏,镰使用狱的刮肺板是雀金属新刮板笛,没浸有停搂滞时秩间。谦在每阔个实麦验中携都使卵用了亦5种泄复制莲品,敬在第桌一次始印刷燃中,捎是将顷焊膏桨施加呆到5麻块模婚拟板杏。两违次实抖验获袜得的使结果方列在肤表4先和表蚊5中判,正追象第积9和农10佛次实必验那抹样。脊从第评一个括DO纤E获搏得的捷第5青和6姻次实摸验也纵是使倦用类票型Ⅳ团焊膏皮和金谊属刮约板,胆并与缠第9裳和1锣0次馒实验哗进行圾了对浙比。碍图情肝枯逼其摘申表姓4宋焊膏软高度仆数据扭,以壳mi土cr特o为洒单位省实验唇#讽分离谢高度勤清洗下频率运平均跌值蛮标准铲偏差传5芳0.滥05擦cm长/s煮ec派每次巨印刷竿后捏14冬9.孙97倾13愈.4驾5晋6抱0.烟13虏cm蒙/s李ec意每次周印刷麦后应14趣9.瘦36闸20底.2里0窗9娇0.避05撞cm幅/s狮ec个不清笑洗霸14变5.兄77柄15煤.4露1率10惧0.浑13共cm里/s告ec困不清凤洗旺13剩6.家45墨15率.1璃9雨仁受助吊是菠黄猫纵表锋5香每次稼实验盏的缺欲陷数太量梯实验格#船缺陷拖数量垮5姥15少6姿43率9伤23劲6评10辟23份8段根据眯上述劈结果碧,唯钟一的字主要虚影响伴是模甚板清声洗频色率。授主要巨影响衡曲线选见图乱5所慢示。不涝越盘辜助吉讨芦狠图矿5
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