高速组装工艺和特性化3

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。阳呼剃被葡昂托茎间志约哲中责图3丑趋蹈屡澡互略县倘趣让顿湿作旱阿图3他模限板丝住网印往刷缺送陷结喇果，宽缺陷航数量球/D凤OE柔根据索这些乳公制阅单位惩及使录用9校5%热的可貌靠区忆间，滚统计刑的唯慰一主短要有红效影引响是黑刮刀怎类型咽。主晕要影勤响曲菜线见巡图4姿所示勒。焊闻膏类嚼型、矿分离应速度搬和焊如膏滞辞留时葵间的右可靠始区间估在8紧5%朋以下届。抱仰存倒列父雀捡随常管早激窄图4兰候为举档略敲笛隐屑器埋愤驶稍汪图罪4锻丝网偿DO滑E的组主要状影响梢曲线自分离恰速度址和清苦理频福率的孩分析鼓为检怎查分哲离速胶度和颗清理访频率丢的影棵响而本实施艳了第隶二个斧小型汤实验倡。因助为模密板清敲洗对爱产量膊有影邀响，夕所以珍模板庆清理东频率泡是一摘个重案要的稿参数味。由点于模哀板的币清洗仪明显汇地增自加了跑模板勺印刷歌机的劝循环源时间搞，所输以，增在生饱产中眨如果顿有可葛能的达话，驴应取疯消这千一工猛艺步例骤。耀进行浪这一刃实验忧是为桃了确垦定模避板清斥洗是凡否是涂02叉01蝶工艺韵获得衡良好膝印刷敢必不架可少删的一慢步。昂在这张一实餐验中祥还对药分离皆速度家进行蝶了研煎究，逮因为薪在第个一步钥的D冒OE漆中已世将其世取消弊，没果有使间用这蒜个有询效系戏数，粪其它津方面炕的论蒙证已百获得娃了满娱意的触效果灶。采炸用的便分离约速度驳分别打为0悉.0漏5c羞m/碌se河c和炊0.启13窜cm论/s届ec傍。对区于这洪两个离分离烧速度窜的实喉验，帮都是统使用租类型长Ⅳ焊饰膏，享使用奴的刮炼板是凯金属尿刮板丹，没筐有停妈滞时嘉间。穷在每膛个实晃验中累都使赶用了异5种叫复制良品，避在第筛一次雹印刷鲜中，跌是将醒焊膏窄施加歌到5器块模熊拟板册。两猫次实泪验获修得的饮结果袖列在经表4勉和表窜5中霉，正盛象第胀9和议10唯次实老验那坊样。紫从第萌一个甚DO透E获套得的漂第5洞和6裙次实劝验也像是使野用类蛮型Ⅳ塞焊膏震和金响属刮末板，探并与优第9阀和1势0次有实验叼进行浪了对欠比。躲跪腊角惨闭有盾呀表洪4拳焊膏割高度蚊数据殊，以急mi殊cr郊o为请单位袍实验逐#丰分离季高度锁清洗放频率膊平均逆值粮标准沿偏差愚5寸0.扁05套cm至/s你ec唯每次导印刷高后纲14旗9.担97羞13钢.4扭5饭6舞0.绑13到cm五/s导ec拥每次同印刷腾后翅14饰9.性36晒20厉.2柿0框9控0.皇05葛cm翼/s览ec锄不清捎洗净14橡5.倡77累15榴.4冠1怒10秃0.霜13绍cm额/s嗓ec蓝不清狱洗抄13底6.污45赖15哄.1些9联银饭秆随门撑局家台表排5仇每次截实验免的缺涉陷数凤量轻实验搏#战缺陷送数量脂5舒15臣6厨43甚9劣23垄6躁10别23岂8备根据书上述动结果扶，唯朝一的砌主要彩影响早是模告板清抹洗频谅率。事主要雹影响哗曲线膀见图捡5所涨示。茄贩槽蛮们罩消踏煤涌图瞒5

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