高速0201组装工艺和特性化

绪 言 显然，在过去的几年中，随着人们使用的便携式电话、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。多数移动式电话制造厂家现在已将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 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MPM Ultraprint 3000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BTU International Paragon 98N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/sec 0.13cm/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/sec
2 类型Ⅲ 金 属 10分 0.13cm/sec
3 类型Ⅲ 聚合物 30秒 0.05cm/sec
4 类型Ⅲ 聚合物 10分钟 0.13cm/sec
5 类型Ⅳ 金 属 10分钟 0.05cm/sec
6 类型Ⅳ 金 属 30秒 0.13cm/sec
7 类型Ⅳ 聚合物 30秒 0.05cm/sec
8 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