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植球技术在SMT行业中的应用

【来源:EM asia China电子制造中国】【作者:颜梅,R SIVAM V RAJOO】【时间: 2008-5-5 9:19:08】【点击:


植球技术在SMT行业中的应用

颜梅,R SIVAM V RAJOO—伟创力电子(苏州)有限公司

植球技术已广泛应用于半导体工业,越来越多的 专业晶圆制造商用它取代传统的电镀焊或高精 度焊膏印刷等工艺。由于直接植球为二次组装 提供了一个灵活、快速、准确和成本低廉的解决方案,大型 EMS企业也逐步进入了这一领域。

OEM客户在器件制造方面已经接受了新的概念,即器件可在EMS公司制作生产并直接用于最终产品的组装。这 样做的好处在于:提供了更高的收益率,缩短了产品交货期,符合中小批量的要求,更关键的是较大幅度地降低了成本。在此情形下,SMT行业应用植球技术变得越来越有必要,而EMS企业只有掌握了晶圆级和芯片级封装技术,才 能响应OEM客户的要求。

本文主要介绍应用在电路板上的植球技术。

流程简介
整个工艺包括四个步骤:涂布助焊剂、植球(球印刷)、 检验及返工,以及回流焊。

植球需要两台在线印刷机:一台是用于涂布膏状助焊 剂的普通网板式印刷机,另外一台用于植球(采用特殊的植 球印刷头)。两台印刷机都可随时切换为电子组装用的普通 印刷机。此外,用于炉前返工补球的低成本设备,可有效地 避免诸如少球等质量问题。

步骤一:涂布助焊剂涂布膏状助焊剂是植球工艺的第一步,它是保持球的定位以及在回流焊中良好成型的关键步骤。特别设计的网板(图1)应用于膏状助焊剂的印刷,该网板的开口是基于印刷电路板的焊盘尺寸和焊球的大小而确定的。

在印刷膏状助焊剂这一 步,同时使用了两种类型的刮刀,前刮刀是橡胶刮刀(图2),后刮刀是金属垂直刮板(图3)。垂直刮板先将一层薄薄的助焊剂均匀涂布在网板上,然后橡胶刮刀再将助焊剂印刷在电路板焊盘上。这个 工艺设计的好处是在线路板的焊盘上提供一个平整均匀的 助焊剂层,同时也保持网板润湿而不干燥,有效地防止了 助焊剂堵孔的状况。

DOE被用来确定助焊剂印刷的最佳参数,见表1。

印刷之后以显微镜来观察并计算助焊剂在焊盘上的覆盖率,并计算DOE的结果。表2是实际助焊剂印刷的DOE矩阵数据。

助焊剂覆盖率反映了DOE实验结果。图5是助焊剂印刷缺陷的实例,其中包 括印刷错位、过量溢出和量少等。

从各因素主要关系与交联反应的影响图分析(见图6),印刷速度、印刷压 力、刮刀角度和印刷间隙各个因素对助焊剂印刷结果都有着显著的影响,而且各个因素之间的交联反应也是如此。

基于参数矩阵优化分 析可得出优化参数设定, 如表3所示。

在这个DOE的试验中 能够得到最优化的印刷参数设定;当然,不同的设备会有一定的差异。在生产过程中网板很容易受到损坏, 所以需要细心地处理和搬动。在助焊剂印刷过程中,固体粉尘或者其他外来的物质很容易堵塞网板的开口,只能用空气枪来清洗。异丙醇或酒精等清洁剂都不能用来清洁网板,因其会溶解并破坏网板上的高分子材料,通常是在生产结束后用无尘布沾去离子水擦拭并用气枪吹干。

助焊剂印刷完成后,需要在显微镜下检查漏印、量不足或错位。通常助焊剂是透明的,而且目视检验很难检查出缺陷。为方便目视检查,合理地改变助焊剂颜色是必要的。

步骤二:植球
在植球阶段,同样需要特殊设计的模板(见图7)。 该模板的开口设计也是基于实际焊球大小和电路板焊盘尺寸,这样做基于两个方面的考虑:一是需避免助焊剂污染 到模板和焊球;二是如何使焊球顺利地通过模板开口。

该模板结构有两层:主体是电铸模板,具有比激光或化学蚀刻模板更光滑的孔壁,因而可使焊球顺利通过;第二层 是紧密结合在模板的底部的一个略带柔性的隔离层(见图 8)。复合的两层具有与焊球直径几乎相同的厚度,很好地 避免了膏状助焊剂对电铸模板的污染,同时使焊球顺利地 通过模板到达焊盘并被助焊剂粘住。

特别设计的植球印刷头能使每个焊球与模板之间的摩 擦力达到最低,并施以可控制的放置力,将焊球放进每个开孔中(焊球是通过毛细 作用和重力的影响被分配到每个开孔中的)。这一步中,焊球转移设备是极其关键的,焊球印刷的参数定义如表4所示 。

在印刷过程中偶尔会 发生焊球堵孔,这是由于开孔被细小灰尘或纤维堵塞造成的。因为很难确定哪个焊球受损,需报废所有待印刷的焊 球,因此焊球废弃率较高。

在这一步,模板是不需要清洗的。IPA或酒精清洁剂也 不能用来擦试模板,因为有机的清洗剂会破坏模板两层之 间的粘合,如果发生堵塞可使用气枪来清理。

步骤三:检测和返工
AOI(自动光学检测)设备用于植球以后的在线检测。 主要缺陷通常是少球和错位(见图9)。检查后,少球的电路板需使用离线的半自动补球设备做返工处理;对于错位 缺陷,清洗电路板并重新印刷是唯一的办法。

离线的半自动补球设备是专门为少球重植而设计的, 少球的放置需要使用准确的图像放大系统,先用一个操作 臂在缺球的焊盘上涂布膏状助焊剂,然后使用另一个操作臂在该焊盘上补球。如果焊盘上的助焊剂已经足够了,则可以在编写程序时将涂布助焊剂的步骤省略。间隙性气压控制是完成涂布助焊剂和补球的关键。图1 0显示了补球设备的结构。

该离线补球设备非常重要,不能影响电路板上的其它放置准确的焊球。经过返工后, 需要将电路板在回流焊前用 AOI设备重新检查, 以确保无缺陷。

步骤四:回流焊
植球的回流焊过程与普通的SMT回流焊工艺一样。对 于无铅产品,一般选用的焊料合金是SAC105,它的熔点比用于电路板的无铅焊膏略高一点(通常高2~3℃),以防止在二次回流中再次造成缺陷。当然,这还要看客户的工艺规定。图11是关于植球回流焊的曲线图。

回流焊后需要用AOI检查。在这一步骤中,考虑 到实际上该产品是BGA类型,如果有任何少球或错位, 则该电路板将被报 废,因为任何方式 的返修都可能引起 在下一步的组装过 程中元件的失效。

小结
这项植球工艺研究是为了从EMS公司的生产角度从发, 寻找到涂布助焊剂、植球、返工及回流焊的标准工艺。研究 中的关键点是助焊剂涂布参数设定、置球模板和缺失焊球的 返工。研究中还发现,在膏状助焊剂印刷后的检验存在检出度不足的问题;因此,与助焊剂供应商合作以寻求利于印刷 后检验效果的进一步的研究是十分必要的。

 


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