影像器件在 SMT 的组装工艺

杨根林    东莞致伸资讯电业电子有限公司

引 言:1) 随着第三代数字通信技术3G的迅速发展，视频通话成为其重要的运用技术之一，于是影像感应器件得到了更为广泛的应用。影像感应器件生产工艺通常有两种，一是芯片厂商把光电耦合器件CCD(Charge Coupled Device) 封装成SMT标准零件，如CSP或LLP的IC封装形式；二是把光电感应裸芯片DIE经由邦定键合后封装而成。光电芯片要成为有独立功能的影像模组，在电性旁路上离不开表面贴装的被动和主动元件，这些元件都需要通过贴装工艺的装配完成。

2) CCD作为通用元件用于SMT装配,已经很成熟,在此我不作赘述。现在，我要给大家介绍的是，经由COB（Chip On Board）制程的影像模组有关SMT的组装工艺。 

3) 经由邦定的影像模组，在材质上可以是软硬接合板（Rigid-flex board）的方式，或者FPC（Flexible Printed Circuit)与PCB（Printed Circuit Board）分开装配再进行组装的方式，或是在硬性电路板上直接邦定影像器件构成影像功能模组，通过连接器与其他装置进行组装，见图1A。不过，都必需先对它们的SMT器件进行表面贴装。FPC和PCB经由SMT装配完成后，组装成影像功能模组。两者联结又有两种不同的工艺：一种是通过Hotbar机热压锡钎焊接；另一种是通过ACF（Anisotropic Conductive Film）异向导电胶热压粘接。这一节主要介绍影像功能模组需经过邦定的硬性电路板部份（下文中将称其为影像器件），以及影像模组的组装工艺。

4) 影像器件在完成表面贴装进入COB装配之前，需先经过超音波清洗，目的是为了祛除电路板上的灰尘污垢和焊接后的残留物；为了回流焊接后的残留物很方便清除，所用锡膏需选用水溶性的。在制程工艺上，COB装配与SMT 密不可分，所以SMT对PCB材质和DFM(Design for manufacture)时必需充分地考虑到COB的工艺要求。影像器件日趁小型化，无源器件被高密度地排列在一起，SMT的零件与COB组件之间的距离通常仅5-8mil，细小的安全距离使得装配的稳健性离不开工艺的精确控制。

在无线蓝牙耳机、手机、数码相机等产品中，0201元件的广泛应用已有多年，对于0201或01005元件免洗锡膏制程，业界在装配工艺方面已有专述， 尤其对0201元件在批量生产中有很高的装配良率。它的制程工艺，有关焊盘DFM（可制造性设计）这一块也已经很成熟。在影像器件上，被动元件迄今还是以0201为主，由于受邦定工艺限制影响，在制程工艺上不同于普通产品，产品的组装环境是100级以上的无尘车间，给设备和制程带来了挑战。

在生产影像器件时，常有锡尘或锡珠、COB焊垫沾锡、元件焊接后偏斜和空焊等制程缺陷。在免洗锡膏制程中，助焊剂残留在普通电子产品上不必清除，焊接后被助焊残留物包裹的锡尘或微小锡球只要不会移动，锡球够细不会影响到产品的安全特性，在作检验时可以忽略不计。可是，在影像器件上所用水溶性锡膏在回流焊接完后，粘附在PCB焊接点表面的锡球或助焊残留必需被彻底清除。 影像器件的邦定焊垫完全等同于金手指，绝不充许沾锡、刮伤或脏污不良。下面，我们就影像器件在SMT的装配工艺控制要点进行探讨。

一. PCB基板及DFM
COB设计的电路板，由于(Wire bonding)键合过程的高温（170-190 摄氏度），会使树脂纤维基板表面变软而导致邦定打线失败。为了减少回流焊接后PCBA翘曲变形，PCB在材质上是有别于普通印刷电路板的，通常BT/Epoxy高性能板材可克服此点不足;也可选用玻璃转化温度Tg（Glass Transition Temperature)较高的FR5, 或是Hight Tg FR4软化温度较高的同等材质。在高端产品上，则选用陶瓷型基板，见1B图。陶瓷型基板易碎且价格昂贵，不过不易受潮且热膨胀系数小，没有树脂纤维合成层压板的热分离温度特性TD（Delamination Temperature）和翘曲变形问题。由于移动影像器件的轻巧要求，PCB厚度被严格限制，厚度0.4mm的板材应用广泛，回流焊后的电路板变形量控制在制程上变得很有挑战性。在外形尺寸方面，PCB需满足COB机器的规格要求，外形需有规则的板边，避免机器输送卡板。为降低PCB板中的粉尘污染邦定环境，PCB板侧边横切面和表面同样都需覆盖防焊层，分板不可采用冲压槽V-cut或邮票孔Punching 的方式，较多采用铣切Router或Die saw切割晶圆方式。用于普通产品上的表层丝印，因邦定时可能造成印油脱落产生粉尘污染环境也被禁止使用，文字标示只可以在PCB板边蚀刻雕镌。

在表面处理工艺上，COB金线邦定焊垫需力求平整镀层均匀硬度良好，它主要采用化镍浸金（ENIG）或化镍钯浸金（ENPIG）方式，浸银（Immersion silver）表面处理因易氧化且硬度不如镀金较少采用。有机可焊性保护膜OSP（Organic Solder-abilty Preservatives）导电性差， 热风整平(HASL)和浸锡{Immersion Tin}表面平整性差，更不适合COB工艺要求。ENIG（Electroless nickel /immersion gold）工艺是通过化学方法在铜铂表面镀上Ni/Au，内层Ni的沉积厚度一般为3-6μm，外层Au的沉积厚度0.05-0.1μm。据相关的研究资料显示，在ENIG的可靠性当中，高磷含量又要相对更好一些。镀金层的厚度需要注意控制，太厚影响到SMT焊点的脆性；也不宜太薄，不然对Ni层失去有效的保护作用，而导致镍层氧化使可焊性变差，焊接点可靠性降低。而ENEPIG与ENIG相比，在成本上更高一些，所以我们在普通产品上大都还是采用化镍浸金(ENIG)。ENPIG在镍层和金层之间多了一层钯，镍层厚为3-6μm，钯层厚度约为0.1-0.5μm，金层的厚度为0.02-0.1 μm。增加钯层可以防止出现置换反应过度，减缓镍层受到化金药水攻击，避免腐蚀黑垫(Black pad)现象问题产生，有助于浸金更好效果。所以，工厂的一些大客户，在某些产品上指定要求用化镍钯浸金(ENPIG）工艺。当然，无论是采用那一种表面处理工艺方式，为了达到回流焊或邦定良好的效果，PCB厂商都必需控制好工艺参数。在来料品质的控制上，IQC需掌握这方面的知识和检验标准，PCB供应商每批来料需附上相关检验报告。

焊盘的设计通常有(SMD/NSMD）类型，即阻焊层限定SMD（Solder Mask Defined）和非阻焊层限定NSMD (Non Solder Mask Defined)两种，阻焊层材料为可成像液体感光胶。影像器件的元件焊接位置精度要求很高，NSMD类型焊盘表层走线时导致元件焊接后产生较高的偏移缺陷，所以焊盘较多的采用SMD类型。如果产品有需要，两种不同的焊盘类型也可以用在同一块PCB的不同元件上，见图2。在一般情况下，SMD类型焊盘尺寸和网板开口大小一致，焊膏量相等并使润湿力均衡，才能降低元件直立不良率。然而，网板开口尺寸需考虑所选用锡膏特性，针对0201制程,适当地扩大开孔，可能会有效降低回流后立碑或空焊的不良。 

SMD阻焊层开口小于金属焊盘，焊盘开口的实际尺寸是由阻焊层制作者控制，在工艺控制良好的情况下，焊盘形状与Gerber图形可以一致。形状规范对称的焊盘可以减低在回流焊接中浸润力对细小元件的扭转力，从而使元件的焊接位置和印刷贴片之叠加区域位置基本成对应关系，有效的减少元件焊接缺陷。不过，SMD焊盘由于阻焊层覆盖于焊盘上，焊锡坍塌时在相同制程条件下相比NSMD焊盘，无疑产生锡珠的比例更高。为了减少助焊剂和液态锡在阻焊层表面的扩散，选用不光滑的阻焊层倾向于产生较少的锡珠和焊接残留物。然而，NSMD形式在工艺上紧靠焊盘四周的Solder Mask被蚀刻掉3-6mil，由于阻焊层开口比金属焊盘大，与焊盘相连的表层导线露出，形成所谓的“拖尾”现象，使得相同元件的焊盘不能对称或一致,见图3。于是，在Gerber 文件钢网层中规范的焊盘图形，因选用的是NSMD焊盘类型和表层走线的原因，致使PCB焊盘的形状最终与Gerber中的设计图形大相径庭。普通电子产品元件焊盘可以忽略的细小差异，比如0201焊盘的表层走线造成的焊盘不规则不对称，在影像器件产品上的一些位置却必需引起高度重视。然而，NSMD焊盘的焊点在结构上更可靠，制程窗口更宽广，锡珠产生较少，所以在一般性产品上得到更广泛应用。

SMD与NSMD焊盘各自特点，只有在表层走线时才比较明显，NSMD焊盘形状的细小差异，兼之丝印与贴片误差，导致回流焊接时元件偏移问题更突出，更难以控制。为了兼有两种不同类型焊盘的优点，我们通常在同一产品上针对不同的位署采用不同的方式：比如0201元件与邦定器件临界干涉的地方，采用焊接精确定位的SMD 焊盘；而对于板上空间比较宽裕之处，采用NSMD焊盘，便于减少锡珠等不良问题。在IPC-A-610D的片式元件贴装Class 1,2的相关规定中，元件焊接后偏出焊盘不超过50%，对于普通电子产品是可以接受的。可是，在影像器件贴装中一些特殊位置，焊接后的元件偏移量必需满足Class 3或更高要求，即偏移不超出焊盘或元件宽度的25%，否则它对COB装配工艺将产生显著的影响，见图4。

影响模板印刷和贴装的精度要素中，光学辨识点（Fiducial Mark）即基准点不可被忽视；对于0201元件的贴装，做工精良的基准点对组装的品质尤其显得重要，见图6。如果基准点制作不良将使机器辩识困难或误判，在模板印刷时造成焊锡偏出焊盘，在贴装中使零件偏离焊盘中心。模板印刷焊锡偏离焊盘，轻则造成焊接缺陷，重则必需清除误印刷焊锡膏重新印刷，为预防误印刷焊锡脏污邦定焊垫，要求使用超音波机彻底清洗PCB。为了保证印刷和贴片的识别效果，基准点范围内应无其它走线及丝印；基准点的材料为裸铜或覆铜，在形状、大小、位置以及它和基板之间的对比度都有特定要求。基准点中心距板边需大于5mm，优选尺寸为直径40mil±1mil，形状优选实心圆。PCB 板对角至少有两个不对称基准点；每块单元板上也需要基准点，便于来料单板不良时贴片机墨点跳过不贴片。印刷模板的基准点制作也同样重要，它完全以电路板上的基准点为依据；在模板的底面（或顶面）通过半刻钢板，并以黑胶填充以增强其对比度。
 在影像器件的PCB排版中，由于产品小型化需求，板上空间被最大程度的利用，元件之间的间隙被高度限制。细小元件应用较多为0201电阻电容，元件外形尺寸见图5。在新产品设计之初，DFM（可制造性设计）就成为产品研发人员（RD）、COB和SMT 的新产品工程师三方重点讨论审核的对象，右图8就是常见的某产品DFM排版草图。在设计上它必需满足COB和SMT的可制造性要求，最有效利用PCB非常有限的表面或空间，三方必需达成平衡。图中十字光标是晶片Die的中心位置，SMT的细小元件主要是0201，它与0402元件、影像模组Lens holder内壁和COB邦定焊垫之间的距离仅有6-8mil。甚至少数产品0201元件与COB组件之间的距离仅有4-6mil。这种位置精度要求无疑对DFM提出了挑战，也更加显现出它对于产品能否成功量产的重要性。

对于0201元件焊盘形状的设计，在多对于0201元件焊盘形状的设计，在多数的产品上采用U型或H型焊盘，它们在通用的电子产品上也能有理想的装配良率。而对于影像器件0201元件的焊盘设计，我推荐上图7中所示尺寸。经DOE验证，两焊端之间的内距0.20-0.23mm，焊盘正方形边长0.3 mm，四角倒0.1mm圆是较好的0201焊盘设计。实验证明，这种焊盘设计有助于回流焊接时元件自动校正补偿作用，对减少焊接不良很有裨益。0201 元件两电气端内距建议不要超过0.24 mm，否则它与锡膏的重叠区域太小会对装配良率产生很大影响，较多产生立碑，空焊等缺隙。元件的电气端与锡膏的"重叠区域"（Overlap Area）（如图11)，最主要还是取决于锡膏的印刷和贴片精度的综合因素，我们必需在钢网的制造与贴片上做出补偿以减少差异。元件体在两个焊盘上的覆盖至少大于50%，如果元件末端在焊盘上的覆盖率不足，很可能会造成润湿力不平衡，从而形成元件直立。

为了降低贴片偏差和锡膏印刷偏差对细小零件装配时的综合影响，已经有贴片机为此开发了APC系统（ Advanced Process Control），它通过测定上一个工序的品质结果，来控制后一个工序的技术。在高密度贴装时，针对细小元件的特性，把印刷焊膏偏移量的信息传输给贴装机，贴装元件时对位中心是焊膏图形，而不是焊盘。这就可以降低印刷偏差与贴片偏差同方向时的叠加，比如贴片正向偏50μm，印刷负向偏差50μm，综合偏差就达到0.1mm，这对于0201零件偏差就很大了，就可能产生装配不良了。

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