植球技術(shù)在SMT行業(yè)中的應(yīng)用

 

　　OEM客戶在器件制造方面已經(jīng)接受了新的概念，即器件可在EMS公司制作生產(chǎn)并直接用于終產(chǎn)品的組裝。這 樣做的好處在于：提供了更高的收益率，縮短了產(chǎn)品交貨期，符合中小批量的要求，更關(guān)鍵的是較大幅度地降低了成本。在此情形下，smt行業(yè)應(yīng)用植球技術(shù)變得越來越有必要，而EMS企業(yè)只有掌握了晶圓級和芯片級封裝技術(shù)，才 能響應(yīng)OEM客戶的要求。

 

　　本文主要介紹應(yīng)用在電路板上的植球技術(shù)。

 

　　流程簡介

 

　　整個工藝包括四個步驟：涂布助焊劑、植球(球印刷)、 檢驗及返工，以及回流焊。

 

　　植球需要兩臺在線印刷機：一臺是用于涂布膏狀助焊 劑的普通網(wǎng)板式印刷機，另外一臺用于植球(采用特殊的植 球印刷頭)。兩臺印刷機都可隨時切換為電子組裝用的普通 印刷機。此外，用于爐前返工補球的低成本設(shè)備，可有效地 避免諸如少球等質(zhì)量問題。

 

　　步驟一：涂布助焊劑涂布膏狀助焊劑是植球工藝的一步，它是保持球的定位以及在回流焊中良好成型的關(guān)鍵步驟。特別設(shè)計的網(wǎng)板(圖1)應(yīng)用于膏狀助焊劑的印刷，該網(wǎng)板的開口是基于印刷電路板的焊盤尺寸和焊球的大小而確定的。

 

　　在印刷膏狀助焊劑這一 步，同時使用了兩種類型的刮刀，前刮刀是橡膠刮刀(圖2)，后刮刀是金屬垂直刮板(圖3)。垂直刮板先將一層薄薄的助焊劑均勻涂布在網(wǎng)板上，然后橡膠刮刀再將助焊劑印刷在電路板焊盤上。這個 工藝設(shè)計的好處是在線路板的焊盤上提供一個平整均勻的 助焊劑層，同時也保持網(wǎng)板潤濕而不干燥，有效地防止了 助焊劑堵孔的狀況。

 

　　DOE被用來確定助焊劑印刷的佳參數(shù)。

 

　　印刷之后以顯微鏡來觀察并計算助焊劑在焊盤上的覆蓋率，并計算DOE的結(jié)果。表2是實際助焊劑印刷的DOE矩陣數(shù)據(jù)。

 

　　助焊劑覆蓋率反映了DOE實驗結(jié)果。圖5是助焊劑印刷缺陷的實例，其中包 括印刷錯位、過量溢出和量少等。

 

　　從各因素主要關(guān)系與交聯(lián)反應(yīng)的影響圖分析(見圖6)，印刷速度、印刷壓 力、刮刀角度和印刷間隙各個因素對助焊劑印刷結(jié)果都有著顯著的影響，而且各個因素之間的交聯(lián)反應(yīng)也是如此。

 

　　基于參數(shù)矩陣優(yōu)化分 析可得出優(yōu)化參數(shù)設(shè)定， 如表3所示。

 

　　在這個DOE的試驗中 能夠得到優(yōu)化的印刷參數(shù)設(shè)定;當(dāng)然，不同的設(shè)備會有一定的差異。在生產(chǎn)過程中網(wǎng)板很容易受到損壞， 所以需要細(xì)心地處理和搬動。在助焊劑印刷過程中，固體粉塵或者其他外來的物質(zhì)很容易堵塞網(wǎng)板的開口，只能用空氣槍來清洗。異丙醇或酒精等清潔劑都不能用來清潔網(wǎng)板，因其會溶解并破壞網(wǎng)板上的高分子材料，通常是在生產(chǎn)結(jié)束后用無塵布沾去離子水擦拭并用氣槍吹干。

 

　　助焊劑印刷完成后，需要在顯微鏡下檢查漏印、量不足或錯位。通常助焊劑是透明的，而且目視檢驗很難檢查出缺陷。為方便目視檢查，合理地改變助焊劑顏色是必要的。

 

　　步驟二：植球

 

　　在植球階段，同樣需要特殊設(shè)計的模板(見圖7)。 該模板的開口設(shè)計也是基于實際焊球大小和電路板焊盤尺寸，這樣做基于兩個方面的考慮：一是需避免助焊劑污染 到模板和焊球;二是如何使焊球順利地通過模板開口。

 

　　該模板結(jié)構(gòu)有兩層：主體是電鑄模板，具有比激光或化學(xué)蝕刻模板更光滑的孔壁，因而可使焊球順利通過;二層 是緊密結(jié)合在模板的底部的一個略帶柔性的隔離層(見圖 8)。復(fù)合的兩層具有與焊球直徑幾乎相同的厚度，很好地 避免了膏狀助焊劑對電鑄模板的污染，同時使焊球順利地 通過模板到達(dá)焊盤并被助焊劑粘住。

 

　　特別設(shè)計的植球印刷頭能使每個焊球與模板之間的摩 擦力達(dá)到低，并施以可控制的放置力，將焊球放進每個開孔中(焊球是通過毛細(xì) 作用和重力的影響被分配到每個開孔中的)。這一步中，焊球轉(zhuǎn)移設(shè)備是極其關(guān)鍵的，焊球印刷的參數(shù)定義如表4所示 。

 

　　在印刷過程中偶爾會 發(fā)生焊球堵孔，這是由于開孔被細(xì)小灰塵或纖維堵塞造成的。因為很難確定哪個焊球受損，需報廢所有待印刷的焊 球，因此焊球廢棄率較高。

 

　　在這一步，模板是不需要清洗的。IPA或酒精清潔劑也 不能用來擦試模板，因為有機的清洗劑會破壞模板兩層之 間的粘合，如果發(fā)生堵塞可使用氣槍來清理。

 

　　步驟三：檢測和返工

 

　　AOI(自動光學(xué)檢測)設(shè)備用于植球以后的在線檢測。 主要缺陷通常是少球和錯位(見圖9)。檢查后，少球的電路板需使用離線的半自動補球設(shè)備做返工處理;對于錯位 缺陷，清洗電路板并重新印刷是唯一的辦法。

 

　　離線的半自動補球設(shè)備是專門為少球重植而設(shè)計的， 少球的放置需要使用準(zhǔn)確的圖像放大系統(tǒng)，先用一個操作 臂在缺球的焊盤上涂布膏狀助焊劑，然后使用另一個操作臂在該焊盤上補球。如果焊盤上的助焊劑已經(jīng)足夠了，則可以在編寫程序時將涂布助焊劑的步驟省略。間隙性氣壓控制是完成涂布助焊劑和補球的關(guān)鍵。圖1 0顯示了補球設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

 

　　該離線補球設(shè)備非常重要，不能影響電路板上的其它放置準(zhǔn)確的焊球。經(jīng)過返工后， 需要將電路板在回流焊前用 AOI設(shè)備重新檢查， 以確保無缺陷。

 

　　步驟四：回流焊

 

　　植球的回流焊過程與普通的smt回流焊工藝一樣。對 于無鉛產(chǎn)品，一般選用的焊料合金是SAC105，它的熔點比用于電路板的無鉛焊膏略高一點(通常高2～3℃)，以防止在二次回流中再次造成缺陷。當(dāng)然，這還要看客戶的工藝規(guī)定。圖11是關(guān)于植球回流焊的曲線圖。

 

　　回流焊后需要用AOI檢查。在這一步驟中，考慮 到實際上該產(chǎn)品是BGA類型，如果有任何少球或錯位， 則該電路板將被報 廢，因為任何方式 的返修都可能引起 在下一步的組裝過 程中元件的失效。

 

　　小結(jié)

 

　　這項植球工藝研究是為了從EMS公司的生產(chǎn)角度從發(fā)， 尋找到涂布助焊劑、植球、返工及回流焊的標(biāo)準(zhǔn)工藝。研究 中的關(guān)鍵點是助焊劑涂布參數(shù)設(shè)定、置球模板和缺失焊球的 返工。研究中還發(fā)現(xiàn)，在膏狀助焊劑印刷后的檢驗存在檢出度不足的問題;因此，與助焊劑供應(yīng)商合作以尋求利于印刷 后檢驗效果的進一步的研究是十分必要的。