植球技术在SMT行业中的应用

 

　　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佳参数。

 

　　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;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。