组装工艺及特性化设计方案样本.doc

高速0201组装工艺和特征化

摘要
本文叙述了超小印脚、表面组装分立元件高速组装，尤其是0201无源元件组装。发展趋势说明每十二个月贴装无源元件数量快速上升，而元件尺寸却在稳定地下降。为此，急需一个特征化组装和超小无源元件装联工艺。为开发研制高速0201组装初始工艺特征，尤其是工艺不足和变量，在这项工作中对每一工艺步骤全部进行了详尽研究。开发工艺步骤有模板印刷、元件贴装和再流焊接。还对工艺参数进行了研究，如象；脱膏速度、模板清理频率、基准类型和再流参数。
绪言
显然，在过去几年中，伴随大家使用便携式电话、寻呼机和个人辅助用具数量急剧上升，使得消费类电子工业火爆发展。在更小、愈加快、成本更低需求推进下，对小型化技术研究必需性也成为无止境需求。多数移动式电话制造厂家现在已将0201无源元件用于其全部最新设计中，而且在不远未来，其它工业领域也将采取这种技术。汽车制造工业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尺寸小优点，将其应用于医疗器械中，如象；助听器和心脏起博器。很多企业将0201技术用于多芯片模块（MCM）中，以降低总封装尺寸。使用这种MCM器件，经过直接用裸芯片进行封装，用于2级板组装上封装体模压，使得0201技术距半导体工业更近了。还需要做更多研究来认证焊盘设计、印刷、贴装和再流工艺窗口，方便使0201无源元件在全方面推广应用之前，能够实现较高一次合格率及高产量。
试验计划
关键采取了三套试验方案。这三套方法关键是相对于焊膏印刷、元件贴装和元件再流。为了了解每种工艺步骤对0201组装工艺影响，分别对每种组装工艺进行了检验。对于工艺次序，只对研究中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改变取决于4、5、6、8、10和12mil这多个间距尺寸。在一些领域应用中，芯片边缘到芯片边缘密度比4mil焊盘边缘到焊盘边缘间距还高。可将其用于确定芯片间距和焊盘间距可接收性。
2．焊盘尺寸作用。标称焊盘尺寸是一个12×13mil长方形焊盘，中心到中心间距为22mil。标称尺寸将会有10%、20%和30%改变。在整个板子上，焊盘尺寸将伴随元件到元件间距改变而改变。
3．芯片定向：在A、B、C和D单元中，对0°和90°芯片方向进行研究。在单元E和F可使你观察到5°角对0201组装工艺影响。
4．1-6单元研究是多种无源元件尺寸（0402、0603、0805、1206）到0201之间相互作用。用这些组件来确定0201元件对其它较大无源元件大至影响，即在印刷、贴装和再流（散热）方面影响。本文中叙述间距是边缘到边缘间距在4、5、6、8、10和12mil范围内改变。另外，0201焊盘尺寸在这6个单元上改变，说明了伴随焊盘尺寸改变相互作用。
图1所表示是测试载体，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FR4环氧树脂板，厚度为1.57mm。印迹是由铜、化学镀镍和浸金金属化工艺制成。
                    图1        略
                    图1 测试载体
设备计划
全部测试板全部是使用同一台组装设备组装。使用MPM Ultraprint 3000印刷机实施了模板印刷。全部元件全部是用西门子HS-50贴装机进行贴装。使用BTU International Paragon 98N再流焊接设备进行再流焊接。
经过主模板印刷审查DOE试验计划
为了表现0201无源元件印刷特征，而开发了一个试验设计（DOE）方便观察印刷工艺中多个系数。在丝网印刷DOE中需要检验变量有焊膏目、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无源元件印刷工艺而设计。每个系数改变在表1中列出。最初，是在丝网印刷中对基准类型进行检验。然而，因为印刷机不可能正确地视查到掩膜要求基准座标，所以，这个变量就被删除了，只使用了金属要求基准座标。焊料掩膜上十字形基准座标在模板上看似一个极大圆形，其相对于焊料掩膜底部开口金属。在这个大圆和较小十字形对齐过程中，造成了模板和板子之间出现了对齐偏移。
         表1  丝网印刷DOE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

本项研究中使用四个变量是在需要8组不一样试验DOE中确定。对于印刷缺点数量和测量高度数据使用是公制度量单位。测试结果是基于95%及以上可靠区间  来确定统计有效系数。印刷缺点被定义为在印刷后没有涂上焊膏及焊膏桥接这么键合焊盘。
表2中列出系数是在检验印刷试验中保持不变常数。选择125micro（5mil）模板，100%孔径比作为第二次、更深入研究中所需值范围两个中心值。依据印刷机制造厂家推荐使用参数设置模板印刷机参数，并使用其推荐值中间值范围。
                表2 在丝网印刷DOE过程中保持不变常数
原因
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
焊膏化学成份
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
审查关键印刷DOE结果
表3所列是依据试验设计（DOE）实施一系列试验。这些试验只是为检验关键效果而设计。每种试验全部使用了10种复制品实施。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足作用和确保印刷工艺稳定起到了一定作用。
            表3 检验模板印刷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
在评定每种试验条件时使用了三种公制单位。第一个公制度量单位是平均焊膏印刷高度。使用一台用每个象限四个测量值激光轮廓测定器测得每块板四个象限16测量值。这么在每次试验中就产生80个高度值。可测得板子两个边缘及板子中心值。焊膏高度标准偏差作为第二个公制单位。第三个公制单位是缺点总数量。在8次试验中取得平均高度和高度标准偏差数据见图2所表示。
                           图2         略
                图2 模板丝网印刷DOE印刷高度结果，单位为micro
使用第三个公制单位是缺点总数量。对选择1-6电极和A-D中区域实施光学检验，并将缺点总数统计下来。对有桥接焊盘和漏涂焊膏焊盘也应视为缺点。图3所表示是缺点数据汇总。
                          图3          略
                图3 模板丝网印刷缺点结果，缺点数量/DOE
依据这些公制单位及使用95%可靠区间，统计唯一关键有效影响是刮刀类型。关键影响曲线见图4所表示。焊膏类型、分离速度和焊膏滞留时间可靠区间在85%以下。
                          图4         略
                   图4 丝网DOE关键影响曲线
分离速度和清理频率分析
为检验分离速度和清理频率影响而实施了第二个小型试验。因为模板清洗对产量有影响，所以模板清理频率是一个关键参数。因为模板清洗显著地增加了模板印刷机循环时间，所以，在生产中假如有可能话，应取消这一工艺步骤。进行这一试验是为了确定模板清洗是否是0201工艺取得良好印刷必不可少一步。在这一试验中还对分离速度进行了研究，因为在第一步DOE中已将其取消，没有使用这个有效系数，其它方面论证已取得了满意效果。采取分离速度分别为0.05cm/sec和0.13cm/sec。对于这两个分离速度试验，全部是使用类型Ⅳ焊膏，使用刮板是金属刮板，没有停滞时间。在每个试验中全部使用了5种复制品，在第一次印刷中，是将焊膏施加到5块模拟板。两次试验取得结果列在表4和表5中，正象第9和10次试验那样。从第一个DOE取得第5和6次试验也是使用类型Ⅳ焊膏和金属刮板，并和第9和10次试验进行了对比。
                 表4 焊膏高度数据，以micro为单位
试验#
分离高度
清洗频率
平均值
标准偏差
5
0.05cm/sec
每次印刷后
149.97
13.45
6
0.13cm/sec
每次印刷后
149.36
20.20
9
0.05cm/sec
不清洗
145.77
15.41
10
0.13cm/sec
不清洗
136.45
15.19
                   表5 每次试验缺点数量
试验#
缺点数量
5
15
6
43
9
236
10
238
依据上述结果，唯一关键影响是模板清洗频率。关键影响曲线见图5所表示。
                   图5           略
             图5模板清洗频率和分离速度试验关键影响曲线
为了将电成型模板和激光切割模板进行比较，还做了另一项试验。如表6所列，在这项试验中使用了相同印刷机参数、相同焊膏和孔开口。使用两个公制单位是焊膏平均高度和焊膏高度标准偏差。试验结果归纳在表7中。
                表6 用于模板制造方法测试中参数设置
系数
设置参数
模板厚度
125μm
孔径比
100%
焊膏成份
免清洗
焊膏目
类型Ⅳ
焊膏停滞时间
30秒
分离速度
0.13cm/sec
刮板类型
金属
                   表7 焊膏高度数据，单位：micro
模板类型
平均焊膏高度
标准偏差
激光切割
149.36
20.20
电铸成型
124.14
12.67
    试验结果说明使用电铸成型模板，印刷焊膏更为均匀，而且印刷焊膏高度靠近于模板厚度。
经过贴装审查DOE试验计划
为确定基准座标数量、基准形状和基准定义方法是否影响到元件贴装而进行了两个试验。第一个试验只检验用于贴装工序中球形基准座标数量。第二试验是丝网DOE检验基准定义方法和基准形状。每个系数改变列在表8中。最初，应在审查中对贴装力度进行检验。然而，当首次进行检测时，因为贴装精度基准座标数量和基准定义作用，所以，不能够确定贴装力度作用。因为这个原因，贴装力度常数保持不变，应在其它试验中对贴装力度进行检验。
                 表8 贴装丝网DOE变量
系数
变量#1
变量#2
基准座标数量
2
3
基准形状
圆形
十字形
基准定义方法
掩膜定义
金属定义
在本项研究中使用三种变量被用于两种试验中，这两种试验需要6组不一样试验。对试验元件要进行视觉检测，并以公制为单位。
表9所列是在丝网试验中保持常数贴装原因。
                   表9 在贴装丝网DOE过程中保持不变常数
系数
参数设置
贴装力度
0.1kgf
贴装速度
50mm/sec
贴装加速度
98.1%缺点
经过关键贴装审查DOE结果
前两个试验是为了确定基准座标数量对贴装精度有什么样影响。第一个试验使用了两个对角基准座标来确定板子方向，而第二个试验以三个角作为基准座标。对于一个板子（L=12×W=7mm），据发觉使用三个基准座标要比使用两个基准座标来确定板子方向更为正确。对于其它贴装和随即全部试验来说，为了达成更高精度贴装，使用了三个基准座标。
表10所列是在丝网DOE中实施一系列试验。为了只检验关键影响，统计软件封装提议实施这些试验。在实施每种试验中使用4个复制品。
              表10 贴装丝网DOE
试验#
基准形状
基准定义方法
1
圆形
掩膜定义
2
十字形
金属定义
3
圆形
金属定义
4
十字形
掩膜定义
用于评定多种试验条件标准是0201元件在整个板子上贴装精度。把元件贴装在板子上四个象限（象限4、19、25和40）中。象限4在左上角，焊盘尺寸为+30%（17mil×19mil）。象限19距中心很近，焊盘尺寸为标称尺寸（12mil×13mil）。象限25在板子中心旁边，使用焊盘尺寸为+30%。象限40在右边缘，使用焊盘尺寸是标称尺寸。图6所表示是一张标有象限板子图片。元件是以平行和垂直方向进行贴装。每块板子上贴装480个0201元件，在每次试验中总共使用了1920个元件。焊盘边缘到焊盘边缘元件间距为5mil~12mil。
对在每块板子象限上贴装元件应实施光学检测，并将光检图象统计下来。图7~图10中图片是对板子极边缘位置进行四个不一样试验中取得图片。
                 图6            略
             图6 0201板子图片
                 图7           略
             图7  根据DOE#1贴装第一块板子图片
                 图8            略
             图8  根据DOE#2贴装第一块板子图片
                  图9           略
             图9  根据DOE#3贴装第一块板子图片
                  图10           略
             图10  根据DOE#4贴装第一块板子图片
在审查贴装过程中，发觉最好贴装是象限4，并逐步地向整个板子左边漂移。所以，在贴装中最大漂移是象限40。注意：最差漂移是DOE#2，象限40中元件几乎和焊盘桥接。还可发觉DOE#3中漂移比DOE#1或DOE#4更大。表11列出了X和Y偏离于象限40四次试验。从这些结果中，发觉掩膜定义基准座标提供板子上贴装精度优于金属定义基准座标。基准形状对板子上元件贴装没有太大影响。
          表11 用于试验设计象限40平均试验偏差
试验条件
平均X偏差
平均Y偏差
掩膜定义圆形基准
22micros
3 micros
金属定义十字形基准
112 micros
2 micros
金属定义圆形基准
53 micros
9 micros
掩膜定义十字形基准
15 micros
4 micros
经过再流审查DOE试验计划
为了表现0201无源元件再流工艺特征，而开发了DOE方便检验再流工艺多个关键系数。为了确定一些变量是否对0201组装工艺有影响，而实施了对DOE审查。在审查DOE中要检验变量有浸渍时间、浸渍温度、液相线以上时间和峰值温度。多种系数变量列在表12中。全部这些变量全部在焊膏制造厂家要求焊膏技术规范之内。
          表12  在审查DOE中变量
系数
变量#1
变量#2
变量#3
浸渍时间
25~35秒
40~50秒
55~60秒
浸渍温度
125~135℃
145~155℃
165~175℃
液相线以上时间
35~40秒
45~50秒
55~65秒
峰值温度
211~216℃
217~221℃
222~226℃
对于这个试验，印刷和贴装工艺常数保持不变，只有再流曲线系数有所改变。印刷工艺一些关键常数列在表13中，这些常数是模板厚度、清洗频率、刮板类型和焊膏类型。一些关键贴装系数保持常数不变，见表14所列。
                  表13 在再流中审查DOE印刷常数保持不变
系数
参数设置
模板厚度
125μm
孔径比
100%
模板制造方法
电铸成型
焊膏成份
免清洗
刮板长度
40.64cm
印刷力度
7.26kg
印刷速度
5.08cm/sec
刮板抬起高度
2.54cm
焊膏类型
类型Ⅳ
刮板类型
金属
分离速度
0.13cm/sec
焊膏滞留时间
<10分钟
清洗频率
每次印刷后清洗一次
                   表14 在再流审查DOE过程中贴装系数保持不变
系数
参数设置
基准数量
3
基准定义方法
掩膜定义
基准形状
圆形
贴装力度
0.1kgf
贴装速度
50mm/sec
贴装加速度
98.1%缺省
本项研究使用四个变量被用于DOE中，其需要9个不一样迭接。对于焊料桥接和墓碑缺点使用目测和X光检验公制单位，需要95%或更高可靠区间，方便取得一个统计有效系数。
检验关键DOE取得结果
表15所列是在审查DOE中实施一系列试验。为了只检验关键影响，统计软件包要求实施这些试验并使其随机化。每次试验使用3个复制品，在每个复制品上总计贴装564个元件或每次试验使用1692个元件。在每块测试板上，贴装396个0201无源元件。这些元件全部是贴装在15mil×17mil焊盘上及12mil×13mil焊盘上。，焊盘边缘到焊盘边缘元件贴装以10mil间距和6mil间距排列。除了0201元件以外，还贴装有168个0402、0603、0805和1206元件，方便确定可接收0201元件生产工艺是否对较大无源元件有不利影响。在组装这三块板子之前，应用焊膏印刷五块板子。这是为了确保印刷工艺稳定性及使焊膏得到充足利用。
          表15 审查DOE
试验#
浸渍时间（sec）
浸渍温度（℃）
液相线以上时间（sec）
 峰值温度（℃）
1
45~50
125~135
55~65
217~219
2
55~60
165~175
55~65
211~214
3
45~50
145~155
45~50
211~214
4
25~35
165~175
45~50
217~219
5
25~35
145~155
55~65
222~225
6
25~35
125~135
35~40
211~214
7
45~50
165~175
35~40
222~225
8
55~60
125~135
45~50
222~225
9
55~60
145~155
35~40
217`219
使用三个标准来评定每次试验条件。第一个公制单位是焊点质量。设计全部试验条件全部必需能够完全湿润焊点，而且基础上没有颗粒状物质。第二个公制单位是元件在再流后产生缺点总数。查找出缺点有焊料桥接和墓碑。当两个相邻焊点连接到一起时就会产生桥接，使两个元件短路。这种缺点在极细间距元件贴装过程中是很轻易出现。墓碑是元件抬起脱离其中一个焊盘位置，通常是因为整个元件湿润不均匀或当元件大面积地贴装在焊盘一面时而造成。这些就是0201元件全部缺点。较大元件不存在墓碑和桥接这么缺点，说明使用组装工艺对通用较大尺寸无源元件并没有不利影响。图11所表示是焊料桥接和墓碑X光检测图象实例。焊料桥接和墓碑数量及总缺点率列在表16中。图12所表示图片说明了在每次试验中出现缺点数量。
依据这些公制单位，使用95%可靠区间，唯一统计有效关键影响是浸渍温度。浸渍温度可靠区间大于97%。关键影响曲线见图13所表示。浸渍时间、液相线以上时间及峰值温度可靠区间为40%以下，所以，应考虑随意诱导作用。当在中等和高浸渍温度结果之间没有多大差异时，浸渍温度关键影响关键是在低浸润温度和其它等级温度之间。
                   图11           略
                图11 焊料桥接和墓碑X光图象实例
                   表16 1224个0201元件缺点量
试验#
贴装0201元件总数
焊料桥接
 墓碑
总缺点量
缺点比率（%）
其它无源元件缺点量
缺点率（dpm）
1
1188
6
15
21
177
0
17677
2
1188
1
0
1
008
0
842
3
1188
0
0
0
000
0
0
4
1188
0
0
0
000
0
0
5
1188
0
2
2
017
0
1684
6
1188
6
11
17
143
0
14310
7
1188
0
0
0
000
0
0
8
1188
4
3
7
059
0
5892
9
1188
0
0
0
000
0
0
                    图12              略
                图12 审查再流结果图形说明
                    图13              略
                图13 在再流中审查DOE关键影响曲线
结论
模板印刷
在检验关键印刷试验中取得数听说明依据统计对焊膏高度和缺点量有显著影响唯一变量是刮板类型。因为使用掩膜定义基准极难取得正确印刷，为此，在印刷工艺中已不再使用掩膜定义基准座标。正象焊膏高度数据表明那样，对于焊膏量，类型Ⅲ和类型Ⅳ焊膏之间没有差异是不太可能。分离速度和焊膏滞留时间并不是关键影响。即使，在这些试验中类型Ⅲ和类型Ⅳ焊膏之间差异并不大，而对于这种特殊焊膏，不过仍选择类型Ⅳ焊膏用于深入研究中，因为这一阶段研究只能使用大孔开口中。
检验第二次印刷是为确定分离速度对焊膏高度和缺点是否没有显著影响，不过，清洗频率对其是有显著影响。在这两次试验中焊接缺点量要比在每次印刷后在模板清洗中实施类似试验缺点量大得多。
元件贴装
从检验贴装试验中取得数听说明在本研究中对贴装精度有显著影响唯一变量是使用基准座标数量和用于确定基准座标方法（表17）。使用板子三个角基准座标提供了比使用同一尺寸板子两个基准座标定向和延伸调整愈加好。因为这个原因，提议将三个基准座标用于大板子中，尤其是在组装小型无源元件或细间距元件时。不管是圆形还是十字形掩膜定义基准座标，贴装精度全部比金属定义基准座标贴装精度高。当其达成精度时，在圆形和十字形基准座标之间测量不出什么差异。
                  表17 推荐使用贴装参数
贴装变量
提议使用
基准数量
板子三个角
基准定义方法
掩膜定度
再流焊接
在检验再流试验中取得数听说明，依据统计本项研究中对焊点质量和缺点量有任何显著影响唯一变量是浸渍温度。正象缺点数据显示那样，多种浸渍时间、液相线以上时间或峰值温度之间没有差异是不太可能。当使用较低浸渍温度时，缺点就会显著提升。
总结
本项开发研究检验了一些工艺变量对0201无源元件组装影响。业已证实象刮板类型、模板清洗频率、基准座标数量和浸渍温度对工艺缺点量影响。这项工作还证实了象分离速度、液线以上时间和峰值温度一些变量对工艺缺点量没有影响是不太可能。