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倒裝片修理完全手冊

By Erick Russell
　　從確認返修系統的性能到開發你自己可靠的取下/再安裝工藝，本手冊覆蓋了倒裝片(flip chip)修理的基礎知識。
　　隨著改進裝配設備與減少産品尺寸，人們正在考慮將倒裝片元件用於新産品設計的更大領域。汽車、醫療和電信設備將以這些高級包裝的消耗爲主。
　　倒裝片(flip chip)元件是一種表面貼裝元件，其矽晶片模(silicon die)直接連接到PCB或基板。經常叫做直接晶片安裝(DCA, direct chip attach)，倒裝片在産品上實施時帶來了許多挑戰。不僅板的公差需要更精密地定義和控制，而且製造設備必須更精確、更高的可重復性和經過嚴格的校準。
　　對這些元件的可製造性有幾種考慮，最經常地，返修是最具挑戰性的一個關卡。
試驗樣品
　　對於許多倒裝片應用，錫球(solder bump)的尺寸通常在0.015"以下。小至0.004"的間距(pitch)已經開始在越來越多的先進開發實驗室出現。雖然完整規模的生産技術正在開發與證實，但它們還沒有考慮用作主流産品。
　　在本試驗中，測試樣品是317 I/O、0.0053"(135µm)錫球在0.010"間距上的倒裝片。該元件的整體尺寸是0.200" x 0.200"。基板是0.032"厚的FR-4，10個用於倒裝片安裝的成菊花鏈(daisy-chained)的底座。專門的矩陣託盤需要用來處理這些細小的元件和防止引腳(lead)被灰塵顆粒或皮膚油污染。基板和元件都經過仔細的檢查。
確認返修系統的性能
　　一個系統對中和貼裝元件的能力可用一個系統性的方法來檢驗。理解在嘗試一個困難的工作時一個系統能夠做什麽是重要的。在任何的貼裝之前，必須進行對系統光學的完全校準。在多數情況下，設備製造商進行視覺校準。如果可能有任何的變化，必須對貼裝偏移作一些補償。
　　返修系統的系統性能可通過貼裝精度來分類。使用一個玻璃十字線和與之配合的板，可以0.0002"的遞增測量貼裝。通過取樣品貼裝偏移的平均來計算精度。如果假設正態分佈，那麽可重復性決定於樣品的標準偏差。從30個取樣中，可以決定一個返修機器的能力，表達爲Cp、Cpk、35σ、65σ、或者適於一個對於性能可接受的統計規範的其他可重復性術語。在表一中的分佈顯示從一個返修系統收集的資料。在這個例子中，貼裝能力被定義爲平均偏移的絕對值與三倍的標準偏差(σ)的和。
表一、測量返修系統的貼裝能力

測量單位：1/1000 英寸
日期：4/25/99

X
Y

1
0
0.2

2
0.4
0.2

3
0
0.2

4
0.2
0.2

5
0
0.2

6
0
0.2

7
0
0

8
0.2
0.2

9
0.2
0.2

10
0
0.2

11
0
0.2

12
0
0.4

13
0.2
0.4

14
0.2
0.4

15
0
0.2

16
0.2
0.4

17
0
0.2

18
0
0.2

19
0.4
0

20
0.4
0

21
0
0.2

22
0.2
0.2

23
0.2
0.4

24
0
0.2

25
0
0.2

26
0.2
0.2

27
0.2
0.2

28
0
0.2

29
0.2
0

30
0.2
0.4

0.12
0.21333
偏移(Bias)

0.13493
0.11666
標準偏差(σ)

0.5248
0.56331
貼裝能力{(偏移)絕對值 + 3 x 標準偏差}

X-軸
Y-軸

應用上的考慮
　　元件與基板之間的表面張力本能地企圖將元件重新對中倒板的底座。“楊氏力 (Young's Force)”可用來表達這個力，它與焊錫連接的熔濕(wetted)周長有關。考慮到相對於元件的熔濕周長相比包裝的重量是小的，元件將自然地在回流之後尋找與板底座的對中。在一個受控的環境中有目的地偏移元件，可證明任何元件的重新對中性。分別地考慮每個元件來決定表面張力對回流後對中的影響。
確認系統要求
　　設備標準是設備供應商規定的，應該確認。電源與空氣供應規格必須確認。經常，對設備的供應線不是最高質量的。水、油、油脂、氧化鐵顆粒和其他污染物質經常在最清潔生産環境的氣體線上發現。
　　進氣線的認真調節對一個可重復性過程是關鍵的。如果壓力下降低於設備製造商所推薦的，那麽過程可能不穩定。定期檢查入口，確認在該區域的其他設備完全運轉期間，達到最低的壓力。對頂部加熱嘴的氮氣入口和底部加熱氣室的雙重調節可補償供應線的波動。適當的過濾將去掉顆粒物質和潮氣，這些可能損害系統的運行或者正在返修的産品。
用夾具固定電路板
　　返修期間板的固定經常是一項較困難的任務。板必須牢固地固定在夾具或者板固定工作臺上，但允許工藝過程中的膨脹。專門的固定板的夾具基於最終産品可能是需要的。波峰焊接夾具經常用於返修應用的板的處理。選擇具有與返修産品類似的溫度膨脹係數(CTE, coefficient of thermal expansion)的材料，它將減少由於溫度膨脹對板的機械應力。
工藝開發
　　元件返修要求一套專門的溫度設定來回流取下或更換元件。使用的工藝應該類似於裝配工藝。通常規定最大溫度上升斜率、最高溫度和液體狀態以上的時間。爲了證實滿足這個規定，可用一個溫度偶合計附著在返修區域。焊接點溫度可以測量並用於工藝的開發。
檢測儀器
　　一台小直徑的球磨機(ball mill)可用來爲檢測儀錶鑽出一個隙孔。在板的頂面鑽出的孔附近磨出一個小槽，來允許熱電偶的附著，元件平齊地坐在板上(圖一)。熱電偶可安裝和固定在位，用高溫RTV絕緣和釋放應力。熱電偶必須附著在基板上，使得元件與PCB接觸。安裝的熱電偶用X射線檢查，可確認其貼裝並且只有錫珠是兩種不類似的金屬之間電氣連接。注意，扭結的熱電偶將造成不準確的資料收集，最終發展出不適當的工藝。如果沒有板可用于工藝開發，那麽熱電偶可以從板的頂面移到元件下面，不要鑽隙孔。
加熱過程
　　然後熱電偶可以安裝到返修站的一個資料記錄口。使用受控的反饋到電腦軟體程式，如果有的話，用自動仿形軟體可決定加熱器設定點。
保護臨近元件
　　經驗已經證明返修過程中防止臨近元件加熱的重要性。將焊接點加熱到熔點以下溫度的效果可能實際上影響到焊接點的可靠性。元件內的溫度梯度大於25°C可能在過高溫度下發生損害。一個好的規則是，在返修期間任何時候沒有相鄰元件高於150°C。另外一個熱電偶應該用來檢測工藝開發期間和生産返修中的臨近元件的溫度。
　　選擇密封住元件而不是從元件頂部加熱的噴嘴。雖然元件可以用高溫膠帶或金屬襯托來遮罩，但這個方法可能費時、不實際和使用者與使用者之間不一致。如果元件用氣體紊流來加熱，那麽板的準備變得困難。
返修工藝
　　成功的返工與修理涉及元件的取下、底座的準備、重新安裝元件和檢查焊接點結果。如果已經適當地開發出工藝，並且設備已經校準並達到要求，那麽可靠的一步一步的程式是容易完成的。
取下元件
　　與任何元件一樣，取下倒裝片是簡單的，要求很少的準確性。一旦開發出工藝，通過預熱板、上助焊劑、和在錫球達到液體狀態之後幾秒鐘使用真空吸取元件。爲了增加保持焊錫在底座上的一致性，應該以盡可能小的力施加到元件上來取下。
底座的準備
　　在元件取下後，必須檢查底座有無損壞。認真地準備底座包括去掉殘留焊錫。焊盤必須清潔，表面必須盡可能平，用於元件的重新安裝，這個最常見是使用吸錫帶(solder wick)和烙鐵來完成。工藝的這個部分是依靠操作員的，要求在元件貼裝之前一個檢查步驟。錫橋、損壞的阻焊層和翹起的焊盤都是不可接受的。在多數情況下，對倒裝片重新應用錫膏是不實際的。減少氧化物的焊錫助焊劑的使用對元件的重新貼裝是足夠的。儘量使用與裝配工藝中相同化學成分的銅帶(copper braid)和助焊劑。這個方法將減少倒裝片周圍與下面的沈積殘留物的可能性。
貼裝對中
　　用於球柵陣列(BGA)的上/下看的光學系統，更精確地用於倒裝片應用。可是，要求用於這些細小元件的40倍放大倍數減少了視覺的範圍。如果晶片在周長上較大，要求高放大倍數，那麽可用一種縫隙鏡(split mirror)。將迹線和焊盤與錫球排列對齊可能是一項棘手的任務(圖二)。高放大倍數、千分尺可調節操作和自動貼裝可使困難的步驟簡單易學。還有，可調的頂部與底部照明可允許操作員補償各種光照條件。
貼裝
　　倒裝片應該貼裝在一個薄層的助焊劑上。返修系統的吸取機構應該獨立於加熱系統，施加適當的力量來貼裝元件。使用全吸嘴的重量來貼裝元件可能使板變形或者損壞元件。貼裝的檢查可用X光檢查來完成。一旦工藝建立，已經證實返修系統可以有效地和可重復地貼裝元件，貼裝檢查不要求了。
附著(attachment)
　　在底座上加入助焊劑對焊接質量是重要的。助焊劑可由操作員通過助焊劑刷子來施用，或者使用返修系統的自動控制自動地將元件浸入固定深度的井中。與取下過程一樣，通過流動介質的對流熱傳導，用熱空氣來加熱元件。專門針對元件尺寸的返修噴嘴必須考慮臨近元件的間距。熱空氣將直接對在元件表面，然後升起從板的表面拿開。回流焊接後的對中和焊接質量可通過X射線檢查和在線測試(in-circuit test)來確認。
結論
　　使用足夠的産品校準技術和認真的程序控制，倒裝片的返修可以是成功的和可靠的。一個系統的精度與可重復性可通過貼裝偏移和一個統計上有意義的抽樣的標準偏差來描述。如果溫度過程是受控的和適當開發的，由於表面張力的重新對中將補償在0.002"以下的貼裝偏移。