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高速0201组装工艺和特性化

摘要
本文论述了超小印脚、表面组装分立元件的高速组装，特别是0201无源元件的组装。发展趋势说明每年贴装的无源元件的数量快速上升，而元件尺寸却在稳定地下降。为此，急需一种特性化的组装和超小无源元件的装联工艺。为开发研制高速0201组装的初始工艺特征，尤其是工艺的局限性和变量，在这项工作中对每一工艺步骤都进行了详尽的研究。开发的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，在过去的几年中，随着人们使用的便携式电话、寻呼机和个人辅助用品数量的急剧上升，使得消费类电子工业火爆发展。在更小、更快、成本更低需求的推动下，对小型化技术研究的必要性也成为无止境的需求。多数移动式电话制造厂家现在已将0201无源元件用于其所有的最新设计中，而且在不远的将来，其它工业领域也将采用这种技术。汽车制造工业的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尺寸小的优点，将其应用于医疗器械中，如象；助听器和心脏起博器。许多公司将0201技术用于多芯片模块（MCM）中，以降低总的封装尺寸。使用这种MCM器件，通过直接用裸芯片进行封装，用于2级板组装上的封装体模压，使得0201技术距半导体工业更近了。还需要做更多的研究来认证焊盘设计、印刷、贴装和再流工艺窗口，以便使0201无源元件在全面的推广应用之前，能够实现较高的一次合格率及高产量。
实验规划
主要采用了三套实验方案。这三套方法主要是相对于焊膏印刷、元件贴装和元件再流。为了了解每种工艺步骤对0201组装工艺的影响，分别对每种组装工艺进行了检验。对于工艺顺序，只对研究中的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
设计的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的变化取决于4、5、6、8、10和12mil这几个间距尺寸。在某些领域的应用中，芯片边缘到芯片边缘密度比4mil焊盘边缘到焊盘边缘的间距还高。可将其用于确定芯片间距和焊盘间距的可接收性。
2．焊盘尺寸的作用。标称的焊盘尺寸是一个12×13mil的长方形焊盘，中心到中心的间距为22mil。标称尺寸将会有10%、20%和30%的变化。在整个板子上，焊盘尺寸将随着元件到元件间距变化而变化。
3．芯片定向：在A、B、C和D单元中，对0°和90°的芯片方向进行研究。在单元E和F可使你观察到5°角对0201组装工艺的影响。
4．1-6单元研究的是各种无源元件尺寸（0402、0603、0805、1206）到0201之间的相互作用。用这些组件来确定0201元件对其它较大无源元件的大至影响，即在印刷、贴装和再流（散热）方面的影响。本文中叙述的间距是边缘到边缘的间距在4、5、6、8、10和12mil范围内的变化。此外，0201焊盘尺寸在这6个单元上的变化，说明了随着焊盘尺寸变化的相互作用。
图1所示是测试载体，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。基板是标准的FR4环氧树脂板，厚度为1.57mm。印迹是由铜、化学镀镍和浸金的金属化工艺制成的。
                    图1        略
                    图1 测试载体
设备规划
所有的测试板都是使用同一台组装设备组装的。使用MPM Ultraprint 3000印刷机实施了模板印刷。所有的元件都是用西门子的HS-50贴装机进行贴装的。使用BTU International Paragon 98N再流焊接设备进行再流焊接。
通过主模板印刷审查DOE的实验规划
为了体现0201无源元件的印刷特性，而开发了一种实验设计（DOE）以便观察印刷工艺中的几个系数。在丝网印刷DOE中需要检验的变量有焊膏目、刮刀类型、模板分离速度和焊膏在几次印刷之间在模板上的滞留时间。这种DOE是为确定这些系数是否会影响到0201无源元件的印刷工艺而设计的。每个系数的变化在表1中列出。最初，是在丝网印刷中对基准类型进行检查。然而，由于印刷机不可能精确地视查到掩膜规定的基准座标，所以，这个变量就被删除了，只使用了金属规定的基准座标。焊料掩膜上的十字形的基准座标在模板上看似一个极大的圆形，其相对于焊料掩膜底部开口的金属。在这个大圆与较小的十字形对齐过程中，导致了模板和板子之间出现了对齐偏移。
         表1  丝网印刷DOE的变量
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

本项研究中使用的四个变量是在需要8组不同实验的DOE中确定的。对于印刷缺陷的数量和测量的高度数据使用的是公制度量单位。测试结果是基于95%及以上的可靠区间  来确定统计的有效系数。印刷缺陷被定义为在印刷后没有涂上焊膏及焊膏桥接这样的键合焊盘。
表2中列出的系数是在检验印刷的实验中保持不变的常数。选用125micro（5mil）的模板，100%的孔径比作为第二次、更进一步研究中所需的值范围的两个中心值。根据印刷机制造厂家推荐使用的参数设置模板印刷机的参数，并使用其推荐值的中间值范围。
                表2 在丝网印刷DOE过程中保持不变的常数
因素
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
焊膏化学成分
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
审查主要印刷DOE的结果
表3所列是根据实验设计（DOE）实施的一系列实验。这些实验只是为检验主要效果而设计的。每种实验都使用了10种复制品实施的。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分的作用和确保印刷工艺的稳定起到了一定的作用。
            表3 检验模板印刷的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
在评估每种实验条件时使用了三种公制单位。第一种公制度量单位是平均焊膏印刷高度。使用一台用每个象限的四个测量值的激光轮廓测定器测得的每块板的四个象限的16测量值。这样在每次实验中就产生80个高度值。可测得板子两个边缘及板子中心的值。焊膏高度的标准偏差作为第二个公制单位。第三个公制单位是缺陷的总数量。在8次实验中获得的平均高度和高度标准偏差数据见图2所示。
                           图2         略
                图2 模板丝网印刷DOE的印刷高度结果，单位为micro
使用的第三个公制单位是缺陷的总数量。对选择的1-6电极和A-D中的区域实施光学检验，并将缺陷的总数记录下来。对有桥接的焊盘和漏涂焊膏的焊盘也应视为缺陷。图3所示是缺陷数据的汇总。
                          图3          略
                图3 模板丝网印刷缺陷结果，缺陷数量/DOE
根据这些公制单位及使用95%的可靠区间，统计的唯一主要有效影响是刮刀类型。主要影响曲线见图4所示。焊膏类型、分离速度和焊膏滞留时间的可靠区间在85%以下。
                          图4         略
                   图4 丝网DOE的主要影响曲线
分离速度和清理频率的分析
为检查分离速度和清理频率的影响而实施了第二个小型实验。因为模板清洗对产量有影响，所以模板清理频率是一个重要的参数。由于模板的清洗明显地增加了模板印刷机的循环时间，所以，在生产中如果有可能的话，应取消这一工艺步骤。进行这一实验是为了确定模板清洗是否是0201工艺获得良好印刷必不可少的一步。在这一实验中还对分离速度进行了研究，因为在第一步的DOE中已将其取消，没有使用这个有效系数，其它方面的论证已获得了满意的效果。采用的分离速度分别为0.05cm/sec和0.13cm/sec。对于这两个分离速度的实验，都是使用类型Ⅳ焊膏，使用的刮板是金属刮板，没有停滞时间。在每个实验中都使用了5种复制品，在第一次印刷中，是将焊膏施加到5块模拟板。两次实验获得的结果列在表4和表5中，正象第9和10次实验那样。从第一个DOE获得的第5和6次实验也是使用类型Ⅳ焊膏和金属刮板，并与第9和10次实验进行了对比。
                 表4 焊膏高度数据，以micro为单位
实验#
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 每次实验的缺陷数量
实验#
缺陷数量
5
15
6
43
9
236
10
238
根据上述结果，唯一的主要影响是模板清洗频率。主要影响曲线见图5所示。
                   图5           略
             图5模板清洗频率和分离速度实验的主要影响曲线
为了将电成型模板与激光切割模板进行比较，还做了另一项实验。如表6所列，在这项实验中使用了相同的印刷机参数、相同的焊膏和孔开口。使用的两个公制单位是焊膏的平均高度和焊膏高度的标准偏差。实验结果归纳在表7中。
                表6 用于模板制造方法测试中的参数设置
系数
设置的参数
模板厚度
125μm
孔径比
100%
焊膏成分
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
    实验结果说明使用电铸成型的模板，印刷的焊膏更为均匀，而且印刷的焊膏高度接近于模板的厚度。
通过贴装审查DOE的实验规划
为确定基准座标的数量、基准形状和基准定义方法是否影响到元件的贴装而进行了两个实验。第一个实验只检查用于贴装工序中的球形基准座标的数量。第二实验是丝网DOE检查基准定义方法和基准形状。每个系数的变化列在表8中。最初，应在审查中对贴装力度进行检验。然而，当初次进行检测时，由于贴装精度的基准座标数量和基准定义的作用，所以，不能够确定贴装力度的作用。由于这个原因，贴装力度常数保持不变，应在其它实验中对贴装力度进行检验。
                 表8 贴装丝网DOE的变量
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
在本项研究中使用的三种变量被用于两种实验中，这两种实验需要6组不同的实验。对实验的元件要进行视觉检测，并以公制为单位。
表9所列是在丝网实验中保持常数的贴装因素。
                   表9 在贴装丝网DOE过程中保持不变的常数
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%缺陷
通过主要贴装审查DOE的结果
前两个实验是为了确定基准座标数量对贴装精度有什么样的影响。第一个实验使用了两个对角的基准座标来确定板子的方向，而第二个实验以三个角作为基准座标。对于一个板子（L=12×W=7mm），据发现使用三个基准座标要比使用两个基准座标来确定板子的方向更为精确。对于其余的贴装和随后的所有实验来说，为了达到更高精度的贴装，使用了三个基准座标。
表10所列是在丝网DOE中实施的一系列实验。为了只检验主要影响，统计软件封装建议实施这些实验。在实施每种实验中使用4个复制品。
              表10 贴装丝网DOE
实验#
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
用于评估各种实验条件的标准是0201元件在整个板子上的贴装精度。把元件贴装在板子上的四个象限（象限4、19、25和40）中。象限4位于左上角，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位于板子中心的旁边，使用的焊盘尺寸为+30%。象限40位于右边缘，使用的焊盘尺寸是标称尺寸。图6所示是一张标有象限的板子图片。元件是以平行和垂直的方向进行贴装。每块板子上贴装480个0201元件，在每次实验中总共使用了1920个元件。焊盘边缘到焊盘边缘的元件间距为5mil~12mil。
对在每块板子的象限上贴装的元件应实施光学检测，并将光检图象记录下来。图7~图10中的图片是对板子的极边缘位置进行的四个不同的实验中获得的图片。
                 图6            略
             图6 0201板子的图片
                 图7           略
             图7  按照DOE#1贴装的第一块板子的图片
                 图8            略
             图8  按照DOE#2贴装的第一块板子的图片
                  图9           略
             图9  按照DOE#3贴装的第一块板子的图片
                  图10           略
             图10  按照DOE#4贴装的第一块板子的图片
在审查贴装过程中，发现的最佳贴装是象限4，并逐渐地向整个板子的左边漂移。因此，在贴装中最大的漂移是象限40。注意：最差的漂移是DOE#2，象限40中的元件几乎与焊盘桥接。还可发现DOE#3中的漂移比DOE#1或DOE#4的更大。表11列出了X和Y偏离于象限40的四次实验。从这些结果中，发现掩膜定义的基准座标提供的板子上的贴装精度优于金属定义基准座标。基准形状对板子上元件的贴装没有太大的影响。
          表11 用于实验设计的象限40的平均实验偏差
实验条件
平均X偏差
平均Y偏差
掩膜定义的圆形基准
22micros
3 micros
金属定义的十字形基准
112 micros
2 micros
金属定义的圆形基准
53 micros
9 micros
掩膜定义的十字形基准
15 micros
4 micros
通过再流审查DOE的实验规划
为了体现0201无源元件再流工艺的特性，而开发了DOE以便检查再流工艺的几个主要系数。为了确定某些变量是否对0201组装工艺有影响，而实施了对DOE的审查。在审查DOE中要检验的变量有浸渍时间、浸渍温度、液相线以上的时间和峰值温度。各种系数的变量列在表12中。所有这些变量都在焊膏制造厂家规定的焊膏技术规范之内。
          表12  在审查DOE中的变量
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℃
对于这个实验，印刷和贴装工艺的常数保持不变，只有再流曲线系数有所改变。印刷工艺的某些重要常数列在表13中，这些常数是模板厚度、清洗频率、刮板类型和焊膏类型。某些重要的贴装系数保持常数不变，见表14所列。
                  表13 在再流中审查DOE的印刷常数保持不变
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
焊膏成分
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
本项研究使用的四个变量被用于DOE中，其需要9个不同的迭接。对于焊料桥接和墓碑缺陷使用目测和X光检验的公制单位，需要95%或更高的可靠区间，以便获得一个统计有效的系数。
检查主要DOE获得的结果
表15所列是在审查DOE中实施的一系列实验。为了只检验主要影响，统计软件包要求实施这些实验并使其随机化。每次实验使用3个复制品，在每个复制品上总计贴装564个元件或每次实验使用1692个元件。在每块测试板上，贴装396个0201无源元件。这些元件都是贴装在15mil×17mil焊盘上及12mil×13mil焊盘上。，焊盘边缘到焊盘边缘的元件贴装以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，以便确定可接受的0201元件的生产工艺是否对较大的无源元件有不利的影响。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的稳定性及使焊膏得到充分的利用。
          表15 审查DOE
实验#
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
使用三个标准来评估每次实验的条件。第一个公制单位是焊点质量。设计的所有实验条件都必须能够完全湿润焊点，而且基本上没有颗粒状物质。第二个公制单位是元件在再流后产生的缺陷总数。查找出的缺陷有焊料桥接和墓碑。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。这种缺陷在极细间距的元件贴装过程中是很容易出现的。墓碑是元件抬起脱离其中一个焊盘的位置，通常是由于整个元件湿润不均匀或当元件大面积地贴装在焊盘的一面时而造成的。这些就是0201元件的所有缺陷。较大的元件不存在墓碑和桥接这样的缺陷，说明使用的组装工艺对通用的较大尺寸的无源元件并没有不利的影响。图11所示是焊料桥接和墓碑的X光检测图象的实例。焊料桥接和墓碑的数量及总缺陷率列在表16中。图12所示的图片说明了在每次实验中出现的缺陷数量。
根据这些公制单位，使用95%的可靠区间，唯一的统计有效主要影响是浸渍温度。浸渍温度的可靠区间大于97%。主要影响曲线见图13所示。浸渍时间、液相线以上的时间及峰值温度的可靠区间为40%以下，因此，应考虑随意的诱导作用。当在中等和高浸渍温度的结果之间没有多大差别时，浸渍温度的主要影响主要是在低浸润温度和其它等级温度之间。
                   图11           略
                图11 焊料桥接和墓碑的X光图象实例
                   表16 1224个0201元件的缺陷量
实验#
贴装的0201元件的总数
焊料桥接
 墓碑
总缺陷量
缺陷比率（%）
其它无源元件的缺陷量
缺陷率（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 审查再流结果的图形说明
                    图13              略
                图13 在再流中审查DOE的主要影响曲线
结论
模板印刷
在检查主要印刷的实验中获得的数据说明根据统计对焊膏高度和缺陷量有明显影响的唯一变量是刮板类型。由于使用掩膜定义的基准很难获得精确的印刷，为此，在印刷工艺中已不再使用掩膜定义的基准座标。正象焊膏高度数据表明的那样，对于焊膏量，类型Ⅲ和类型Ⅳ焊膏之间没有差别是不太可能的。分离速度和焊膏滞留时间并不是主要的影响。虽然，在这些实验中类型Ⅲ和类型Ⅳ焊膏之间差别并不大，而对于这种特殊的焊膏，但是仍选择类型Ⅳ焊膏用于进一步的研究中，因为这一阶段的研究只能使用大孔开口中。
检验第二次印刷是为确认分离速度对焊膏高度和缺陷是否没有明显的影响，不过，清洗频率对其是有明显影响的。在这两次实验中焊接的缺陷量要比在每次印刷后在模板清洗中实施的类似实验的缺陷量大得多。
元件贴装
从检查贴装的实验中获得的数据说明在本研究中对贴装精度有明显影响的唯一变量是使用的基准座标数量和用于确定基准座标的方法（表17）。使用板子三个角的基准座标提供了比使用同一尺寸板子的两个基准座标的定向和延伸调节更好。由于这个原因，建议将三个基准座标用于大板子中，特别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的基准座标，贴装精度都比金属定义的基准座标的贴装精度高。当其达到精度时，在圆形和十字形基准座标之间测量不出什么差别。
                  表17 推荐使用的贴装参数
贴装变量
建议使用
基准数量
板子的三个角
基准定义方法
掩膜定度
再流焊接
在检验再流的实验中获得的数据说明，根据统计本项研究中对焊点质量和缺陷量有任何的明显影响的唯一的变量是浸渍温度。正象缺陷数据显示的那样，各种浸渍时间、液相线以上的时间或峰值温度之间没有差别是不太可能的。当使用较低的浸渍温度时，缺陷就会明显的提高。
总结
本项开发研究检查了某些工艺变量对0201无源元件组装的影响。业已证明象刮板类型、模板清洗频率、基准座标数量和浸渍温度对工艺缺陷量的影响。这项工作还证实了象分离速度、液线以上的时间和峰值温度的某些变量对工艺缺陷量没有影响是不太可能的。