0201技術(shù)推動(dòng)工藝解決方案探析.doc

n 0201技術(shù)推動(dòng)工藝解決方案 By Brian J. Lewis and Paul Houston 參數(shù)、工藝限制和設(shè)計(jì)指引一起創(chuàng)造一個(gè)成功的工藝窗口和電路板設(shè)計(jì)定位。 超小型足印(footprint)的無源元件，如0201元件，是電子工業(yè)的熱門話題。這些元件順應(yīng)高輸入/輸出(I/O)元件而存在，如芯片規(guī)模包裝(CSP)和倒裝芯片(flip chip)技術(shù)，它們是電子包裝小型化的需要。圖一把一個(gè)0201的尺寸與一個(gè)0805、0603、一只螞蟻和一根火柴棒進(jìn)行比較。0.02 x 0.01 的尺寸使得這些元件當(dāng)與其它技術(shù)結(jié)合使用的時(shí)候，對(duì)高密度的包裝是理想的。本文將對(duì)已經(jīng)發(fā)表的文章或著作作廣泛的回顧，突出電路板設(shè)計(jì)的指引方面，和定義印刷、貼裝和回流的工藝窗口。本文也包括為了產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的工藝窗口和電路板設(shè)計(jì)而對(duì)電路板設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝限制和工藝指引所作的調(diào)查課題。對(duì)課題各方面進(jìn)行討論和給出試驗(yàn)性的數(shù)據(jù)，但由于該課題正在進(jìn)行中，最后的數(shù)據(jù)編輯還有待發(fā)表。驅(qū)動(dòng)力受到攜帶微型電話、傳呼機(jī)和個(gè)人輔助用品的人的數(shù)量增加的驅(qū)動(dòng)，消費(fèi)電子工業(yè)近來非?；鸨?。變得更小、更快和更便宜的需要驅(qū)動(dòng)著一個(gè)永不停止的提高微型化的研究技術(shù)的需求。大多數(shù)微型電話有關(guān)的制造商把0201實(shí)施到其最新的設(shè)計(jì)中，在不久的將來，其它工業(yè)領(lǐng)域也將采用該技術(shù)。在汽車工業(yè)的無線通信產(chǎn)品在全球定位系統(tǒng)(GPS, global positioning systems)、傳感器和通信器材中使用0201技術(shù)。另外，公司在多芯片模塊(MCM, multi-chip module)中使用0201技術(shù)，以減少總體的包裝尺寸。和這些MCM元件一起，0201技術(shù)已經(jīng)更靠近半導(dǎo)體工業(yè)，因其直接與裸芯片包裝，鑄模在二級(jí)電路板裝配的包裝內(nèi)。必須完成許多研究，以定義出焊盤設(shè)計(jì)和印刷、貼裝、回流的工藝窗口，從而在全面實(shí)施0201之前達(dá)到高的第一次通過合格率和高的產(chǎn)量。電路板設(shè)計(jì)指引已經(jīng)有幾個(gè)對(duì)采用0201無源元件的電路板設(shè)計(jì)指引的研究。大部分通過變化焊盤尺寸、焊盤幾何形狀、焊盤對(duì)焊盤間距和片狀元件與元件的間距，來觀察設(shè)計(jì)。重要的設(shè)計(jì)方面包括缺陷最小化和增加元件密度，同時(shí)收縮整個(gè)印刷電路板的尺寸。以下是可能受焊盤設(shè)計(jì)所影響的主要缺陷：1. 墓碑(Tombstoning)該缺陷的發(fā)生是當(dāng)元件由于回流期間產(chǎn)生的力而在一端上面自己升起的時(shí)候。通常，墓碑發(fā)生是由于元件貼裝在相應(yīng)的焊盤上不平衡，一端的焊錫表面能量大于另一端。表面能量的不平衡引起一端的扭矩更大，將另一端拉起并脫落焊盤。小于0603的元件比較大的無源元件更容易形成墓碑。對(duì)0402和0201元件，焊盤設(shè)計(jì)可減少或甚至防止墓碑。焊盤橫向延長(zhǎng)，縱向減少可減少引起墓碑的縱向力?；亓鬟^程也會(huì)影響墓碑缺陷。如果升溫坡度太大，元件的前端進(jìn)入回流區(qū)可能在另一端之前熔化，將元件立起。 2. 焊錫結(jié)珠(Solder beading)焊錫球數(shù)量是一個(gè)過程指標(biāo)，由于焊錫膏中使用的助焊劑而附著于無源元件，通常位于元件身體上。焊錫珠，當(dāng)使用免洗焊錫膏時(shí)由于助焊劑殘留和缺少其它錫膏類型通常使用的清洗步驟，是常見的，它表示過程已經(jīng)偏出了工藝窗口。通常，結(jié)珠的發(fā)生是由于焊盤太靠近一起，過大的焊盤和過多的錫膏印在單個(gè)焊盤上。以高速貼裝0201無源元件可能引起錫膏濺出錫膏“磚”。這些濺出的錫膏在元件周圍回流，引起錫球，在IPC 610 中定義為缺陷。這是超小無源元件上最常見的缺陷。如上所述，設(shè)計(jì)指引可以用來控制這些類型的缺陷，以及理解工藝窗口。有人推薦，0201焊盤設(shè)計(jì)來限制錫膏在元件長(zhǎng)邊上的接觸角，而延長(zhǎng)焊盤的橫向尺寸，允許更大的接觸角1,2,3。與這種焊盤設(shè)計(jì)相關(guān)的力將趨向于作用在元件側(cè)面，允許更多的自己對(duì)中，而減少引起“墓碑”的力。 焊盤間隔也可能控制焊錫球化缺陷。研究表明，焊盤中心對(duì)中心應(yīng)該在0.0200.022之間，邊對(duì)邊的間隔大約為0.0080.010。焊盤設(shè)計(jì)應(yīng)該達(dá)到貼裝工具的精度。另有研究表明，對(duì)于無源元件，沿縱向軸的恢復(fù)力比較大，但如果元件貼裝有縱向偏移，那么該元件必須與兩個(gè)焊盤接觸，保證兩個(gè)不同的力來自己定位。因此，如果貼裝機(jī)器只有0.006的精度，貼出0201的偏移太大，那么元件將不會(huì)自己定位。表一列出了推薦用來減少墓碑和焊錫結(jié)珠的焊盤尺寸和設(shè)計(jì)。表一、0201焊盤設(shè)計(jì)推薦0201焊盤尺寸下限上限過程效果長(zhǎng)度尺寸0.0100.012改進(jìn)“墓碑”寬度尺寸0.0160.018焊盤間隔()0.0200.022改進(jìn)焊錫結(jié)珠焊盤間隔()0.0080.010不幸的是，只有很少的出版數(shù)據(jù)解釋對(duì)于其它電路板設(shè)計(jì)變量，特別是元件對(duì)元件間距的限制，工藝窗口在哪里。元件間距可受各種因素影響，如板的放置和0201元件的貼裝。為了理解設(shè)計(jì)指引的工藝窗口，一項(xiàng)非常廣泛的研究正在進(jìn)行中*。用于該研究的板如圖二所示。設(shè)計(jì)包括各種焊盤尺寸，元件方向( 0, 90和45)，元件間距(0.004, 0.005, 0.006, 0.008, 0.010 和 0.012)，連到焊盤的跡線厚度(0.003, 0.004 和 0.005)。0201焊盤名義尺寸為0.012 x 0.013 ，和變動(dòng)0, 20 和 30%。焊盤到焊盤間隔為0.022。0201元件分別貼放靠近其它的0201, 0402, 0603, 0805 和 1206，元件間距如上所述。跡線厚度是有變化的，對(duì)0201和0402兩者，都有兩個(gè)焊盤之一位于地線板上。這是要調(diào)查無源元件對(duì)吸熱的影響。 印刷 許多存在于印刷先進(jìn)技術(shù)包裝，如CSP、微型BGA和倒裝芯片等，的同樣的問題與規(guī)則對(duì)0201元件的印刷是同等重要的。對(duì)那些比其它板上元件小幾倍的開孔，使用較厚的模板和相同的錫膏進(jìn)行印刷幾乎是不可能的。有關(guān)0201工藝的普遍提出的問題包括模板厚度、開孔的尺寸、錫膏類型和要求的開孔幾何形狀?，F(xiàn)在，了解錫膏如何從不同厚度模板的各種開孔尺寸和幾何形狀中釋放的工作正在進(jìn)行中。該課題研究的一個(gè)主要方面就是在決定穩(wěn)定的印刷窗口時(shí)面積比率的重要性。面積比率(area ratio)是開孔的橫截面積除以開孔壁的面積。較早前的研究表明，在決定穩(wěn)定的工藝窗口時(shí)，面積比率提供了比模板寬度開孔減少法(stencil-wide aperture reduction methods)，如縱橫比(aspect ratio)，高得多的精度。該研究得出了大約0.6和更高的面積比可以沉淀錫膏的體積很接近開孔的總體積。從進(jìn)行中研究的試驗(yàn)性絲印數(shù)據(jù)顯示，0.005的模板，0.49的面積比率的0.096 x 0.0104 的焊盤，對(duì)第四類型的Sn/Pb錫膏的釋放性能很差。可是，0.56面積比的0.0108 x 0.0117 的開口尺寸提供比較好的錫膏量和釋放性能。而現(xiàn)在很少有發(fā)表的有關(guān)0201的絲印過程的數(shù)據(jù)，存在的東西都是模糊的，只說模板越薄越好，第四類錫膏(比第三類顆粒小)對(duì)錫膏釋放的表現(xiàn)較好?？墒牵捎诘谒念惐鹊谌惛。褂玫谒念悓?duì)印刷其它的SMT元件可能不行，因?yàn)椴牧纤?。該研究是用來理解印刷參?shù)、模板參數(shù)和錫膏有關(guān)變量的影響。用于絲印過程的變量在表二中列出。表二、DOE Variables for Screeening StudyStencil Printing ScreeningFactor to be VariedVariation 1Variation 2Blade TypeMetalPolymerSeparation SpeedHighLowPaste TypeType IIIType IVResidence Time30 Seconds10 MinutesFiducial TypeMetal DefinedMask DefinedStencil Printing DOEFactor to be VariedVariation 1Variation 2Variation 3Print ForceABCPrint SpeedABCStencil Thickness0.0040.0050.006Aperture GeomitryOvalSquare_Aperture Size80%100%120%Variable to be Held ConstantFactor to be SetSettingSnap-off HeightContact PrintBoard FixturingFull Area Pin Grid ArrayPaste TypeNo-cleanPaste MetallurgyEutectic Sn/PbWipe FrequencyEvery PrintPaste Preconditioning8 hoursStencil Type Electroformed Additive理解和比較諸如錫膏沉積量和焊錫結(jié)珠缺陷的變量，要求許多貼裝和反復(fù)過程。理解對(duì)于可能小如0.010開口，錫膏如何表現(xiàn)，在控制和實(shí)施0201印刷工藝時(shí)是很重要的。 貼裝在整個(gè)0201工藝中貼裝可以認(rèn)為是最重要的一環(huán)。因?yàn)橘N裝系統(tǒng)從供料系統(tǒng)吸取0201元件，視覺識(shí)別和準(zhǔn)確地貼裝元件，在設(shè)定這個(gè)過程中必須小心。基本上，0201貼裝過程涉及四個(gè)分開的運(yùn)作： 首先從送料器吸取元件。最常見的，0201無源元件包裝在紙帶上，8mm寬紙帶上的凹坑裝納元件。圖三詳細(xì)地表示出元件是怎樣從紙帶吸取的。當(dāng)設(shè)定吸取過程時(shí)，必須注意到細(xì)節(jié)。因?yàn)?201只是自從1999年才作為SMT工藝的元件，生產(chǎn)元件和送料帶的誤差問題仍然存在。雖然在帶上似乎包裝得緊密，在微米級(jí)，但是實(shí)際上相當(dāng)松散。使用幾乎與元件一樣大的吸嘴，誤吸的機(jī)會(huì)可能高。因?yàn)檫@個(gè)理由，吸嘴通常制造得比元件稍微大一點(diǎn)。 一旦吸取到元件，真空檢查決定元件的存在或不存在。這是檢查的一個(gè)重要方面，因?yàn)槿绻淮嬖?，貼裝頭必須處理掉無吸的0201或再吸取元件。吸取錯(cuò)誤一般不直接影響實(shí)際的過程，但會(huì)影響總的處理時(shí)間和產(chǎn)量?，F(xiàn)時(shí)的研究也評(píng)估了帶與盤(tape-and-reel)、Surf tape和最后的散裝盒(bulk-case)送料的區(qū)別。 一旦通過真空檢查確認(rèn)元件的存在，視覺系統(tǒng)將元件定位到電路板。高級(jí)的視覺系統(tǒng)可完成元件的外形測(cè)量或識(shí)別兩個(gè)元件端。為了做到這一點(diǎn)，視覺系統(tǒng)決定是否元件附著在吸嘴上不正確或是否超出可靠的元件與貼裝所要求的公差。如果元件超出公差，則被放棄。 最后步驟是將0201貼裝到焊盤的焊錫內(nèi)。雖然這個(gè)過程必須快速完成，但也必須準(zhǔn)確，以保證元件完全貼放在各個(gè)焊盤上。如果元件貼放不準(zhǔn)確，諸如墓碑或相鄰元件之間的錫橋等缺陷機(jī)會(huì)戲劇性地增加。當(dāng)考慮使用0201元件設(shè)計(jì)電路板的最小元件間距的時(shí)候，貼裝系統(tǒng)的精度也應(yīng)該考慮。圖四表示在貼裝精度的基礎(chǔ)上，應(yīng)該使用的最小間距。例如，如果貼裝系統(tǒng)的精度為45m，那么應(yīng)該設(shè)定大約90m的最小間距。 貼裝力與速度也是重要的貼裝過程方面。因?yàn)槊颗_(tái)機(jī)器都不同，必須定出特性，保證速度夠快以保持焊錫不從錫膏磚濺出，使用的力不至于將元件過分壓入錫膏。如果使用太大的力或太高的速度，會(huì)增加焊錫球或元件偏移的可能性。 貼裝課題評(píng)估速度、力量和降低限制。通常，速度和力是依賴機(jī)器的，但對(duì)精度，焊錫熔濕與自我定位力等物理現(xiàn)象是不依賴機(jī)器的，因此平臺(tái)與平臺(tái)之間都是一致的。數(shù)據(jù)顯示，如果使用較早前所提及的焊盤設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度方向的貼裝偏移將比寬度方向的偏移允許更多的自我定位。長(zhǎng)度方向過多的偏移產(chǎn)生比寬度方向更多的缺陷?；亓骱附又蟮脑剖菍挾确较蚱埔鸬妮^常見的缺陷。 回流焊接回流0201元件與回流稍微較大的0402沒有大的差別；可是必須注意0201回流過程使用的溫升率。用大的預(yù)熱斜度處理0201元件可能增加墓碑的機(jī)會(huì)。大于每分鐘2C的坡度可能引起元件一端的錫膏稍微比另一端回流快。如果元件一邊首先回流，不平衡力將作用在元件上，由于表面張力，在首先回流焊盤的方向上立起元件。 回流過程的另一方面是空氣與氮?dú)獾氖褂?。資料顯示使用空氣可減少大多數(shù)缺陷4,5。因?yàn)楹稿a在氮?dú)庵斜仍诳諝庵腥蹪褫^好，使用空氣環(huán)境減少熔濕，允許時(shí)間將元件兩頭熔濕更一致。研究采用的變量如表三所示，在三個(gè)級(jí)別上參數(shù)的變化，以理解其對(duì)焊接點(diǎn)質(zhì)量和其它過程有關(guān)缺陷的影響。 表三、Reflow DOE VariablesReflow ScreeningFactor to be VariedVariation 1Variation 2Soak TimeLowHighSoak TemperatureLowHighTime above 183CLowHighPeak TemperatureLowHighReflow Parametric StudyFactor to be VariedVariation 1Variation 2Variation 3Ramp Rate1.0C/min2.0C/min3.0C/minConvection Rate/Static PressureLow/0.3Med/0.8High/1.2結(jié)論完全地理解0201過程是不可能的。在未來幾年內(nèi)，將會(huì)進(jìn)行無數(shù)的研究，帶著理解所有可能的過程和設(shè)計(jì)因素的目標(biāo)，來考察0201過程。因?yàn)槊總€(gè)過程單元有如此之甚的變量依賴于其它因素，很難找到一個(gè)滿足所有可能的過程問題的答案。隨著SMT的進(jìn)步，新的技術(shù)改革將要求通過研究去找到工藝窗口和適當(dāng)?shù)碾娐钒逶O(shè)計(jì)。 * 由西門子和喬治亞工學(xué)院實(shí)施的聯(lián)合課題研究。REFERENCES 1. J.H. Lau, Flip Chip Technologies, McGraw-Hill, 1995. 2. Internal Siemens preliminary research results. 3. M. Yuen, H. Benedict, K. Havlovitz and T. Pitsch, Plexus Electronic Assembly Corp., and A.C. Mackie, Praxair Inc., Tombstoning of 0402 and 0201 Components: A Study Examining the Effects of Various Process and Design Parameters on Ultra