0201技術(shù)推展工藝解決方案

1、0201技術(shù)推展工藝解決方案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i個成功的工藝窗口和電路板設(shè)計(jì)定 位。超小型足印(fzprinl)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，如晶片規(guī)模包裝(CSP)和倒裝晶片(flip chip)技術(shù)， 它們是電子包裝小型化的需要。圖一把一個0201的尺寸與一個0805 ' 0603、一 只螞蟻和根火柴棒進(jìn)行比較。0.02x0.01”的尺寸使得這些元件當(dāng)與其它技術(shù) 結(jié)合使用的時候，對高密度的包裝是理想的。本文將對已經(jīng)發(fā)表的文

2、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-個穩(wěn)定的工藝窗口和電路板設(shè)計(jì)而對帝路板設(shè)計(jì)參數(shù)、工 藝限制和工藝指引所作的調(diào)查課題。對課題各方面進(jìn)行討論和給出試驗(yàn)性的數(shù) 據(jù)，但由於該課題正在進(jìn)行中，最後的數(shù)據(jù)編輯還有待發(fā)表。驅(qū)動力受到攜帶微型電話、傳呼機(jī)和個人輔助用品的人的數(shù)最增加的驅(qū)動，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)動著一個永不停止的提 升微型化的研究技術(shù)的需求。大多數(shù)微型電話有關(guān)的製造商把()201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)域也將採用該技術(shù)。在汽車工業(yè)的無線 通信產(chǎn)品在全球定位系統(tǒng)(

3、GPS, global positioning systems)、傳感器和通信器材中使用0201技術(shù)°另外，公司在多晶片模塊(MCM, muhi-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)，因其直接與裸晶片包裝，鑄模在二級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)到高的第一次透過合格率和高的產(chǎn)量。1. 電路板設(shè)計(jì)指引已經(jīng)有幾個對採用0201無源元件的電路板設(shè)計(jì)指引的研究。大部分透過變化焊 盤尺寸' 焊盤幾何形狀'焊盤對

4、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)方麵包括缺陷最小化和增加元件密度，同時收縮整個印刷電路板的尺寸。以卜是可能受焊盤設(shè)計(jì)所影響的主要缺陷：2. 墓碑(Tombstoning)該缺陷的發(fā)生是當(dāng)元件由於回流期間產(chǎn)生的力而在一端上面自 己升起的時候。通常，墓碑發(fā)生是由於元件貼裝在相應(yīng)的焊盤上不平衡，一端的焊 錫表面能蛍大于另一端。表面能量的不平衡引起一端的扭矩更大，將另一端拉起並 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，縱向減少可減少引起墓碑的 縱向力。回流過程也會影響墓碑缺陷。如果升溫坡

5、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。焊錫結(jié)珠(Solder bending)焊錫球數(shù)量是一個過程指標(biāo)，由於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)使用免洗焊錫膏時由 於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)生是由於焊盤太靠近一起，過大的焊盤和 過多的錫膏印在單個焊盤上o以高速貼裝()201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遭回流，引起錫球，在IPC610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

6、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邊上的接觸角，而延長焊盤的橫向尺寸，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，允許更多的口己對中，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，焊盤中心對中心應(yīng)該在00200.022"之 間，邊對邊的間隔大約為o.oo8ooi(r。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 兩個焊盤接觸，保證兩個不同的力來口己定位。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

7、會口己定位。表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 長度尺寸下限0.010"上限0.012”過程效果 改進(jìn)“墓碑”寬度尺寸0.016"0.018”焊盤間隔()0.020"0.022"改進(jìn)焊錫結(jié)珠焊盤間隔()0.008"0.010M1不幸的是，只有很少的出版數(shù)據(jù)解釋對于其它電路板設(shè)計(jì)變量，特別是元件對元件間距的限 制，工藝窗口在那裡。元件間距可受各種原素影響，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

8、種焊盤尺寸，元件方向(0',90'和±45。)，元件間距 (0.004, 0.005,0.006, 0.00& 0.01()和 0.012")，連到焊盤的跡線濃度(0.003,0.004 和 0.005”)。0201焊盤名義尺寸為0.012 x 0.013" 和變動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()201,0402, 0603,0805和1206， 元件間距如上所述。跡線濃度是有變化的，對0201和0402兩者，都有兩個焊盤 之一位于地線板上。這是要調(diào)查無源元件對吸熱的影響。印刷

9、許多存在于印刷先進(jìn)技術(shù)包裝，如CSP、微型BGA和倒裝晶片等，的同樣 的問題與規(guī)則對0201元件的印刷是同等重要的。對那些比其它板上元件小幾倍 的開孔，使用較濃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濃度、開孔的尺寸、錫膏類型和要求的開孔幾何形 狀?，F(xiàn)下，了解錫膏如何從不同濃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。該課題研究的一個主要方面就是在決定穩(wěn)定的印刷窗口時面積比 率的重要性。面槓比率(area mtio)是開孔的橫截面槓除以開孔壁的面積。較早前 的研究表明，在決定穩(wěn)定的工藝窗口時，面積比率提供了比模板寬度開孔減少法 (sten

10、cil-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沈澱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啲模板，0.49的面積比率的0.096 x 0.0104" 的焊盤，對第四類型的Sn/Pb錫膏的釋放性能很差呵是，056面積比的0.0108" x 0.0117"的 開口尺寸提供比較好的錫膏疑和釋放性能。而現(xiàn)下很少有發(fā)表的有關(guān)0201的絲印過程的數(shù) h，存在的東西都是模糊的，只說模板越薄越好

11、，第四類錫膏(比第三類顆粒小)對錫膏釋放 的表現(xiàn)較好。可是，由於第四類比第三類更稀，使用第四類對印刷其它的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)變童的影響。用于 琢印過程的變量在表二中列出。Factor to be Vai'iedVariation 1Variation 2Blade TypeMetalPolymerSeparation SpeedHighLowPaste TypeType IIIType IVResidence Time30 Seconds10 MinutesFiducial TypeMetal DefinedMask Def

12、ined表二、DOE Variables for Screeening StudyStencil Printing ScreeningStencil Printing DOEFactor to be VariedVariation 1Variation 2Variation 3Print ForceABCPrint SpeedABcStencil Thicknesso.oor0.005"0.006"Aperture GeomitryOvalSquareAperture Size80%100%120%Variable to be Held ConstantFactor to

13、be SetSettingSnap-off HeiglitContact PrintBoard FixturingFull Area Pin Grid ArrayPaste TypeNo-cleanPaste MetallurgyEutectic Sn/PbWipe FrequencyEvery PrintPaste Preconditioning8 hoursStencil TypeElectroformed Additive理解和比較諸如錫膏沈槓最和焊錫結(jié)珠缺陷的變最，要求許多貼裝和反覆過程。理解對于可能小如0.010“開口，錫膏如何表現(xiàn)，在控制和實(shí)施02()1印刷工藝時是很重要的o 貼裝

14、在整個0201工藝中貼裝可以認(rèn)為是鍛重要的一環(huán)。因?yàn)橘N裝系統(tǒng)從供料系統(tǒng)吸 取0201元件，視覺識別和準(zhǔn)確地貼裝元件，在設(shè)定這個過程中必須小心?；旧?，0201貼裝過程涉及四個分開的運(yùn)作： 首先從送料器吸取元件。憬常見的，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， 必須注意到細(xì)節(jié)。因?yàn)?201只是口從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，但是實(shí)際上 相當(dāng)鬆散。使用幾乎與元件一樣大的吸嘴，誤吸的機(jī)會可能高。因?yàn)檫@個理由，吸 嘴通常製造得比元件稍微大一點(diǎn)

15、。一旦吸取到元件，真空檢查決定元件的存在或不存在。這是檢查的一個重要方面， 因?yàn)槿绻淮嬖冢N裝頭必須處理掉無吸的0201或再吸取元件。吸取錯誤一般 不直接影響實(shí)際的過程，但會影響總的處理時間和產(chǎn)呈。現(xiàn)時的研究也評估了帶與 (tape-and-reel)、Surf tape 和屐後的散裝盒(bulk-case)送料的區(qū)別。一旦透過真空檢查確認(rèn)元件的存在，視覺系統(tǒng)將元件定位到電路板。高級的視覺系 統(tǒng)可完成元件的外形測量或識別兩個元件端。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。最後步驟是將0201貼裝到焊盤的

16、焊錫內(nèi)雖然這個過程必須快速完成，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±45 “m，那么應(yīng)該設(shè)定大約90z/m 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_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岀，使用的力不至於將元件過分壓入 錫膏。如果使用太大的力或太高的速度，會增加焊錫球或元件偏移的可能性。貼裝課題評估速度

17、、力最和降低限制。通常，速度和力是倚賴機(jī)器的，但對 精度，焊錫熔濕與自我定位力等物理現(xiàn)象是不倚賴機(jī)器的，因此平臺與平臺之間 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()201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。大于每分鐘2UC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

18、件上，由於表面張力，在首先回流焊盤的方向上立起元件O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，允許時間將元件兩頭熔濕 更一致。研究採用的變毘如表三所示，在三個級別上參數(shù)的變化，以理解其對焊 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 183°CLowHighPeak TemperatureLowHighReflow Parametric StudyFactor to be Vai&#