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PoP装配SMT工艺的的控制

发布时间: 2013-06-25 10:31 作者: 浏览次数: 2203 Views 字号:

PoP装配SMT工艺的的控制 

PoP装配SMT工艺的的控制
(1)元器件翘曲变形对装配良率的影响至为关键
元器件翘曲变形导致在装配之后焊点开路,其翘曲变形既有来自元件在封装过程中的变形,也有因为回流焊接过程中的高温引起的热变形。由于堆叠装配的元件很薄,底部元件甚至薄到0.3 mm,在封装过程中极易产生变形。如图1所示。
图1元件翘曲变形示意图
元件封装过程中产生变形最大是在进行模塑(封胶)之后,我们发现随着元件尺寸的增加,其变形量也会增大。堆叠的两个元件,底部元件变形量会相对大一些。来自不同供应商的元器件其变形量也会不一样。如图2和图3所示。
之所以会产生翘曲变形是因为元器件中各种材料的弹性模量和热膨胀系数各不一样,如果所选用材料以上特性差异越大,再加上物理尺寸的影响(长宽厚),其变形就越明显。要保证较高的装配良率,对堆叠元件的平整度要求很重要,要选择质量好的供应商。
(2)底部元件锡膏印刷工艺的控制
底部元件球间距是0.5 mm或0.4 mm的CSP,对于锡膏印刷是一个挑战,需要优化CB焊盘的设计,印刷钢网的开孔设计也需要仔细考虑。锡膏的选择也成为关键,往往会
图2元器件封装/组装过程示意图图3元器件封装/组装过程翘曲变形分析示意图
有锡膏过量或不足的现象。对于精细间距的晶圆级CSP的锡膏印刷,应用合适的PCB及钢网设计加以良好的印刷工艺控制,可以获得批量生产条件下高的装配良率。0.4 mm CSP的印刷可以选用type3,或type4,但 type4有时可能会出现连锡现象。市场上现在有type3和type4混合的一种锡膏,印刷效果不错。印刷工艺控制注意以下几个方面:
·当印刷微间距的PCB时,要放慢印刷速度;
·选择最接近PCB板的刮刀,两边离PCB边缘有O.5″;
·锡膏在钢网上要形成良好的“滚动”,而不是“滑动”;
·锡膏滚动柱表面要相对光滑均匀,外形要中心对称:
·刮刀刮过后孔要被完全填充;
·刮刀刮过后钢网要很干净,没有锡膏留在后面;
·脱模后孔壁要没有锡膏或非常少的锡膏留在其上;
·脱模的速度极为关键,一般来说需要较低的脱模速度,如0.25~0.5 mm/s,但也有些锡膏要求快速脱模,需要仔细阅读技术说明:
·印刷时对基板平整的支撑一般都要求全板支撑,避免印锡不均匀的现象。
影响印刷品质的另一重要因素是印刷钢网的设计和制造:合适的宽深(厚)比或开孔面积比,孔壁是否光滑整齐。对于0.4 mm CSP,印刷钢网推荐采用如下设计:
·钢网厚度5 mil,则方形孔为lO mil×10 mil,圆形孔的直径为11 mil;
·钢网厚度若为4 mil,则方形孔为9 mil×9 mil,圆形孔的直径为10 mil。
(3)贴装过程中基准J羔的选择和压力的控制
底层元件以整板基准点来矫正没有问题,上层元件是以整板基准点还是以其底层元件背面上的局部基准点来矫正就需要斟酌了。如果同样选择整板基准点,会很方便,不需要任何变更,产出率也会高,但贴装精度成了争论的焦点。事实上,贴装的精度会受到影响。而选择其底层元件背面上的局部基准点,贴片周期会长产出率受到影响,对处理基准点的相机提出了挑战(焦距的问题)。但是贴片的精度会得以保证。这时贴装压力的控制也变得非常重要,过高的压力会将底层元件的锡膏压塌;造成短路和锡珠,高压力贴装多层元件也会因压力不平衡导致器件倒塌。所以贴装及浸蘸过程中需要较低的贴装压力。
多层堆叠贴装后,在传送过程中,要求传输轨道运转更加平稳,机器设备之间轨道接口要顺畅,避免回流焊接之前传送过程中的振动冲击。
(4)顶部元件助焊剂或锡膏量的控制(如图4所示)
助焊剂或锡膏的厚度需要根据元件焊球尺寸来确定,保证适当且稳定均匀的厚度,使最小的焊球也能在浸蘸过程中蘸上适量的助焊剂或锡膏。需要考虑优先选择低残留免清洗助焊剂或锡膏,如果需要底部填充工艺的话,必须考虑助焊剂/锡膏与阻焊膜及底部填充材料的兼容性问题。
顶部元件浸蘸助焊剂还是锡膏,会有不同的考虑。锡膏装配的优点是:①可以一定程度地补偿元件及基板的翘曲变形;②无须额外工艺,可以与现有工艺很好兼容;③焊接后器件离板高度稍高,有利于可靠性。但也有其缺点:①会放大焊球本来存在的大小的差异;②可供选择的这类锡膏有限,价格也贵。
浸蘸用的锡膏不同于普通印刷锡膏,其黏度为⒛Pa·s左右,比普通的锡膏低,金属颗粒直径在5~25 gm左右,比普通锡膏金属颗粒细,助焊剂百分含量约20%。所以其比普通印刷锡膏稀很多,流动性非常好,适合浸蘸工艺。
粘性助焊膏装配的优点是:①不会放大焊球本来存在的大小差异;②工艺好控制,材料选择也方便。
其缺点是:①对一点程度的翘曲变形无补偿作用;②需要增加工艺。
图4助焊剂或锡膏量的控制
顶部元件CSP的助焊剂浸蘸工艺与我们在之前介绍过的倒装晶片的助焊剂浸蘸工艺相似,控制重点和方法也类似。所不同的是,CSP需要浸蘸更多的助焊剂,要求助焊剂膜更厚。对于0.4mm高度的焊球,实际膜厚需要 0.2 mm左右,也就是相当于焊球高度的一半,实际的膜厚依赖于材料的选择。图5为顶部元件浸蘸在0.2 mm厚的锡膏中,组装在玻璃片上看到的情形。
图5顶部元件浸蘸在0.2 mm厚的锡膏中组装在玻璃片上的外观图
(5)回流焊接工艺的控制
首先我们面临的是对于无铅回流焊接工艺选择焊接环境的问题。在空气中焊接,特别是对于无铅工艺,增加了金属的氧化,润湿不好,焊球不能完整的塌陷。在低氧气浓度((50 ppm)氮气中焊接降低了金属氧化,润湿效果好,能够形成完整的塌陷,而且表现出良好的自对中性。但0201/0402这类元件会出现立碑现象,另外,焊接成本也会增加25%~50%。
由于无铅焊接的温度较高,较薄的元件和基板(厚度可达0.3 mm)在回流焊接过程中很容易热变形,需要细致的优化回流焊接温度曲线。同时,*顶层元件表面与底层元件内部温度非常重要,既要考虑顶层元件表面温度不要过高,又要保证底层元件焊球和锡膏充分熔化形成良好的焊点(有时底层元件焊球可能是高铅材料,此时焊球可能不熔或部分熔融,锡膏则熔化冷却形成焊点)。对于多层堆叠装配,升温速度建议控制在1,5OC/s以内,防止热冲击及炉内移位或其他焊接缺陷。在保证焊接品质的前提下,让回流温度尽量的低,最大程度的降低热变形的可能。
C4元件在焊接过程中高度会有一定程度的降低,如图6所示,这可以补偿焊球高度的不一致性,但是基板焊盘要设计适当的公差,将焊接过程中的变形及不共面性一并考虑。图7和图8是元件在回流焊前和回流焊高度示意图。
图6元件回流后高度降低
图7回流焊接之前
图8回流焊接之后
(6)回流焊接后的检查
堆叠两层应用X-Ray来检查应该没有什么问题,只要在产品上设计适当的参照,可以轻易检查出元件是否有偏移等。但对于多层堆叠,要清楚的检查各层焊点情况实非易事,这时需要X-Ray检查仪具有分层检查的功能。

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