使用粘性助焊劑的CSP與倒裝芯片裝配

??????錫膏的模板印刷是用于高產(chǎn)量電子電路制造的最快速、最省成本的方法。不幸的是，該方法對(duì)于間距小于300微米的元件已經(jīng)不是太好。對(duì)于這些元件，粘性助焊劑工藝是一個(gè)較好的方法；它可以直接在裝備有助焊劑浸涂單元的密間距元件貼裝機(jī)上實(shí)施。

　　在粘性助焊劑工藝中的四個(gè)步驟是：吸取元件、將元件錫球浸泡到助焊劑、對(duì)中元件和在基板上貼裝元件。因?yàn)樵摴に囋试S處理錫球間距小至100微米的元件，所以共晶錫球的倒裝芯片裝配可能會(huì)及其有趣。

　　當(dāng)具有共晶錫球的倒裝芯片貼裝在錫膏中時(shí)，其位置通常在回流期間通過液態(tài)焊錫的自我對(duì)中得到糾正。同樣，共晶錫球貼裝在助焊劑中的大多數(shù)元件位置也會(huì)通過自我對(duì)中來(lái)糾正。一項(xiàng)最新的研究項(xiàng)目調(diào)查了貼裝在助焊劑中的共晶錫球在焊點(diǎn)的形成與貼裝精度之間的關(guān)系。

　　研究的準(zhǔn)備
　　 由于在獲得元件和基板上的局限，這里避免了使用極其小間距的元件，以簡(jiǎn)化這些試驗(yàn)。使用了兩種元件：750微米間距的CSP和450微米的倒裝芯片。結(jié)果推斷到間距小至100微米的元件。使用了兩種不同的板面布局：銅箔界定的布局，用于CSP貼裝和阻焊(RS)界定的布局，用于倒裝芯片(圖1)。

　　也使用了一臺(tái)先進(jìn)的元件貼裝機(jī)，具有3西格碼的9微米精度，裝備有助焊劑浸涂單元。使用一種免洗粘性倒裝芯片助焊劑，適合于浸涂。

　　通過增加在三種不同的銅焊盤尺寸和三種不同的阻焊開口上偏移來(lái)完成驗(yàn)證試驗(yàn)。元件貼裝在X方向增加正與負(fù)的偏移。所有給定的偏移都是從名義位置測(cè)量的。執(zhí)行了兩種正對(duì)CSP和倒裝芯片的不同試驗(yàn)計(jì)劃?？偣操N裝了450片CSP和450片倒裝芯片。

　　CSP的試驗(yàn)
　　 在助焊劑單元中助焊劑層的厚度是在95微米，等于50%的CSP錫球高度。CSP首先在助焊劑單元浸涂，然后貼裝在試驗(yàn)板上，五個(gè)負(fù)的和五個(gè)正的偏移步。對(duì)于每一個(gè)偏移步，在三種不同的銅箔界定的焊盤布局上貼裝15個(gè)元件：
. 銅焊盤 = 錫球直徑
. 銅焊盤 = 85%的錫球直徑
. 銅焊盤 = 70%的錫球直徑

　
圖1、阻焊層界定
和阻焊層界定的布局 圖2、阻焊層界定
落腳點(diǎn)的貼裝區(qū)域 圖3、阻焊層界定
落腳點(diǎn)的貼裝極限

　　貼裝之后，將板焊接，對(duì)元件進(jìn)行電器測(cè)試。菊花鏈測(cè)量結(jié)果在圖2中用藍(lán)色的點(diǎn)劃線顯示。在圖中也顯示有阻焊的理論公差位置。

　　三個(gè)理論區(qū)域是：
. 一個(gè)一直好的、安全區(qū)域，與銅箔焊盤或焊接區(qū)域?qū)?yīng)
. 一個(gè)過渡區(qū)域，它是阻焊的公差區(qū)域；但貼裝在這里時(shí)，焊接將取決于阻焊的位置。
. 一個(gè)總是出錯(cuò)的區(qū)域，它超出了阻焊的公差界限；在這個(gè)區(qū)域的連接沒有焊接到。

　　幾個(gè)板的測(cè)量顯示，阻焊的位置(公差)不總是一致的，可能在所有方向移動(dòng)，偏差在-30微米到+35微米之間變化。最大允許的貼裝偏移(圖3)等于銅焊盤的尺寸(安全區(qū)域)。阻焊不能在銅焊盤上，并且不能厚于銅跡線。在后一種情況中，如果阻焊偏移達(dá)到最大，并且錫球貼裝在銅焊盤的邊沿上，錫球?qū)⒉粫?huì)接觸到銅箔(圖4)。

　　過渡區(qū)域或者阻焊可以移動(dòng)的區(qū)域的使用，可以增加允許的貼裝偏移，但是這取決于阻焊的位置和最小的阻焊開口(圖5)。在圖6中，貼裝的精度是以所有公差的函數(shù)給出的。

　
圖4、有于厚的阻焊層
錫球沒有接觸銅箔　圖5、名義的阻焊層位置
增加允許的貼裝偏差　圖6、貼裝精度是銅箔
界定的區(qū)域的公差的函數(shù)

　　對(duì)于有局部基準(zhǔn)點(diǎn)的CSP與銅箔界定的落腳點(diǎn)，得到四個(gè)結(jié)論。首先，當(dāng)錫球接觸到銅箔焊盤區(qū)域時(shí)，在回流時(shí)總是會(huì)焊接到。在看作是：

貼裝精度 < (最小銅箔焊盤直徑)/2

假設(shè)阻焊不比銅箔焊盤厚。這個(gè)結(jié)果在理想的環(huán)境下發(fā)生；需要進(jìn)一步的研究來(lái)確定一個(gè)實(shí)際界限。在這個(gè)階段，可以建議一個(gè)10%的安全邊界，這意味著可以推薦+-40%偏出焊盤的貼裝偏移。

第二，在過渡區(qū)域，不是所有的錫球都將在回流期間焊接，取決于阻焊的位置。
第三，當(dāng)阻焊在正方向偏移時(shí)，在正方向的允許偏移增加，在負(fù)方向減小。
最后，當(dāng)阻焊在負(fù)方向偏移時(shí)，在負(fù)方向的允許偏移增加，在正方向減小。

　　倒裝芯片的試驗(yàn)
　　 對(duì)于倒裝芯片的浸涂，在助焊劑單元內(nèi)的助焊劑厚度是70微米，50%的倒裝芯片錫球高度。進(jìn)行了與CSP一樣的試驗(yàn)。倒裝芯片以五個(gè)負(fù)向和五個(gè)正向偏移貼裝。對(duì)于每個(gè)偏移步，在三種不同的阻焊界定的焊盤布局上貼裝15個(gè)元件：
. 阻焊開口 = 錫球直徑
. 阻焊開口 = 85%的錫球直徑
. 阻焊開口 = 70%的錫球直徑

　　在貼裝之后，將板焊接，使用菊花鏈測(cè)量方法對(duì)元件進(jìn)行測(cè)量。使用了幾塊板，在所有的板上阻焊層的位置由于有阻焊層的公差而都不同。在分析之后得出一下結(jié)論：
. 基準(zhǔn)點(diǎn)的尺寸帶來(lái)額外的偏差。這個(gè)偏差可以增加、補(bǔ)償或減小給定的偏移。因此，對(duì)于正向/負(fù)向上的一定偏差，都發(fā)現(xiàn)有焊接/沒有焊接的倒裝芯片。
. 對(duì)于阻焊層開口=70%錫球直徑的組合，一些錫球坐落在阻焊層上，沒有接觸銅箔。在回流期間，這些錫球沒有焊接。

　　對(duì)于倒裝芯片的貼裝，使用了局部的阻焊層界定的基準(zhǔn)點(diǎn)。在圖7中，顯示了理論公差極限和試驗(yàn)的結(jié)果(藍(lán)色點(diǎn)劃線)。

　　兩個(gè)可見的理論區(qū)域是一個(gè)阻焊層開口區(qū)域和一個(gè)總是出錯(cuò)的區(qū)域(超出阻焊層開口)。當(dāng)貼裝在這里時(shí)，連接點(diǎn)沒有焊接。圖8顯示相對(duì)于阻焊層界定的落腳點(diǎn)與貼裝區(qū)域的錫球位置。

　
圖7、對(duì)于阻焊層界定
的 落腳點(diǎn)的貼裝區(qū)域 圖8、倒裝芯片的公差極限　圖9、貼裝精度是阻焊層
界定的區(qū)域的公差的函數(shù)

　　當(dāng)錫球貼裝在阻焊層的邊緣上時(shí)，不是所有的元件將流動(dòng)回到焊盤上。這里應(yīng)該考慮一個(gè)安全的邊界，取決于某些公差。圖9顯示貼裝精度是所有公差的函數(shù)。 在一種安全的情況中，錫球接觸銅箔表面。在最高的貼裝精度中阻焊層的高度起著重要的作用(圖10)。安全邊界也取決于錫球直徑與阻焊開口的關(guān)系(圖11)。如果錫球接觸銅箔表面，安全邊界可以計(jì)算(圖12)。

　
圖10、對(duì)于厚的阻焊層
安全邊界增加　圖11、對(duì)于較小的錫球直徑
安全邊界減少
圖12、計(jì)算的安全邊界

　　表1包含為試驗(yàn)中使用的倒裝芯片所計(jì)算的安全邊界和貼裝精度，三種不同的阻焊層厚度。

表1、計(jì)算的安全邊界和貼裝精度
錫球直徑
190微米
阻焊層開口
190微米　阻焊層開口
160微米　
阻焊層厚度(微米) 安全邊界(微米) 貼裝精度(微米) 貼裝精度(微米)
5 30 65 50
10 42 53 38
15 51 44 29

　　對(duì)于具有局部阻焊層界定的基準(zhǔn)點(diǎn)的倒裝芯片和阻焊層所界定的落腳點(diǎn)，結(jié)論是：
. 在錫球直徑、最小阻焊開口和阻焊層高度之間存在很強(qiáng)的關(guān)系。所有參數(shù)在最大的貼裝精度中都起重要的作用。
. 從這些試驗(yàn)的結(jié)果看到，從阻焊開口的20%的允許偏離對(duì)于阻焊層開口大于或等于85%錫球直徑的情況是一個(gè)安全值。在這些情況中，銅箔焊盤上的阻焊層高度小于或等于10微米。
. 如果阻焊層界定的基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生偏移，阻焊層界定的落腳點(diǎn)也會(huì)偏移相同的距離。允許的偏移對(duì)于偏離的和非偏離的阻焊層是相同的。
. 對(duì)于阻焊層開口=70%錫球直徑的試驗(yàn)組合，一些錫球坐落在阻焊層上，不接觸銅箔。在回流期間，這些錫球沒有焊接。

　　該研究揭示，貼裝精度取決于元件間距和板的布局。對(duì)于銅箔界定的落腳點(diǎn)，洗球必須接觸焊盤。因此，允許40%偏離焊盤的貼裝偏移。對(duì)于阻焊層界定的落腳點(diǎn)，在錫求職晶、阻焊層開口和阻焊層高度之間存在很強(qiáng)的關(guān)系。允許的貼裝偏移是20%偏離阻焊層開口。

　　該研究結(jié)果向低至100微米間距尺寸的推論在表2中顯示，假設(shè)對(duì)于CSP，銅焊盤尺寸應(yīng)該是70%的錫球直徑，對(duì)于倒裝芯片，阻焊層的開口尺寸應(yīng)該至少是85%的錫球直徑。

表2、對(duì)用粘性助焊劑貼裝的CSP的推薦貼裝精度(微米，3西格碼)
間距 CSP在銅箔界定的焊盤上 倒裝芯片在銅箔界定的焊盤上
750微米 80 50
500微米 70 40
400微米 60 30
300微米 40 25
250微米　 25
200微米(主要微處理器)　 20
150微米(主要微處理器)　 17
125微米(開發(fā)中)　 14
100微米(開發(fā)中)　 10

　　對(duì)于CSP和倒裝芯片元件的推薦貼裝精度保證最高的工藝品質(zhì)。較低精度的貼裝工藝不一定會(huì)造成錯(cuò)誤，但是失效的機(jī)會(huì)將增加。