0201技术推动工艺解决方案2874.docx

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1、02011技术推推动工艺艺解决方方案By BBriaan JJ. LLewiis aand Pauul HHousstonn参数、工工艺限制制和设计计指引一一起创造造一个成成功的工工艺窗口口和电路路板设计计定位。 超小小型足印印(foootpprinnt)的的无源元元件，如如02001元件件，是电电子工业业的热门门话题。这这些元件件顺应高高输入/输出(I/OO)元件件而存在在，如芯芯片规模模包装(CSPP)和倒倒装芯片片(fllip chiip)技技术，它它们是电电子包装装小型化化的需要要。图一一把一个个02001的尺尺寸与一一个08805、006033、一只只蚂蚁和和一根火火柴棒进进行比较较

2、。0.02 x 00.011 的的尺寸使使得这些些元件当当与其它它技术结结合使用用的时候候，对高高密度的的包装是是理想的的。本文文将对已已经发表表的文章章或著作作作广泛泛的回顾顾，突出出电路板板设计的的指引方方面，和和定义印印刷、贴贴装和回回流的工工艺窗口口。本文文也包括括为了产产生一个个稳定的的工艺窗窗口和电电路板设设计而对对电路板板设计参参数、工工艺限制制和工艺艺指引所所作的调调查课题题。对课课题各方方面进行行讨论和和给出试试验性的的数据，但但由于该该课题正正在进行行中，最最后的数数据编辑辑还有待待发表。驱动力受到到携带微微型电话话、传呼呼机和个个人辅助助用品的的人的数数量增加加的驱动动，

3、消费费电子工工业近来来非常火火爆。变变得更小小、更快快和更便便宜的需需要驱动动着一个个永不停停止的提提高微型型化的研研究技术术的需求求。大多多数微型型电话有有关的制制造商把把02001实施施到其最最新的设设计中，在在不久的的将来，其其它工业业领域也也将采用用该技术术。在汽汽车工业业的无线线通信产产品在全全球定位位系统(GPSS, gglobbal possitiioniing sysstemms)、传传感器和和通信器器材中使使用02201技技术。另另外，公公司在多多芯片模模块(MMCM, muultii-chhip moddulee)中使使用02201技技术，以以减少总总体的包包装尺寸寸。和这

4、这些MCCM元件件一起，002011技术已已经更靠靠近半导导体工业业，因其其直接与与裸芯片片包装，铸铸模在二二级电路路板装配配的包装装内。必必须完成成许多研研究，以以定义出出焊盘设设计和印印刷、贴贴装、回回流的工工艺窗口口，从而而在全面面实施002011之前达达到高的的第一次次通过合合格率和和高的产产量。电路板设设计指引引已已经有几几个对采采用02201无无源元件件的电路路板设计计指引的的研究。大大部分通通过变化化焊盘尺尺寸、焊焊盘几何何形状、焊焊盘对焊焊盘间距距和片状状元件与与元件的的间距，来来观察设设计。重重要的设设计方面面包括缺缺陷最小小化和增增加元件件密度，同同时收缩缩整个印印刷电路路

5、板的尺尺寸。以以下是可可能受焊焊盘设计计所影响响的主要要缺陷：1. 墓碑(TTombbstooninng)该缺陷陷的发生生是当元元件由于于回流期期间产生生的力而而在一端端上面自自己升起起的时候候。通常常，墓碑碑发生是是由于元元件贴装装在相应应的焊盘盘上不平平衡，一一端的焊焊锡表面面能量大大于另一一端。表表面能量量的不平平衡引起起一端的的扭矩更更大，将将另一端端拉起并并脱落焊焊盘。小小于06603的的元件比比较大的的无源元元件更容容易形成成墓碑。对对04002和002011元件，焊焊盘设计计可减少少或甚至至防止墓墓碑。焊焊盘横向向延长，纵纵向减少少可减少少引起墓墓碑的纵纵向力。回回流过程程也会影

6、影响墓碑碑缺陷。如如果升温温坡度太太大，元元件的前前端进入入回流区区可能在在另一端端之前熔熔化，将将元件立立起。 2. 焊锡结珠珠(Sooldeer bbeaddingg)焊焊锡球数数量是一一个过程程指标，由由于焊锡锡膏中使使用的助助焊剂而而附着于于无源元元件，通通常位于于元件身身体上。焊焊锡珠，当当使用免免洗焊锡锡膏时由由于助焊焊剂残留留和缺少少其它锡锡膏类型型通常使使用的清清洗步骤骤，是常常见的，它它表示过过程已经经偏出了了工艺窗窗口。通通常，结结珠的发发生是由由于焊盘盘太靠近近一起，过过大的焊焊盘和过过多的锡锡膏印在在单个焊焊盘上。以以高速贴贴装02201无无源元件件可能引引起锡膏膏溅出

7、锡锡膏“砖砖”。这这些溅出出的锡膏膏在元件件周围回回流，引引起锡球球，在IIPC 6100 中定定义为缺缺陷。这这是超小小无源元元件上最最常见的的缺陷。如如上所述述，设计计指引可可以用来来控制这这些类型型的缺陷陷，以及及理解工工艺窗口口。有人人推荐，002011焊盘设设计来限限制锡膏膏在元件件长边上上的接触触角，而而延长焊焊盘的横横向尺寸寸，允许许更大的的接触角角1,2,3。与与这种焊焊盘设计计相关的的力将趋趋向于作作用在元元件侧面面，允许许更多的的自己对对中，而而减少引引起“墓墓碑”的的力。 焊盘盘间隔也也可能控控制焊锡锡球化缺缺陷。研研究表明明，焊盘盘中心对对中心应应该在00.022000

8、.0222之之间，边边对边的的间隔大大约为00.000800.0110。焊焊盘设计计应该达达到贴装装工具的的精度。另另有研究究表明，对对于无源源元件，沿沿纵向轴轴的恢复复力比较较大，但但如果元元件贴装装有纵向向偏移，那那么该元元件必须须与两个个焊盘接接触，保保证两个个不同的的力来自自己定位位。因此此，如果果贴装机机器只有有0.0006的精度度，贴出出02001的偏偏移太大大，那么么元件将将不会自自己定位位。表一一列出了了推荐用用来减少少墓碑和和焊锡结结珠的焊焊盘尺寸寸和设计计。表一、0201焊盘设计推荐0201焊盘尺寸下限上限过程效果长度尺寸0.0100.012改进“墓碑”宽度尺寸0.0160

9、.018焊盘间隔()0.0200.022改进焊锡结珠焊盘间隔()0.0080.010不幸幸的是，只只有很少少的出版版数据解解释对于于其它电电路板设设计变量量，特别别是元件件对元件件间距的的限制，工工艺窗口口在哪里里。元件件间距可可受各种种因素影影响，如如板的放放置和002011元件的的贴装。为为了理解解设计指指引的工工艺窗口口，一项项非常广广泛的研研究正在在进行中中*。用用于该研研究的板板如图二二所示。设设计包括括各种焊焊盘尺寸寸，元件件方向( 0, 990和和455)，元元件间距距(0.0044, 00.0005, 0.0006, 0.0088, 00.0110 和和 0.0122)，连连到

10、焊盘盘的迹线线厚度(0.0003, 0.0044 和 0.0005)。002011焊盘名名义尺寸寸为0.0122 x 0.0013 ，和和变动0, 20 和 330%。焊焊盘到焊焊盘间隔隔为0.0222。002011元件分分别贴放放靠近其其它的002011, 004022, 006033, 008055 和 12006，元元件间距距如上所所述。迹迹线厚度度是有变变化的，对对02001和004022两者，都都有两个个焊盘之之一位于于地线板板上。这这是要调调查无源源元件对对吸热的的影响。 印刷 许多多存在于于印刷先先进技术术包装，如如CSPP、微型型BGAA和倒装装芯片等等，的同同样的问问题与规规

11、则对002011元件的的印刷是是同等重重要的。对对那些比比其它板板上元件件小几倍倍的开孔孔，使用用较厚的的模板和和相同的的锡膏进进行印刷刷几乎是是不可能能的。有有关02201工工艺的普普遍提出出的问题题包括模模板厚度度、开孔孔的尺寸寸、锡膏膏类型和和要求的的开孔几几何形状状。现在在，了解解锡膏如如何从不不同厚度度模板的的各种开开孔尺寸寸和几何何形状中中释放的的工作正正在进行行中。该该课题研研究的一一个主要要方面就就是在决决定稳定定的印刷刷窗口时时面积比比率的重重要性。面面积比率率(arrea rattio)是开孔孔的横截截面积除除以开孔孔壁的面面积。较较早前的的研究表表明，在在决定稳稳定的工工

12、艺窗口口时，面面积比率率提供了了比模板板宽度开开孔减少少法(sstenncill-wiide apeertuure redducttionn meethoods)，如纵纵横比(asppectt raatioo)，高高得多的的精度。该该研究得得出了大大约0.6和更更高的面面积比可可以沉淀淀锡膏的的体积很很接近开开孔的总总体积。从进进行中研研究的试试验性丝丝印数据据显示，00.0005的的模板，00.499的面积积比率的的0.0096 x 00.01104 的焊焊盘，对对第四类类型的SSn/PPb锡膏膏的释放放性能很很差。可可是，00.566面积比比的0.01008 x 00.01117 的开开口

13、尺寸寸提供比比较好的的锡膏量量和释放放性能。而而现在很很少有发发表的有有关02201的的丝印过过程的数数据，存存在的东东西都是是模糊的的，只说说模板越越薄越好好，第四四类锡膏膏(比第第三类颗颗粒小)对锡膏膏释放的的表现较较好。可可是，由由于第四四类比第第三类更更稀，使使用第四四类对印印刷其它它的SMMT元件件可能不不行，因因为材料料塌落。该该研究是是用来理理解印刷刷参数、模模板参数数和锡膏膏有关变变量的影影响。用用于丝印印过程的的变量在在表二中中列出。Stencil Printing ScreeningFactor to be VariedVariation 1Variation 2Blade

14、 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_Ape

15、rture 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理解解和比较较诸如锡锡膏沉积积量和焊焊锡结珠珠缺陷

16、的的变量，要要求许多多贴装和和反复过过程。理理解对于于可能小小如0.0100开口口，锡膏膏如何表表现，在在控制和和实施002011印刷工工艺时是是很重要要的。 贴装在整个个02001工艺艺中贴装装可以认认为是最最重要的的一环。因因为贴装装系统从从供料系系统吸取取02001元件件，视觉觉识别和和准确地地贴装元元件，在在设定这这个过程程中必须须小心。基基本上，002011贴装过过程涉及及四个分分开的运运作： 首先从送送料器吸吸取元件件。最常常见的，002011无源元元件包装装在纸带带上，88mm宽宽纸带上上的凹坑坑装纳元元件。图图三详细细地表示示出元件件是怎样样从纸带带吸取的的。当设设定吸取取过程

17、时时，必须须注意到到细节。因因为02201只只是自从从19999年才才作为SSMT工工艺的元元件，生生产元件件和送料料带的误误差问题题仍然存存在。虽虽然在带带上似乎乎包装得得紧密，在在微米级级，但是是实际上上相当松松散。使使用几乎乎与元件件一样大大的吸嘴嘴，误吸吸的机会会可能高高。因为为这个理理由，吸吸嘴通常常制造得得比元件件稍微大大一点。 一旦吸取取到元件件，真空空检查决决定元件件的存在在或不存存在。这这是检查查的一个个重要方方面，因因为如果果元件不不存在，贴贴装头必必须处理理掉无吸吸的02201或或再吸取取元件。吸吸取错误误一般不不直接影影响实际际的过程程，但会会影响总总的处理理时间和和产

18、量。现现时的研研究也评评估了带带与盘(tappe-aand-reeel)、SSurff taape和和最后的的散装盒盒(buulk-casse)送送料的区区别。 一旦通过过真空检检查确认认元件的的存在，视视觉系统统将元件件定位到到电路板板。高级级的视觉觉系统可可完成元元件的外外形测量量或识别别两个元元件端。为为了做到到这一点点，视觉觉系统决决定是否否元件附附着在吸吸嘴上不不正确或或是否超超出可靠靠的元件件与贴装装所要求求的公差差。如果果元件超超出公差差，则被被放弃。 最后步骤骤是将002011贴装到到焊盘的的焊锡内内。虽然然这个过过程必须须快速完完成，但但也必须须准确，以以保证元元件完全全贴放

19、在在各个焊焊盘上。如如果元件件贴放不不准确，诸诸如墓碑碑或相邻邻元件之之间的锡锡桥等缺缺陷机会会戏剧性性地增加加。当考考虑使用用02001元件件设计电电路板的的最小元元件间距距的时候候，贴装装系统的的精度也也应该考考虑。图图四表示示在贴装装精度的的基础上上，应该该使用的的最小间间距。例例如，如如果贴装装系统的的精度为为455m，那那么应该该设定大大约900m的的最小间间距。 贴装装力与速速度也是是重要的的贴装过过程方面面。因为为每台机机器都不不同，必必须定出出特性，保保证速度度够快以以保持焊焊锡不从从锡膏砖砖溅出，使使用的力力不至于于将元件件过分压压入锡膏膏。如果果使用太太大的力力或太高高的速

20、度度，会增增加焊锡锡球或元元件偏移移的可能能性。 贴装装课题评评估速度度、力量量和降低低限制。通通常，速速度和力力是依赖赖机器的的，但对对精度，焊焊锡熔湿湿与自我我定位力力等物理理现象是是不依赖赖机器的的，因此此平台与与平台之之间都是是一致的的。数据据显示，如如果使用用较早前前所提及及的焊盘盘设计，长长度方向向的贴装装偏移将将比宽度度方向的的偏移允允许更多多的自我我定位。长长度方向向过多的的偏移产产生比宽宽度方向向更多的的缺陷。回回流焊接接之后的的元件偏偏移是宽宽度方向向偏移引引起的较较常见的的缺陷。 回流焊接接回回流02201元元件与回回流稍微微较大的的04002没有有大的差差别；可可是必须

21、须注意002011回流过过程使用用的温升升率。用用大的预预热斜度度处理002011元件可可能增加加墓碑的的机会。大大于每分分钟2C的坡坡度可能能引起元元件一端端的锡膏膏稍微比比另一端端回流快快。如果果元件一一边首先先回流，不不平衡力力将作用用在元件件上，由由于表面面张力，在在首先回回流焊盘盘的方向向上立起起元件。 回流流过程的的另一方方面是空空气与氮氮气的使使用。资资料显示示使用空空气可减减少大多多数缺陷陷4,55。因为为焊锡在在氮气中中比在空空气中熔熔湿较好好，使用用空气环环境减少少熔湿，允允许时间间将元件件两头熔熔湿更一一致。研研究采用用的变量量如表三三所示，在在三个级级别上参参数的变变化

22、，以以理解其其对焊接接点质量量和其它它过程有有关缺陷陷的影响响。 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/min3.0

23、C/minConvection Rate/Static PressureLow/0.3Med/0.8High/1.2结论完全地地理解002011过程是是不可能能的。在在未来几几年内，将将会进行行无数的的研究，带带着理解解所有可可能的过过程和设设计因素素的目标标，来考考察02201过过程。因因为每个个过程单单元有如如此之甚甚的变量量依赖于于其它因因素，很很难找到到一个满满足所有有可能的的过程问问题的答答案。随随着SMMT的进进步，新新的技术术改革将将要求通通过研究究去找到到工艺窗窗口和适适当的电电路板设设计。 * 由由西门子子和乔治治亚工学学院实施施的联合合课题研研究。REFEERENNCESS

24、1. J.H. Laau, Fliip CChipp Teechnnoloogiees, McGGraww-Hiill, 19995. 2. Inteernaal SSiemmenss prreliiminnaryy reeseaarchh reesullts. 3. M. YYuenn, HH. BBeneedicct, K. Havvlovvitzz annd TT. PPitssch, Pllexuus EElecctroonicc Asssemmblyy Coorp., aand A.CC. MMackkie, Prraxaair Incc., Toombsstonningg off

25、04402 andd 02201 Commponnentts: A SStuddy EExamminiing thee Efffeccts of Varriouus PProccesss annd DDesiign Parrameeterrs oon UUltrra-ssmalll PPasssivee Deevicces, rrefeerenncedd m. 4. J.H. Addriaancee annd JJ.D. Scchakke, Maass Reffloww Asssemmblyy off 02201 Commponnentts, APPEX 20000 PProcceedding

26、gs, P-EEQ4/3-11, AApriil 220000. 5. G.D. Roodriigueez, Annalyysiss off thhe SSoldder Passte Relleasse iin FFinee-piitchh Sttenccil Priintiing Proocesssess, Geoorgiia IInsttituute of Tecchnoologgy MMastters TThessis, Juune 19998. BRIAAN JJ. LLEWIIS, mayy bee coontaacteed aat SSiemmenss EAAE, 28775 NN

27、ortthwooodss Pkkwy., NNorccrosss, GA 300072; (4404) 8994-663511; FFax: (4404) 8775-006688; EE-maail: brriann.leewisseaae.ssiemmenss.coom. Pauul HHousstonn maay bbe cconttactted at thee Maanuffactturiing Ressearrch Cennterr att thhe GGeorrgiaa Innstiitutte oof TTechhnollogyy; (4044) 8894-27993; E-mmaill: ppaull.hoousttonmarrc.ggateech.eduu. (A 110/112/220000)【发表评评论】【关闭闭窗口】相关链接元件贴装 Component Placement (09/06/2000) 为制造着想的设计(2)(DFM, Design For Manufacture) (10/11/2000)Technology Drives Process Solutions (本文原文)(10/12/2000)