植球技术在SMT行业中的应用

颜梅，R SIVAM V RAJOO—伟创力电子(苏州)有限公司

植球技术已广泛应用于半导体工业，越来越多的专业晶圆制造商用它取代传统的电镀焊或高精度焊膏印刷等工艺。由于直接植球为二次组装提供了一个灵活、快速、准确和成本低廉的解决方案，大型 EMS企业也逐步进入了这一领域。

OEM客户在器件制造方面已经接受了新的概念，即器件可在EMS公司制作生产并直接用于最终产品的组装。这样做的好处在于：提供了更高的收益率，缩短了产品交货期，符合中小批量的要求，更关键的是较大幅度地降低了成本。在此情形下，SMT行业应用植球技术变得越来越有必要，而EMS企业只有掌握了晶圆级和芯片级封装技术，才能响应OEM客户的要求。

本文主要介绍应用在电路板上的植球技术。

流程简介
整个工艺包括四个步骤：涂布助焊剂、植球(球印刷)、检验及返工，以及回流焊。

植球需要两台在线印刷机：一台是用于涂布膏状助焊剂的普通网板式印刷机，另外一台用于植球（采用特殊的植球印刷头）。两台印刷机都可随时切换为电子组装用的普通印刷机。此外，用于炉前返工补球的低成本设备，可有效地避免诸如少球等质量问题。

步骤一：涂布助焊剂涂布膏状助焊剂是植球工艺的第一步，它是保持球的定位以及在回流焊中良好成型的关键步骤。特别设计的网板(图1)应用于膏状助焊剂的印刷，该网板的开口是基于印刷电路板的焊盘尺寸和焊球的大小而确定的。

在印刷膏状助焊剂这一步，同时使用了两种类型的刮刀，前刮刀是橡胶刮刀(图 2)，后刮刀是金属垂直刮板（图3）。垂直刮板先将一层薄薄的助焊剂均匀涂布在网板上，然后橡胶刮刀再将助焊剂印刷在电路板焊盘上。这个工艺设计的好处是在线路板的焊盘上提供一个平整均匀的助焊剂层，同时也保持网板润湿而不干燥，有效地防止了助焊剂堵孔的状况。

DOE被用来确定助焊剂印刷的最佳参数，见表1。

印刷之后以显微镜来观察并计算助焊剂在焊盘上的覆盖率，并计算DOE的结果。表2是实际助焊剂印刷的DOE矩阵数据。

助焊剂覆盖率反映了 DOE实验结果。图5是助焊剂印刷缺陷的实例，其中包括印刷错位、过量溢出和量少等。

从各因素主要关系与交联反应的影响图分析（见图6），印刷速度、印刷压力、刮刀角度和印刷间隙各个因素对助焊剂印刷结果都有着显著的影响，而且各个因素之间的交联反应也是如此。

基于参数矩阵优化分析可得出优化参数设定，如表3所示。

在这个DOE的试验中能够得到最优化的印刷参数设定；当然，不同的设备会有一定的差异。在生产过程中网板很容易受到损坏，所以需要细心地处理和搬动。在助焊剂印刷过程中，固体粉尘或者其他外来的物质很容易堵塞网板的开口，只能用空气枪来清洗。异丙醇或酒精等清洁剂都不能用来清洁网板，因其会溶解并破坏网板上的高分子材料，通常是在生产结束后用无尘布沾去离子水擦拭并用气枪吹干。

助焊剂印刷完成后，需要在显微镜下检查漏印、量不足或错位。通常助焊剂是透明的，而且目视检验很难检查出缺陷。为方便目视检查，合理地改变助焊剂颜色是必要的。

步骤二：植球
在植球阶段，同样需要特殊设计的模板（见图7）。该模板的开口设计也是基于实际焊球大小和电路板焊盘尺寸，这样做基于两个方面的考虑：一是需避免助焊剂污染到模板和焊球；二是如何使焊球顺利地通过模板开口。

该模板结构有两层：主体是电铸模板，具有比激光或化学蚀刻模板更光滑的孔壁，因而可使焊球顺利通过；第二层是紧密结合在模板的底部的一个略带柔性的隔离层（见图 8）。复合的两层具有与焊球直径几乎相同的厚度，很好地避免了膏状助焊剂对电铸模板的污染，同时使焊球顺利地通过模板到达焊盘并被助焊剂粘住。

特别设计的植球印刷头能使每个焊球与模板之间的摩擦力达到最低，并施以可控制的放置力，将焊球放进每个开孔中（焊球是通过毛细作用和重力的影响被分配到每个开孔中的）。这一步中，焊球转移设备是极其关键的，焊球印刷的参数定义如表4所示。

在印刷过程中偶尔会发生焊球堵孔，这是由于开孔被细小灰尘或纤维堵塞造成的。因为很难确定哪个焊球受损，需报废所有待印刷的焊球，因此焊球废弃率较高。

在这一步，模板是不需要清洗的。IPA或酒精清洁剂也不能用来擦试模板，因为有机的清洗剂会破坏模板两层之间的粘合，如果发生堵塞可使用气枪来清理。

步骤三：检测和返工
AOI（自动光学检测）设备用于植球以后的在线检测。主要缺陷通常是少球和错位（见图9）。检查后，少球的电路板需使用离线的半自动补球设备做返工处理；对于错位缺陷，清洗电路板并重新印刷是唯一的办法。

离线的半自动补球设备是专门为少球重植而设计的，少球的放置需要使用准确的图像放大系统，先用一个操作臂在缺球的焊盘上涂布膏状助焊剂，然后使用另一个操作臂在该焊盘上补球。如果焊盘上的助焊剂已经足够了，则可以在编写程序时将涂布助焊剂的步骤省略。间隙性气压控制是完成涂布助焊剂和补球的关键。图 1 0显示了补球设备的结构。

该离线补球设备非常重要，不能影响电路板上的其它放置准确的焊球。经过返工后，需要将电路板在回流焊前用 AOI设备重新检查，以确保无缺陷。

步骤四：回流焊
植球的回流焊过程与普通的SMT回流焊工艺一样。对于无铅产品，一般选用的焊料合金是SAC105，它的熔点比用于电路板的无铅焊膏略高一点（通常高2～3℃），以防止在二次回流中再次造成缺陷。当然，这还要看客户的工艺规定。图11是关于植球回流焊的曲线图。

回流焊后需要用AOI检查。在这一步骤中，考虑到实际上该产品是 BGA类型，如果有任何少球或错位，则该电路板将被报废，因为任何方式的返修都可能引起在下一步的组装过程中元件的失效。

小结
这项植球工艺研究是为了从EMS公司的生产角度从发，寻找到涂布助焊剂、植球、返工及回流焊的标准工艺。研究中的关键点是助焊剂涂布参数设定、置球模板和缺失焊球的返工。研究中还发现，在膏状助焊剂印刷后的检验存在检出度不足的问题；因此，与助焊剂供应商合作以寻求利于印刷后检验效果的进一步的研究是十分必要的。