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SMT倒装芯片的非流动型底部填充剂工艺

来源:电子发烧友 发布时间:2011-08-14 点击次数:125 【字体:    

  在倒装芯片制造过程中,非流动型底部填充剂主要应该考虑以下几个工艺:

  *涂敷必须覆盖形成电气接点的区域,避免在底充胶中形成多余空隙。

  *贴片力量必须足以将底充胶挤出,以保证焊料球与基板焊盘间形成良好接触。

  *必须对再流焊温度曲线进行优化,以确保底充胶固化前焊球得到再流,避免底充胶暴露于非正常的温度下。

  涂敷

  涂敷过程要求形成体积、形貌适当的单一材料液滴,以保证所有凸点在再流焊过程中得以熔化,从而形成良好的焊角。同时,涂敷过程中形成的空隙要尽可能少,尽可能小。在设计涂敷工艺时,应注意根据密封剂的粘性优化设置。其中包括涂敷喷嘴与电路板间的距离。间隙不够可能会妨碍材料流出喷嘴,造成密封剂的实际涂敷量低于其理论计算值。这一问题对于高粘性材料尤为突出。

  另一个与材料粘性相关的问题足,当喷嘴针后退时,粘性液体材料会形成“尾巴”。于是,若在“残留液尾巴”断开前移动喷嘴针,就可能使得部分密封剂掉落在电路板的其他区域。解决这一问题的方法是增加粘性液体涂敷过程中喷嘴的后退距离并降低其后退速度,但这无疑会增加加工周期时间。

  最简便的涂敷方式足在涂敷点中心位置进行单液滴滴涂。采用此法时涂敷喷头可保持不动,液体流速也得到了提高从而了保证了加工效率,喷嘴尖端可与基板保持相当的距离。同时,喷嘴针只需在每阶段结束时后退一次。但此法可能造成组件空隙,而且,由于底充材料无法到达边沿凸点,根本无法适用于大型芯片的涂敷上。

  还有其他一些涂敷方式,如“区域填充”法,要求涂敷喷头后退较长的距离,但其优点在于有助于材料良好的扩散。这种方式涂敷喷头也只在涂敷过程结束时抬起一次。十字型、“X”型、星号型等方式,缩短了喷嘴的运动距离,可节省加工时间,但在使用那些可能在喷嘴后退过程中容易形成“残留尾巴”的材料时,必须将喷嘴的后退速度设置在较低值,又把节省的时间抵消了。

  区域填充方式同样不适用于大型芯片,因为这种方式涂敷的材料很可能扩散得过于稀薄,并收缩回更为紧凑的形貌。涂层有时甚至会分裂为小碎块,很可能产生较大的空隙。

  其他涂敷方式也可能产生较大的空隙。涂敷采用了小范围填充以及十字型和X型涂敷相混合的方式。这种涂敷方式虽然保证部分组装件内部无空隙产生,但仍可能出现断裂,形成较大的空隙。另外,当单滴液体材料被涂敷在涂敷点中心附近时,材料将无法到达靠近边沿的凸点,进而造成其无法焊接,即使增加液体涂敷量,这种情况也难以改变。

贴片

  当芯片被置放在基板时,首先接触到靠近中心区域的密封剂。随着其进一步向下移动,芯片将对液体形成向外的挤压作用。随着液体流动,密封剂必然绕过或淹没焊膏凸点、印刷电路板迹线及其他特征区域,进而填充阻焊层开口。这一过程会产生并诱集气泡,在凸点后面,多少有些顺流的方向上表现尤为突出。

  芯片被置放在玻璃基片上,从基片底部进行观察。图片所呈现的颗粒状外观源于密封剂内部的固态微粒,其在高温下可溶解。图片显示,靠近中心凸点(以三角形排列)的气泡尺寸与凸点本身尺寸相当;通过与周边凸点的间距相比较,可以大体估算出气泡的尺寸,这里周边凸点间距为10密耳(0.254mm)。周边凸点附近也有相似的气泡,但它们已分离出来并沿边角(图中聚焦区以外的区域)上升;可以清楚地看到,一来自左下角凸点的气泡一半在芯片下,一半在外面。大部分分离的气泡均在其后面靠近各自凸点的地方留下了一个相对较小的气泡。上述情形在所有贴片过程中非常普遍,难以避免。但是,元件制造商可以通过尽量减小芯片和基板表面的不规则性来应对气泡的产生。

  密封材料一旦到达芯片边沿,势必将其润湿并沿芯片边沿攀升以形成圆角。在这一过程中,必须对芯片加以固定,以防止其在密封液上产生滑动。否则接下来就有芯片贴装在错误位置的危险。

  密封剂的粘性是决定芯片固定到位时间的主要因素。对密封液润湿芯片边沿过程的录像资料显示,密封液停止显然可见的运动的时间,从约0.1秒到超过1秒钟不等,取决于粘度不同的密封剂。

  贴片时不仅在贴装头后退之前必须将芯片固定一定的时间,还必须在这一时段里对芯片施加一定强度的压力,将密封剂挤出,迫使其充满芯片下的全部区域。特别对于独立的焊盘开口,为给凸点腾出空间,密封剂必须流过各个凸点和开口侧壁间的狭窄区域,尤其如此。即使这些独立的开口被替换成沟槽交错的迹线,密封剂可以更自由地流动,仍需对芯片施加相当强度的压力。这种压力的另一重要作用足可以将凸点下压至基板,将其压扁。这样可以使尽可能多的凸点在再流焊之前贴近焊盘,在采用非流动性密封剂时,这有利于避免电气开路的出现。在传统工艺的再流焊过程中,最先熔化并润湿其焊盘的部分凸点,因为没有底充胶阻止芯片塌陷作用,会由于表面张力产生足够强度的力将芯片下拉。这一过程将最终使得所有凸点与焊盘接触,保证了部件的电气连续性能。

  与传统过程相反,再流焊密封剂则阻止芯片向下运动。当密封剂形成聚合时,由于材料厚度明显增加,这一阻止作用变得更加显着。因此,必须有足够强度的贴装压力,才能克服密封剂阻力,保证尽量多的凸点与其相应的焊盘相接触。

  密封剂同时还阻碍了芯片的侧向运动,从而削弱再流焊过程中芯片的自对中作用。这进一步说明,在采用再流焊密封剂时,精确贴片非常重要。

  为保证部件获得优良电气连续性能所需的压力大小,随密封剂粘度的不同而变化,密封剂粘度越高,所需的压力越大。例如,采用目前粘度最高的密封剂,对于88个凸点的芯片,贴装压力为800克时,效果总是优良。而对两块这种芯片施加的压力减为500克时,芯片均出现开路现象。另一方面,贴装压力过大不仅有可能损坏芯片,也可能使基板弯曲,一旦待压力撤除时,基板可能出现反弹,造成表面上一定数量的凸点与焊盘脱离,甚至还可能引起芯片相对于基板的运动。

  再流焊

  再流焊是优化再流密封剂过程中最难控制的一步,这主要是因为很多过程同时发生并且可能在工艺需求上产生冲突。例如,再流焊过程中密封材料必须保持液态,以防阻碍焊点的生成和芯片的塌陷作用。同时,当电路板被送出再流焊炉时,密封剂必须实现相当程度(即便达不到完全)的固化。很多密封材料对再流温度曲线的变化非常敏感,当温度过快过高,甚至升温速率过高时,都可能造成开路。

  实验中所测试的密封材料需要采用传统的SMT温度曲线(见图3,标为“标准”的曲线)。这对于需同时处理其他表面贴装元件的过程很有帮助。另外,由于这些密封材料开始聚合相当“缓慢”,可以认为它们对再流焊温度曲线的敏感度最小。不过,它们在再流焊过后需要进行二次固化,一般为30至40分钟。

  另一个极端的情况是,一些密封材料与传统再流焊中的“浸渍保温”期不相兼容。相反,若将温度直接稳定升高至再流条件,并在相对较低的温度下保持几分钟,其反应的效果更佳。这一二次加热期,使得再流曲线看起来更像是传统SMT再流曲线的镜像(见图3“反向”曲线所示)。这些材料无需二次固化,事实上二次固化过程转移到了再流焊炉内进行。

  还有一类再流曲线,介于这两种极端情况之间,我们可称之为“中间”类型曲线。这种温度曲线的特点是保温期很短,甚至根本没有保温期(有时保温期温度低于常规保温温度)。其二次固化过程不在再流焊炉内部完成。其中有的需要不同时长的二次固化,有的则被设计为在再流过程中实现充分的固化。

  适合于后两种温度曲线的密封剂材料固化开始时间早,因此对再流温度曲线的敏感度更高。因此阻碍了图中凸点对其焊盘的润湿。从凸点的形貌可以看出,其他焊点此时已经塌陷,熔化的焊料被压向焊盘,正处于形成焊点的过程中。一薄层密封材料却将凸点与其焊盘隔离。采用此类密封剂时,焊点有时会呈现不规则的形貌(见图5),这是由于密封材料在焊料还处于液态时就产生凝固而造成的。

  采用无二次固化的密封材料,一大问题是再流焊过程中温度曲线对固化程度的影响。由于无二次固化过程,密封剂必须在组件被送出焊炉前,从芯片塌陷到组件冷却这段很短的时间间隔内完全固化,因此即使冷却速率发生很小的变化,也会对材料的固化程度产生相当影响。密封剂固化程度降低并不会在组件从焊炉出来时被发现,但由于未固化完全的密封剂强度降低,以后可能会引发组件的可靠性问题。相对于无二次固化的密封材料,需要进行二次固化的密封材料采用相同的再流温度曲线,对冷却速率的敏感度要小得多。

  再流焊过程可能使部分空隙消失,同时也可能产生新的空隙。当焊点塌陷时,密封材料被进一步挤出,这一过程将会带走周边凸点后部残存的气泡,这些气泡一旦进入焊角,便会升至密封液表面或溶解于其中。通常情况下,再流焊过程中产生的焊角没有空隙。而位于芯片下部或靠近中心凸点的气泡在焊点塌陷过程中则无法到达焊角。这些气泡消失的唯一途径,足溶解在液态密封材料中,据实验观察,气泡是溶解在置放在玻璃薄片间的密封液中的。最初的气泡尺寸越小,温度越高,气泡在密封液中的溶解效果越好;而密封液增厚将减缓其溶解过程,当密封液胶化或来自于基板的水分渗入气泡时,其溶解过程将终止。

  这种情况显示了需要采用传统再流温度曲线的密封剂的另一优势。在传统温度曲线下,在相对较高的温度下保温相当的时间,为气泡的溶解提供了理想的条件。最后需要提请注意的一点,必须确保基板的干燥,否则即使在再流焊过程前期组件的所有气泡都已溶解,仍可能形成新的空隙。

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