贴片工艺常见问题及解决措施

起步70 快速发展80 稳定发展90

应用：芯片级封装(CSP)器件的焊球贴装

芯片级封装(CSP)已成为面阵列封装设计的主要方式，利用其小巧的面积和格栅阵列技术能够做出更小、更快、更便宜的元器件，用于存储器、电信及多媒体等多种应用中。但CSP技术的出现却给后端工艺带来了新的难题，制造商们必须要仔细考虑工艺流程的参数，才能使做出的产品在成品率和可靠性等方面满足应用的要求。

目前市面上的CSP器件类型数以百计，其中Tessera公司设计的μBGA已逐渐成为市场主流之一，已有多家集成电路制造商和组装厂商获得该项设计的使用许可。μBGA封装结构设计灵活，可避免裸硅片与印制电路板(PWB)间因热膨胀不匹配而带来可靠性问题，其小巧、轻便、薄型封装设计非常适用于便携式产品和其它空间狭小的应用中。

然而使这类设计取得成功的因素对制造来说却是一种挑战。CSP技术的出现给后端工艺带来了新的难题，同时由于终端产品市场固有的成本驱动特性，它还增加了制造商在产量和产能上的压力，这些难题与压力促进了高速高成品率自动化焊球贴装工艺需求的增长。

组装工艺

1999年意大利一家独立的半导体存储器装配和测试机构EEMS在自己的工厂着手开始组装CSP，装配的产品采用Tessera的μBGA封装，组装时对焊球贴装工艺各方面进行了重点考察，包括焊盘形状、基板载带、焊球贴放、助焊剂涂敷以及裸片的运送等。为了解决生产难题，EEMS委托美国Robotic Vision Systems 公司的Vanguard事业部安装了一条完整的焊球贴装线，其中包括V Ai 6300自动焊球贴放系统、回流焊炉、回流焊后的清洗机和材料运送设备(图1)。

图1

（1）独特的焊盘形状

EEMS的μBGA焊盘形状给焊球贴装带来了很多难题，它的焊盘在基板载带表面下方凹入0.069mm(图2)，这样在用标准感光剂丝网进行焊锡助焊剂印刷时，很难控制助焊剂的用量和避免助焊剂桥接。凹入的焊盘再加上焊盘直径特别小(0.33mm)，使得对焊球贴放的准确度要求远远高于标准应用。普通焊盘设计允许贴放位置出现偏差，因为轻微偏离的焊球在焊锡回焊时能自行对中到焊盘上；而对于EEMS封装来说，位置偏移的焊球不会与焊盘或助焊剂接触，它错过了焊盘所在的小“口袋”，因此无法利用焊球、助焊剂和焊盘之间的附着力特性，结果这个焊盘将漏掉焊球，最终产生不完全回流焊而少一个I/O连接。

图2

（2）载带式基板

采用载带设计的引脚框组件需对焊球贴装工艺有一些独特的考虑。封装排列在载带基板上，载带基板本身又固定在引脚框上，由于基板载带具有柔韧性，因此最好是在载带上安排一些孔以便于机械对位。但在EEMS应用中这却无法做到，所以将孔留在引脚框上是组装定位的唯一可选方法。组装过程中基板载带可能会伸长，使得引脚框和载带基板之间误差产生累积，从而增加了对助焊剂涂敷和焊球贴放工艺精度的要求。由于焊球贴放系统依靠引脚框来进行定位，所以这些工艺必须保持很高的精度以克服因载带弯曲而可能产生的焊盘位置偏移。

除了前面提到的焊盘形状问题之外，由于在引脚框上固定基板载带的安装带位于焊盘表面上方，所以传统的助焊剂丝印方法也有困难，刮刀将与安装带而不是焊盘接触，导致助焊剂用量不均匀。

裸芯片运送

Tessera的μBGA封装采用的是裸芯片，没有用密封剂或模塑保护，如果不仔细运送或固定元件很容易损坏。为了将这种损坏的风险降到最低，材料的运送在焊球贴装线每个阶段都很重要。

2.4集成解决方案

对封装最初的分析表明，需要一个助焊剂涂敷和焊球贴放都有很高精度的高产量解决方案，为了得到可靠的高成品率焊球贴装，整个生产线必须考虑封装对每一步工艺的要求。通过客户和供应商工程力量的共同协作来满足这些要求，研究重点主要是助焊剂涂敷、焊球贴放、定位夹具以及元件运送等几个方面。

助焊剂涂敷

由于安装载带和焊盘形状的原因而无法使用感光剂丝印来涂覆助焊剂，因此这里选用了一种刚性助焊剂漏板(RFS)技术，该技术可以使V Ai 6300焊球贴放系统为焊球贴装所需的细间距助焊剂涂敷提供一个更加精确均匀的方法。对于这里的应用来说，RFS主要解决封装位置精确一致、避免助焊剂桥接、助焊剂一致性以及基板上有安装载带时的助焊剂处理能力等几个方面。

RFS用铝合金制造以延长使用寿命，它有一个与封装焊盘形状一样的I/O图案，每个焊盘的孔径和位置都非常精确。该工艺可以使金属漏印板满足助焊剂在位置

和数量控制方面的要求，助焊剂涂敷精度可达0.051mm，数量偏差为±5%。

另外在RFS下方还固定有定位销钉用来对引脚框组件定位，这样可以减少定位中的误差累积，确保助焊剂涂敷时每个封装的位置精确一致。Capton安装载带会阻碍丝印助焊剂，此时可在RFS下方做一些释放装置以适用于升高后的载带。为适应EEMS封装的特殊要求，RFS每个I/O孔周围都加工有“环形”圈，以消除封装中凹陷型焊盘可能存在的助焊剂桥接风险。另外RFS内置的间隙高度可使助焊剂尽可能靠近焊盘表面进行印刷，进一步提高助焊剂数量和涂敷的精度。焊球放置

与助焊剂涂敷需要很高精度一样的道理，焊球贴放也需要同样的精度。因此，RVSI也将其最新开发的技术配备在焊球贴放系统上，这里是用在钻孔焊球掩膜(DBM)中。和RFS一样，DBM也是由铝合金制成并具有与封装匹配的I/O图形，为焊球的精确贴放提供保证。RFS和DBM都有固定在焊球面对引脚框进行定位的定位销，这样更换工具时无需再作调整，减少转换时间。DBM的刚性很大，所以用真空或空气在吸住松开焊球时它不会弯曲，确保焊球贴放的精确度和重复性达到最高。另外DBM具有平滑的表面，可以避免焊球粘附在掩膜中间，提高成品率和设备运行时间。总的说来，实验表明DBM的焊球贴放精度能达到42μm，可很好地控制在工艺误差范围之内。

定位夹具

由于载带基板具有一定挠性，因此定位夹具准确重复地对每一个封装进行定位至关重要。为了实现准确的助焊剂涂覆和焊球贴放，加工过程中载带表面的共面度应保持在0.051mm范围内。可使用配备专用真空孔(每个裸片对应一个)的硬不锈钢插入板，这些独立的真空孔确保在整个面上支撑引脚框组件，使助焊剂涂敷和焊球贴放操作都在一个平面上进行。可收缩定位销预先将封装组件对准，使引脚框位置一致且重复性高，同时将表面共面度维持在0.051mm范围内，保证了V Ai 6300助焊剂涂敷和焊球贴放操作所需的准确度。

元件传输

为了防止封装中极易损坏的裸片受到损伤，在整个焊球贴放系统和材料输送设备中都使用边缘传送带。这种传送带仅与引脚框组件的边缘相接触，不会碰到芯片，但是回流焊炉和清洗机却都是用不锈钢网传送带，可能会导致部件损坏。为了避免这种危险，V Ai 180使用一种传输线导引器将引脚框组件从焊球贴放设备移到回流焊炉的传送网上。导引器在五种流程中选择一个，将引脚框组件从V Ai 6300送到选中的回流焊炉传送带上，并使传送网的速度与组件移到回流焊炉的速度相同，完成无缝无碰撞传输，避免了传送网与裸芯片之间发生有害碰撞的可能性。结论

2000年5月，焊球贴装线已被整合到生产线中并进入全面生产阶段，转包商可用它来向客户提供当今先进CSP的最新组装产品。EEMS使用的μBGA焊球贴放工艺成品率超过99.9%，虽然该工艺对助焊剂涂敷、焊球贴放、定位夹具和材料输送带来了许多难题，但在客户和供应商之间的共同努力下已经找到了解决的办法，最终得到超出客户期望同时也使制造能力增强的工艺方法。

柔性印制板是印制板制造的新领域，简称FPC具有广泛的适应性。

细间距器件对工艺要求很严格，贴装器件所要求的精度比引线间隙小一个数量级，这就是所谓的“10:1”规律，如贴装0.635mm引线间隙器件的系统应具有0.0635mm的定位精度。

贴片机常见缺陷及防止措施

5.1抛料

（1）吸嘴问题。吸嘴变形，堵塞，局部破坏造成气压不足，漏气，取料不起、不正，识别通不过

（2）识别问题。识别视觉不良，视觉或雷射镜头不清洁，有杂物干扰识别，或识别光源选择不当和强度灰度不够

（3）位置问题。取料不在料的中心位置，取料高度不正确（一般为碰到零件后下压0.05mm）而造成偏位，取料不正，有偏移，识别时和对应的数据参数不符而被识别系统当作无效料抛弃

（4）气压不足。真空管通道不顺畅或局部漏气

（5）程序问题。元件参数设置不对，和来料实物尺寸，亮度等参数不符造成识别通不过

（6）来料问题。来料不规则，引脚氧化

（7）供料器问题。位置变形，进料不良（供料器棘齿轮损坏，料带没有卡在供料器的棘齿轮上，供料器下方有异物，弹簧老化或电气不良），造成取料不到。

MSHG3运动的优化算法

1、上料器位置的确定

上料器的排放位置是影响贴装时间的一个重要因素。对于一个给定的元件放置顺序，不合理的上料器安排会出现真空吸嘴一直停留在吸取位置等待下一个上料器的到来。本文提供了两种解决方法：

方法一：元件按Head Speed的大小将上料器在上料器平台上按降序排列，然后在对那些具有相同Head Speed的元件，按其在板上出现频率的高低进行降序排列，这样就得到了初始化的上料器排列方法。

方法二：

a.按照离坐标原点最近以及Head Speed最大的原则，确定放置于上料器平台第一位置的元件。

b.然后对该种元件运用最短路径方法来寻找放置的路径；

c.在第一个上料器中的元件被放置完毕之后，在剩余元件中寻找与第一位置上料器中最后放置的元件相临最近的，并将该种元件设定放置于上料器平台的第二位

置上，按步骤①方法安排该种元件的贴装顺序；

d.依次执行直至所有元件被放置完毕。

2、最短路径问题

在上料器的位置确定后，假设忽略上料器切换与进给时间对贴装时间的影响，我们要考虑的主要因素就成了如何尽量减少X-Y工作台运动时间的问题，即寻求最短路径，使得其能遍历所有的元件而运动的总距离最短。数学描述如下：

假设{1，2，3…，i…，n}为一系列要遍历的点，其坐标位置分别为{（X1，Y1），（X2，Y2），…，(X1，Y1)，…，（X n，Y n）}，我们的目标是寻求一个序列{（i1，i2，…，in）}使得：

每个点在序列中仅出现一次；

满足ikik-1（1≤k≤n）两点间距离最小。

这个问题实质上就是一个旅行商问题，只是不需要再回到起始位置。下面介绍一种算法：

确定初始出发位置：

在所有还没有放置到PCB上的元件中，寻找一个距离上一个放置元件最近的元件，以此作为下一个要放置的元件，同时将此元件从未放置元件序列中除动；重复步骤2)直至所有元件都被放置完毕。

以上给出的仅仅是理论方法，而且其研究对象仅限于X-Y工作台的运动，没有考虑Head Speed以及上料器切换对于巾装时间的影响。根据机器运动状态，作都对该理论模型进行补充，并给出2种在实践上具有一定可行性的优化方法。3、优化算法介绍

优化算法一：单一料器最短路径法

在这种方法中，仅考虑对一个上料器在的元件来寻求最短的路径。基本思路是上料器路的位置按上料器位置确定的方法一排列完毕之后，首先从第一个上料器中寻找与坐标原点距离最近的元件作为第一个要贴放的元件，然后从第一个上料器开始，依次对每一个上料器运用前的最短路径方法来寻找防置的路径。在第一个上料器中的元件被放置完毕之后，下一个元件将从第二个上料器中拾取，并且此元件应该是与第一个上料器中最后放置的元件距离最短的，依次执行直至所有元件被放置完毕。其算法流程如图1所示。

按方法一编写优化程序比较容易实现，软件维护也比较简单，但缺点是未充分考虑到上料器切换和X-Y工作台对贴装速度的影响，为此，笔者在其基础上又设计了优化算法二，其内容如下：

优化算法二：综合法

放置元件的顺序首先按Head Speed来决定，即最先放置Head Speed为0.14s/片的元件，然后按降序依次放置；

按照离坐标原点最近的原则，确定放置于上料器平台第一位置的元件。

然后对该种元件运用最短路径方法来寻找放置的路径；

4)在第一个上料器中的元件被放置完毕之后，在剩余元件中寻找与第一位置上料器中最后放置的元件相临最近的，并该种元件设定放置于上料器平台的第二位置上，按步骤①方法安排该种元件的贴装顺序；

5)依次执行直至Head Speed为0.14s/片的所有元件放置完毕；

6)从Head Speed 为0.18s/片的所有元件中寻找一个与上一个贴装元件距离最短的作为下一个将要贴装的元件，并将该种元件上料器的位置放在上一元件之后；

7)重复3)、4)、5)、6)直至所有元件的被放置完毕。

方法二是对方法一的全面改进，它充分考虑到了供料器切换和X-Y工作台对贴装速度的影响，笔者分别按方法一和方法二设计了两种优化程序，经测试比较按方法二设计的优化程序其优化效率比方法一要高出5%-10%。其算法流程如图2所示。

通过定义“元件系数”，可以确定贴装各类元件的最适用的工作台速度方式。元件系数等于质

量×高度/端子焊盘面积（图2）。

不同的焊膏粘度，元件系数对应的工作台速度方式稍有不同（图3）。不过，不同类型焊膏对应的曲线还是极相似的。因此，使用粘度和元件系数可以确定每种元件的工作台速度方式（图4）。表1所列是测试的元件类型和汇编结果的例子。这些元件都是电子组装业最常用的元件，占贴片元件总数的95%以上。