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21世纪的先进电路组装技术




关键词:
20世纪90年代是值得人们回忆的,无线通讯的兴旺、多媒体的出现和互连网的发展,使全球范围的信息量急剧增加,要求信息数据交换和输实现大容量化、高速化和数字化,从而促进了电子信息设备向着高性能、高度集成和高可靠性方向迅速发展,使电子信息产业迅速壮大和突飞猛进。支持这种发展进程和关键技术就是先进电路组装技术的发展和推广应用。先进电路组装技术是由先进IC封装和先进SMT相结合组成的电路组装技术。

先进IC封装技术近期发展和21世纪展望

  电子元器件是电子信息设备的细胞,板级电路组装技术是制造电子设备的基础。不同类型的电子元器件的出现总会导致板级电路组装技术的一场革命。60年代与集成电路兴起同时出现的通孔插装技术(THT),随着70年代后半期LSI的蓬勃发展,被80年代登场的第一代SMT所代替,以QFP为代表的周边端子型封装已成为当今主流封装;进入90年代,随着QFP的狭间距化,板级电路组装技术面临挑战,尽管开发了狭间距组装技术(FPT),但间距0.4mm以下的板级电路组装仍然有许多工艺面临解决。作为最理想的解决方案90年代前半期美国提出了第二代表面组装技术的IC封装一面阵列型封装(BGA),其近一步的小型封装是芯片尺寸的封装(CSP)是在廿世纪90年代未成为人们的关注的焦点,比如,组装实用化困难的400针以上的QFP封由组装容易的端子间距为1.0-1.5mm的PBGA和TBGA代替,实现了这类器件的成组再流。特别是在芯片和封装基板的连接上采用了倒装片连接技术,使数千针的PCBA在超级计算机、工作站中得到应用,叫做FCBGA,正在开始实用化。第三代表面组装技术直接芯片板级组装,但是由于受可靠性、成本和KGD等制约,仅在特殊领域应用,IC封装的进一步发展,99年底初露头角的晶片封装(WLP)面阵列凸起型FC到2014年期待成为对应半导体器件多针化和高性能化要求的第三代表面组装封装。

  IC封装一直落后于IC芯片本身固有的能力。我们希望裸芯片和封装的芯片之间的性能缝隙减小,这就促进了新的设计和新的封装技术的发展。在新的封装设计中,多芯片封装(CSP)包含了一个以上的芯片,相互堆积在彼此的顶部,通过线焊和倒装片设计(在倒装片上线焊,在线焊上倒装片,或在线焊上线焊)实现芯片间的互连,进一步减少了器件重量和所占空间)。

  由于尺寸和成本优势,晶片级CSP(Wafer-levelcap)将被进一步开发,这种技术是在晶片切割成小方块(芯片)之前,就在芯片上形成第一级互连和封装I/O端子,这不但缩短了制造周期,其I/O端子分为面阵列型和周边型(依据I/O端子的分布)两种类型;前者,EIAJ的端子间距0.8mm以下,外型尺寸为4mm-21mm的超小型封装作为标准,主要适用于逻辑和存贮器件,后者是SON和QFN等带周边端子的无引线小型化封袋,主要适用于存贮器和低档逻辑器件。自从90年代初CSP问世以来,提出了各种各样的结构形式,现在以面阵列型的FBGA是主流,第一代FBGA是塑料类型的面朝下型,第二代FBGA是载带类型的面朝下型,都采用了引线框架塑模块、封装,而新一代的FBGA是以晶体作载体进行传送,切割(划线)的最终组装工艺,即WLP方式,取代了以前封装采用的连接技术(线焊、TAB和倒装片焊),而是在划线分割前,采用半导体前工序的布线技术,使芯片衬垫与外部端子相连接,其后的焊料球连接和电气测试等都在晶片状态下完成,最后才迫行划线分割。显然用WLP方式制作的是实际芯片尺寸的FBGA,外形上与FC无区别。

  总之,PBGA、TBGA、FBGA、(CSP)和FC是当今IC封装的发展潮流。表1和表2分别示出了这些封装的发展动向。在21世纪的前15年,第三代表面组装封装将会迅速发展,围绕高密度组装,封装结构的多样化将是21世纪初IC封装最显著的特点。LSI芯片的叠层封装、环形封装:还有,将出现新的3D封装,光一电子学互连,光表面组装技术也会蓬勃发展。系统级芯片(SOC)和MCM的系统级封装(MCM/SIP)随着设计工具的改善,布线密度的提高,新基板材料的采用,以及经济的KGD供给的普及,将进一步得到开发和进入实用阶段。

无源封装

  随着工业和消费类电子产品市场对电子设备小型化、高性能、高可靠性、安全性和电磁兼容性的需求,对电子电路性能不断提出新的要求,从20世纪90年代以来,冶式元件进一步向小型化、多层化、大容量化、耐高压和高性能方向发展,同时随着SMT在所有电子设备中的推广应用,世界范围片式元件的使用量迅速增加,现在年消耗片式元件达到1兆只,无源元件对IC的比率一般大于20.由于需要如此大量的分立元件,所以分立元件支配最终PCB组件的尺寸;另外,片式无源元件用量的剧增使贴装工艺中的瓶颈经片式元件的贴装更难解决,导致生产线失去平衡,设备利用率下降,成本提高,同时片式元件供给时间占用生产线时间的30%,严重影响生产量的提高。解决这些问题的有效办法就是。实现无源元件的集成。

集成无源元件有以下几种封装形式:

阵列:将许多一种类型的无源元件集成在一起,以面阵列端子形式封装;

网络:将许多混合电阻和电容集成在一起,以周边端子形式封装;

混合:将一些无源元件和有源器件混合集成进行封装;

嵌入:将无源元件嵌入集成在PCB或其它基板中;

集成混合:所集成的无源元件封装在QFP或TSOP格式中。

  这些无源封装的推广应用,可以有效地解决贴装:瓶颈,改善SMT生产线平衡,降低成本,提高产量,提高组装密度。

先进板级电路组装工艺技术的发展

  电路组装技术的发展在很大程度上受组装工艺的制约同,如果没有先进组装工艺,先进封装难以推广应用,所以先进封装的出现,必然会对组装工艺提出新的要求。一般来说,BGA、CSP和MCM完全能采用标准的表面组装设备工艺进行组装,只是由于封袋端子面阵列小型化而对组装工艺提出了更严格的要求,从而促进了SMT组装设备和工艺的发展。

1. 漏板设计和印刷

  在先进组装技术中,焊膏是广泛采用的主要焊接材料,焊膏沉积采用漏板印刷技术。在漏板印刷工艺中,刮板叶片将焊膏推入漏板开孔转移到电路板上,影响焊膏印刷性能的四个因素是:(1)漏板开孔尺寸,决定了印刷膏的量;(2)焊膏脱模,在特定焊膏情况下,开孔壁和几何形状和光洁度影响焊膏脱模;(3)开孔的纵横比和面积比,开孔的宽度和长度之比,开口面积和开孔壁面积之比;通常设计规则是纵横31.5,面积0.66;但是对于光滑的锥形开孔壁,这两个比分别为1和0.44就能获得良好的焊膏脱模。在设计漏板厚度时,这个两个比率就是重要的设计规则。当开孔长度大于其宽度的5倍时,纵横比是主要设计规则(QFP时),当开孔长度等于宽度时,面积比是更精确的设计规则(采用球栅阵列焊盘时)。(4)焊膏印刷精度,当在电路板上印刷焊膏时,电路板上的焊盘图形和漏板上的开孔在尺寸和位置上必须完全相符,漏印的焊膏立方块必须无变形。 BGA、CSP和FCOB的板级组装极用共晶焊料合金,BGA采用普通SMT用焊膏就可以满足要求,但对于CSP和FCOB I/O端子比通SMT封装提供的焊接面积小,所以要求漏板开口更小,必须采用小于40um,颗粒尺寸的精细焊膏。它们的漏板设计和制造要求与窄间距器件一样严格.BGA、CSP和倒装片组装的漏板一般要求采用激光或电铸成型工艺,而后进行电抛光,虽然制造成本高,但一致性超过化学蚀刻漏板;有时还要求渡镍,并采用锥形开孔,以便提高孔壁光洁度,有利于焊膏脱模,漏板开口尺寸,一般比电路板上的焊盘尺寸略小为宜,开口以略微增加印刷的焊膏量。  

  漏板厚度是漏板设计的主要指标,对于BGA要求采用的漏板厚度为0.13-0.15mm,CSP用的漏板厚度是0.10-0.13mm。由于漏板较薄,印刷时要防止从开孔中掏出焊膏。组装BGA和CSP时,通常都按1对1的比例印刷;但对于CSP,实际印刷要比凸起尺寸大0.05-0.076mm,使再流焊后器件支撑高度略高些,以提高热适应性,并可继续选用三类焊料粉末。对于采用0.3mm直径凸起的CSP推荐采用0.3-0.6mmr 矩形开孔。0.36mm的开口是采用三类焊料粉末最小可能的开口尺寸,以便进行一致性和重复性好的印刷。如果印刷0.25mm的矩形或圆形开孔将要求采用IV 类焊料粉末。

  为了适应电子产品的轻薄小型化、高密度、多功能和高可靠性的要求,混合组装技术仍然是21世纪初电路组装发展的趋势之一。不仅通孔器件和SMD混合组装,而且随着以倒装片为核心的直接能组装技术的推广应用,将会出现通孔元器件、SMD或倒装片在同一电路板上的组装,这就是对漏板设计和印刷提出了新的挑战。有不同的组装工艺完成混合电路组件的组装,其中采用再流焊接技术是比较理想的工艺方法,以便充分发挥SMT生产线的作用,降低成本,提高生产率,有几种漏板设计和印刷方法可供选择,其中比较理想的是双漏板印刷。

  先进的封装对焊膏的印刷精度要求比普通SMT更加严格,所以应该采用视觉系统的高精度印刷机完成焊膏的印刷作业。这类印刷也有高档和中档之别,要根据用户的需要和可能选购。印刷作业开始,首先要完成漏板和电路板的对准,借助视觉系统可以很方便地实现漏板开孔和电路板上焊盘图形的精确对准。高级对准系统具有全集成图像识别处理功能,可以实现快速而准确的图像对准,确保高质量的焊膏印刷和高和生产效率。印刷和第二个问题是根据电路板类型、刮板类型和所用焊膏设定印刷高度、刮板压力和角度、印刷还度等印刷参数;另外环境温度和相对湿度也是重要的印刷参数;先进封装对印刷参数偏差要求严格,必须借助印刷机的计算机控制系统进行准确而严格控制。更高档的印刷机上还装有2D和3D激光检测系统,检查印刷质量,满足了先进封装对印刷精度的要求。

2. 贴装技术

  尽管阵列封装显著地使用贴装位置规范限制加宽,但是由于这类封装的I/O端子在封装体下面呈阵列分布,所以精确贴装这类器件最先决条件是检查焊料球的存在与否和间距,检查焊料球形状态。这就要求贴片机的视觉系统能根据球的形状质量因数和建立焊料球畸变认可等级实现这种功能。。二维宽度和形状质量因素测试是检查整个球体积和畸变的可靠方法,所以,贴装机的视觉系统应具有合适和分辨率,以便搜集和形成最佳影响;为此就必须采用合适的外部照明和远心焦兰光学系统,并通过大深度聚焦提供恒定放大倍数,以便确定球的存在和精确尺寸;采用LED(发光二极管)提供最佳照明条件,特别需要轮廓对中的背照明和合理选用明视场和前照明,前照明应采用三个可编程光源给每封装形式提供特殊的理想照明,以便在焊球结构和背影环境之间形成适当反差,提供精确对中的光学条件。视场应适合观察物的特微和位误差要求,以便能确定良好的、有缺陷的损坏的焊料球之间的差别。处理全部先进封装的高性能贴装机必须拥有两台元器件摄像机(一台标准型和一台倒装片用摄像机)。BGA器件的精确定可以根据每个角落的5个球发现球栅的整体位置和取向,并根据BGA树检索算法和采用模板比较算法确定的位置;然后借助于灰度级机器视觉系统和计算机控制最后实现BGA的精确对准和贴装。另外还可以在PCB上设置器件局部基准标记,以便提高贴装精度。BGA的贴装误差主要来自接触表面的非共面性,所以在贴装操作期间必须建立和维持接触表面的共面性,采用自动准直仪,使贴装机的运动保持共面性。

  CSP虽然是更加小型化的封装,但比BGA更平,所以更容易进行精确贴装。与BGA一样可采用上述方法检查球的存在与否,间距和变形状态,但无需采用灰度级视觉系统,仅需采用二进制摄像机就可以进行观察和对准,所以可以比贴装QFP和BGA更高的速度贴装CSP。

  先进封装技术的推广应用,要求贴装机能适应IC芯片的精度要求,特别是倒装倒片贴装,可重复精度小于4um,采用高稳定高分辩率的定位系统,视觉系统能检查0.10-0.127mm的焊盘和0.05mm的高的凸起,所以倒装片视觉系统必须拥有不同的光源设施和比标准摄像机的分辨率很高的摄像机,高精度进行凸起的识别和对准。贴装机还应具有一定的喂料器公司(适合不同的喂料方式)和贴装工具更换能力,另外还应装备焊剂涂敷工具,满足倒装片贴装的要求。

  先进封装的推广应用和混合技术的发展,要求组建柔性SMT生产线。根据电子产品的需求选择不同类型的贴装机和其它组装设备,组成柔性生产线,有条件时更应升级为CIMS,这样才能不断满足知识经济时采对各类电子设备电路组件的需求。

3. 焊接技术

  先进IC封装的实用化,板级电路组装密度的不断提高,双面组装和混合组装PCB组件的使用,对再流焊接技术提出了新的要求,容易设定焊接工艺参数,使用方便,炉内温度分布均匀,工艺参数可重复性好,适用于BGA等先进IC封装的料接,适应用不同的基板材料,可充氮,适于双面SMT的焊接和贴装胶固化,适合与高速贴装机组线,能实现微机控制等。能满足这些要求的再流焊接技术主要是热空气循环加远红外,加热的再流炉和全热气循环加热的再流炉。

  全热风再流炉的显著特点是采用了多喷嘴加热组件,加热元件封闭在组件内,避免了加热元器件和PCB组件的不良影响,用鼓风机将被加热的气体从多喷嘴系统喷入炉腔,确保了工作区宽度范围温度均匀,能分别控制顶面积和底面积的热气流量和温度,实现双面再流焊。其主要问题是循环风速的控制和焊剂烟尘向基板的附着,还有,由于空气是热的不良导体,热传导性差,所以热空气循环再流炉中需要大量的循环热空气,这对复杂组件的焊接质量无疑有影响。

  热风循环加远红外加热的再流炉中,电磁波不仅能有效激活焊剂活性,而且能使循环空气中的焊剂树脂成份很分解,有效地防止了焊剂向机构部件和连接器内部的附差;热空气循环提高了炉内均匀性,与全热风循环相比风速易控制,器件位置会偏移,这种炉子在与标准再流炉长度相同的情况下增加了加热区,各区温度可分别控制,易于获得适合BGA和CSP焊接要求的加热曲线,炉内温度均匀,不会发生过热,可采用氮气保护,可设置下加热体,满足了多层基板对热量的要求,确保优良的焊接质量。

  显然,上述两种再流焊接技术将用于不同的应用领域,所以对流加热为主的再流焊接技术将成为21世纪初期板级电路组装焊接技术的主流。

4. 绿色组装

  保护人类生存的环境越来越受到各国政府的重视,现在在世界范围内取缔臭氧层破坏物质,减少易发挥有机化合物和在焊料中取消铅的活动在深入人心地开展着,各种废水处量总是也深受各方面的关注。在21世纪,环境问题将会成为全人类关注的焦点。在信息产业领域免洗焊接和无铅焊料的研究开发和推广应用,在21世纪初将会有所突破和全面推广应用。

  现在免洗焊技术已经全面进入实用阶段,多种类型的免洗焊剂和焊膏已经广泛采用。免洗焊接技术包括两方面的内容,一方面是采用低固定成份的免洗焊剂,另一方面是采用惰性气体保护的免洗焊接设备,只有这两方面相结合,也就时免洗焊剂(或焊膏),免洗焊接工艺和设备相结合才能实现真正的焊后免洗。现在免洗焊剂和焊膏已在消费类和某些工业类电子设备制造领域推广应用,但是免洗焊接设备,由于结构复杂,价格昂贵,使用中氮气等惰性气体消耗成本高,尚未进入实用阶段,虽然在市场上有这类销售,但仍有待进一步研究开发,降低成本,逐步推广应用。

  经过多年的研究开发,无铅焊料的推广应用已经提到议事日程上来了,在21世纪前10年有可能在全世界得到普及。日本要求在2001年在消费类电子设备使用无铅焊料,欧美也将在2004年在消费类电子设备中使用无铅焊料。现在研究开发的无铅焊料的熔点高达2200C左右,这将需要提高焊接温度,这涉及到PCB和元器件对高温的承受能力。最近研究成功的适合于SMT应用的无铅焊料合金是Sn/Ag/Cu/Bi,最佳组成是99.3Sn/0.5Ag/3.1Cu/3.1Bi,熔化温度为209-2120C,润湿特性完全适合SMT的应用,强度高于二元合金。无铅焊料实用化的关键是研究熔化温度更低的无铅焊料和改进现在焊接设备使之适用于无铅焊接。完全可以预料,在21世纪前10年,无铅焊接技术将进入全面实用化阶段,使人类生存环境得到进一步改善。

结束语

  21世纪先进电路组装技术将向着高密度、高精细、高柔性、高可靠性和多样化方向发展。通孔插装技术会继续用于某些电子设备的板极电路组装中,特别是在发展中国家,它仍然是21世纪头十年板级电路组装技术的基础;在发达国家,通孔插装的应用领域会进一步缩小,而在混合组装中通孔再流技术将被推广应用,第二代SMT将在板级电路组装中占支配位,第三代SMT将日渐完善并逐步推广应用。先进电路组装技术继续向纵深发展,将使第三次电路组装革命高潮迭起,推动电子住处产业进入一个崭新的时代。

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