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無引線芯片尺寸封裝的組裝與可靠性問題
2010-03-30
K.Srihari博士、Michael Meilunas等  本文重點論述了在0.062蔭廙漲L製電路板(PCB)上使用無鉛焊膏組裝0.5mm間距的無引線芯片級封裝(CSP)及其可靠性。研究了四種不同的無引線CSP設計,並採用多種PCB焊盤連接設計對每種CSP設計進行了評估。 通過使用模板在PCB焊盤上印刷焊膏、採用高速貼裝機貼裝元件、使用強制對流爐進行再流焊接,從而完成組裝。在貼裝過程中遇到一些視覺檢測方面的問題,因此,在貼裝某些無引線封裝時需要一種“視頻機”。 組裝後的品質鑒定包括電子測量、視覺檢測、X射線檢測和抽樣橫剖面來檢查二級焊點的互連。組裝件均須在 0-100℃空氣對空氣下承受長達20分鐘的溫度循環。據發現,至失效的週期(CTF)數據對焊膏印刷工藝的優化最為敏感,可能對板焊盤尺寸也很敏感。

 

 

 

前言 


  無引線CSP是一種引線框架封裝,這種封裝的特點是組裝的高度低(見圖1所示),其可能比傳統的CSP的高度低50%。無引線封裝的重量更輕,而且價格相當低廉。這類封裝是消費類電子產品、個人通信和數字通訊設備理想的選擇應用對象。由於引線框架封裝的引腳短,因此,電感和電容低,所以,也是RF的首選應用對象[8,9]。

 

  

 

圖1.無引線芯片紀封裝

 


  據預測,無引線封裝的使用有上升的跡象,2004年其使用量達到18億之多[8,9],在不遠的將來,這類器件有望替代QFP、SOIC和SOT類型封裝[8,9]。

 


  無引線CSP要求通過沉積焊膏或導電膠來建立二級互連。然而,通常CSP的塗層含有SnPb,這還不是關鍵因素,可以用有機焊料保護(OSP)塗層或者是Ni/Au結構材料來替代,這樣,就能順利地向無鉛組裝轉換。顯而易見,電子組裝業理所當然要關注一些隻含有SnPb焊料球的元件和其他僅使用無鉛的元件的必然過渡時期。對於沒有施用焊料的元件,顯然,是讓組裝廠家來選擇焊膏合金成分。本文中所討論的三種封裝都塗覆有SnPb塗層,而有一種封裝則是採用了樹脂焊料球。

 


  無引線CSP由於其結構都較小的緣故,這類元件具有耐潮濕和抗翹曲的性能。大多數都採用了周邊焊盤陣列的佈局,位於硅芯片下面的芯片焊盤裸露在外(見圖1所示)。可將芯片焊盤直接焊接到PCB上,以提高散熱性和電氣接地(見圖2所示)。通過使用PCB熱焊盤至接地平面的散熱通孔可以進一步改善實際傳熱效率。

 

 

圖2.通過芯片焊盤增加熱量

 

 


  當然,人們最為關注的是組裝的可靠性。因為脫膏高度太低,焊點中熱失配誘導的應力要比植球器件或有引線器件的應力大得多。而各公司和行業協會對這個問題已進行了研究[13],目前,對於無引線CSP組裝的可靠性基本上沒有什麼報導。

 


  當前工作就是實施無鉛組裝和組裝後四種有代表性無引線CSP的可靠性。

 


組裝材料


  在本文中對四種不同的封裝進行了研究,所有的方形或近似方形封裝的I/O數為40-48,間距為0.5mm。其中三種器件(A、B、C)是四邊有端子的1/4蔚妐芊A而第四種封裝(D)是0.43長兩邊有端子的封裝。

 

         經評估,這四種封裝的結構類似相同。不過,這些封裝的芯片尺寸和芯片焊盤是不同的,見表1所列。

 

  


  使用類型3免清洗95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu焊膏,將所有的元件焊接到厚度為62mil、高Tg FR-4印製電路板的浸Ag鍍銅焊盤上。

 

 
組裝


模板印刷


  使用250mm金屬刮板以60。角度在5mil厚的激光切割的模板上印刷焊膏。每次印刷後,使用光學顯微鏡進行視覺檢測,對印刷質量進行評估。每種封裝採用四種不同的開口設計。傳遞效率隨裸露的PCB表面積和流行的開口側壁之間的比率而變化,這是很正常的。在一些情況下,可以觀察到大量的堵塞,顯然,四種設計中的其中三種就存在這樣的問題,為此,對焊膏印刷不足的封裝A進行了研究。正如我們在下文中所獲知的那樣,其結果很明顯,不僅會出現開路的風險,而且還存在組裝可靠性的問題。

 

 
  對於封裝A和B底部的PCB上的熱焊盤(thermal pad)考慮採用兩種不同的設計(見圖4):一種設計是採用有25個散熱通孔(thermal vias),另一種設計為分別有四個隔離的熱焊盤。理想的做法是:將芯片焊盤焊接到這些焊盤上,同時不會出現明顯的孔洞,不過,完全消除孔洞這是不可能的,因為有散熱通孔和/或大尺寸的熱焊盤(thermal pad)[14]。此外,在再流焊接過程中的排氣可能會導致焊料起球,特別是在焊膏覆蓋率較大時。Amkor公司建議使用多個小的模板開孔,而不是用於在熱焊盤(thermal pad)上進行印刷的一個大的開口 [14]。然而,在這項工作中,我們應用了簡單的圖形佈局,見圖3所示。這樣確實會使散熱通孔填充不足,正像圖5中的X射線圖像和圖6中的橫剖面圖所示那樣,不過,這些具體的實例說明,其對熱循環結果影響不大或者是沒有影響。

 

 

裸露的焊盤開口

圖3 裸露的芯片焊盤的模板開孔[4] 

 

 

 

 


元件貼裝


  使用一台具有四個軸的柔性貼裝頭的通用表面貼裝(GSM)機貼裝元件。通過矩陣盤將元件提供給GSM,貼裝時使用150gram貼裝力度。 

  


  在貼裝元件過程中遇到了視覺對位的問題。這是因為許多無引線封裝的焊盤特征和封裝背景之間的對比度差[11]。這樣就降低了視覺系統區別元件特征之間的能力。此外,一些無引線封裝使用非功能性角焊盤,以45。角定向[10]。視覺系統會錯誤地將這些非功能性焊盤作為“pin 1”拾取[10]。無引線封裝還會利用異形角焊盤,貼裝設備是識別不出這種角焊盤的幾何形狀(見圖7所示)[10,11]。

 

 

 

 

圖7. 異形角焊盤的無引線CSP

 


再流焊接


  前面的研究[6,12]採用了不同的無鉛焊膏顯示出在自然氣氛下再流焊接後組裝的脫膏高度要比在氮氣氛下再流焊接後的脫膏高度高,反映出前者焊料沒有完全塌落。此外,在自然氣氛下再流會產生很多焊料球,而在氮氣氛下的再流焊接則消除了這種影響(見圖8)。

 

 

   

   

   圖8. 異形角焊盤的無引線CSP

 


  在本文的研究中,在氮氣氛下再流的組裝件,是在10個溫區的強制對流爐中使用的氧低於50ppm。峰值再流溫度相當高,達到250℃,反應出在批量再流焊接中的這些元件採用的溫度與其他大量元件的溫度類似相同。在液相線以上的時間為54秒。 

 


組裝後檢測


焊接孔洞


  產生孔洞對於面陣列組裝是否會帶來影響,應視情況而定,不過,對於本文的情況卻是關鍵的。通常,無引線封裝很容易產生焊料球,確實在所有的封裝中都觀察到了很明顯的孔洞。然而,特別是能夠觀察到封裝D組裝中的大規模的孔洞。圖9所示是一些主要焊點的橫剖面正視圖和側視圖,圖10所示是封裝D組裝的焊點X射線 。  

 

 

  

 

圖10 封裝D的X射線圖[1]

 

 


  一般來說,無引線封裝組裝中的焊接孔洞是幾種因素綜合的結果[1,2,4,5,6,12]:


脫膏高度低,這樣就不能夠使氣孔從開口表面逃逸出去,而是截留在焊點中;


引線塗覆層可能會出現排氣,從而形成孔洞;


 

‧端子的形狀。對不同的封裝進行非等量的焊點橫剖面,對焊點和焊接孔洞的面積進行測量。表2所列是每種封裝的平均焊點面積、最大的孔洞面積和平均孔洞面積。

 

 

 


  其中三種封裝的焊點面積基本相同,封裝C的焊點要大得多,脫膏高度也最大。觀察到的最大孔洞面積隨這四個封裝的脫膏高度的降低而系統地(systema-tically)提高。就孔洞的平均尺寸而言,其可能帶來的影響不是特別明顯,不過,最大的脫膏高度(封裝C)產生的孔洞顯然要小得多。焊料量對孔洞的形狀和百分比會有明顯的影響,這種現象是很正常的。圖11所示是焊點的橫剖面圖,可觀察到印刷到封裝A區域的焊料量不足。

 

 

 

 

圖11 封裝A的橫剖面圖[5]脫膏高度測量和橫剖面分析

 

 


  圖12所示是封裝B的橫剖面圖。所有組裝件的橫剖面顯示出潤濕良好,經評估,脫膏高度通常在2.0-2.5 mil。此外,還發現在這些組裝件中腳趾部位的填角焊縫良好(參見圖13)。

 

 

 

圖12 封裝B的橫剖面圖[5]

 

 

            圖13 封裝B組裝件的腳趾部位的填角焊縫

 


  圖14所示是封裝A的橫剖面圖。再次觀察到潤濕狀況良好。這是唯一的植有金屬化樹脂凸點的封裝,並不只是在底部有扁平焊盤。連同由芯片墊和PCB焊盤之間的焊料基本上確定了間隙尺寸,使得焊料的最小高度小於1mil。然而,這並不是可靠性所固有的問題,(有可能樹脂具有順應性和降低了焊料的熱循環應力),顯然,對產生孔洞有明顯的影響(見表2)。

 

  

 

圖14 封裝A的橫剖面圖[5]

 


  圖15所示是封裝C的橫剖面圖。再次看到潤濕狀況良好,而脫膏高度比封裝B稍大(2.5 mil)。
最後,圖9所示是封裝D的橫剖面圖,就封裝D而言,較之相對應的焊盤面積,模板開孔較小,因此,脫膏高度也就較小,約1.5 mil。

 

   

 

圖15 封裝C的橫剖面圖[5]

 


  一般來說,組裝到不同尺寸的PCB焊盤上的相同封裝的脫膏高度之間是沒有明顯差別的。[6,12],因為模板設計始終參照較大PCB焊盤的較大開孔。
 

 

                                                   

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