BGA及类似器件的底部填充和点胶封装工艺

来源:收集 点击数:182 更新时间:2019/4/12 10:05:29

BGA及类似器件的底部填充和点胶封装工艺
 当前,高可靠性要求的航空航天航海、动车、汽车、室外LED照明、太阳能及军工企业的电子产品,电路板上的焊球阵列器件(BGA/CSP/WLP/POP)及特殊器件,都面临着微小型化的趋势(图1),而板厚1.0mm以下的薄PCB或柔性高密度组装基板,器件与基板间焊接点在机械和热应力下作用下变得很脆弱,为提高PCBA及产品的可靠性,于是底部填充和点胶封装技术应用变得日益普遍,见图2

底部填充和点胶封装工艺有多种,本文所指为毛细效应底部填充Capillary Under-fill,把填充胶分配涂敷到组装好的器件边,利用液体的“毛细效应”使胶水渗透填充满芯片底部,而后加热使填充胶与芯片基材、焊点和PCB基板三者为一体。

通过底部填充和点胶封装工艺,不仅可减少BGA及类似器件因热膨胀系数(CTE)失配可能引发的焊点失效,还能为产品的跌落、扭曲、振动、湿气等提供很好的保护。在相关绝缘胶的作用下,器件在遭受应力后将被分散释放,从而增加焊点的抗疲劳能力、机械连接强度,达到提高产品可靠性的目的

为让BGA及类似器件有效填充和点胶封装,作业前须选择性能较好的胶水、恰当的点胶路径和点胶针头(Needle)或喷嘴(Nozzle),并正确地设置点胶参数以制稳定相宜的胶水流量。点胶后,须作首件检验确认点胶和填充效果,烘烤条件需符合胶水特性及产品特点,以确保胶水完全固化。固化后,须做外观检查和测试,确保填充效果有效可靠。点胶和填充时须避免汽泡,固化后需避免产生空洞,形成满意的边缘角或达到特定的填充效果,降低现场失效提高产品长期可靠性。在选择胶水时,须选用可返修的,并注意返修方法。

关键词

焊球阵列器件(BGA/CSP/WLP/POP),可靠性(Reliability)自动点胶机(Automatic Dispenser),底部填充(Under-fill),环氧树脂(Epoxy resin),高密度互连(HDI),点胶/喷胶,汽泡/空洞,声波微成像技术,可返修性(Rework-able)

一、  BGA及类似器件的点胶工艺及底部填充的作用

电子产品的点胶工艺多种多样,比如摄像镜头的密封固定(Lens Locking)光学镀膜防反射和红外线滤光片粘接(AR/IRFilter Attach),玻璃防护盖(Glass Lid)密封固定,镜头框架(Lens Holder)与基座或PCB基板粘接,影像芯片COB裸晶邦定(DieAttach)以及CCD/CMOS表面封装器件或其它组件的底部填充,见图3相机模块的核心器件CCD(Charge CoupledDevice)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)和其它有源器件,它们主要采用CSP、WLP或FC超小型封装方式

PCB基板复杂多样,比如厚度1.0mm以下的PCB、Rigid-Flex PC、FPC、Ceramic PC、Metal PC等,这些基板在SMT制程中不仅要克服PCB翘曲变形或易碎的问题,在测试组装中更要保护焊点免受外力破坏。而BGA及类似器件的微形焊点对应力非常敏感,为解决其可靠性隐患点胶和底部填充成了必不可少的重要工艺有研究资料表明,产品经过底部填充和不进行底部填充的跌落试验,两者焊点遭受到的应力迥然不同,经过底部填充的器件焊点感测到的应力轻微许多,反之应力震荡变化或骤然增大,其效果差异见图4。

BGA及类似器件成为影响产品可靠性的关键因素,由于这些器件硅质基材热膨胀系数比一般性的PCB材质要低许多(资料显示硅质为2.6ppm/,常用的PCB材质为10-26 ppm/℃或更高),在受热时两者会产生相对位移,导致焊点机械疲劳从而引起断裂失效,见图5A对于这些器件,采用底部填充可以有效地增强器件与基板间的机械连接,降低其现场失效问题

总之,点胶和底部填充不仅有助于降低材料之间CTE不匹配的热应力破坏,减少基板的翘曲变形、跌落撞击、挤压和振动等机械应力造成焊点破裂失效的风险,见图5B&5C&5D。电子产品在恶劣环境下工作的稳定性及可靠性,通过对BGA及类似器件实施点胶和底部填充是非常有效的。

二、胶水的基本特性介绍与选用要求

在BGA器件与PCB基板间形成高质量的填充和灌封,材料的品质与性能至为重要。日前用于BGA/CSP等器件的底部填充胶,是以单组份环氧树脂为主体的液态热固胶粘剂;有时在树脂中添加增韧改性剂,是为了改良环氧树脂柔韧性不足的弱点底部填充胶的热膨胀系数(CTE)玻璃转化温度(Tg)以及模量系数(Modulus)等特性参数,需要与PCB基材、器件的芯片和焊料合金等相匹配。通常胶水的Tg点对CTE影响巨大,温度低于Tg点时CTE较小,反之CTE剧烈增加。模量系数的本义是指物质的应力与应变之比,胶水模量是胶水固化性能的重要参数,通常模量较高代表胶水粘接强度与硬度较好,但同时胶水固化时残留的应力会较大。

PCBA的胶材须安全无腐蚀,符合欧盟RoHS(Restriction of Hazardous Substances)指令(关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质)的要求,对多溴二苯醚(PBDE)和多溴联苯(PBB)在材料中的含量严格限制,对于含量超标的电子产品禁止进入市场。同时,还需符合国际电子电气材料无卤(halogen-free要求,如同无铅锡膏并非锡膏中不含铅而是含量限制一样,所谓无卤也并非物料中不含被管制的卤素,而是指氯或溴单项含量在900ppm以下,总卤素含量控制在1500ppm以下,即(Cl<900ppm,Br<900ppm,Cr+Br<1500ppm)

良好的底部填充胶需具有较长的储存期,解冻后较长的使用寿命。一般来说,BGA/CSP填充胶的有效期不低于六个月(储存条件:-20°C~5℃),在室温下(25℃)的有效使用寿命需不低于48小时。有效使用期是指,胶水从冷冻条件下取出后在一定的点胶速度下可保证点胶量的连续性及一致性的稳定时间,期间胶水的粘度增大不能超过10%。微小形球径的WLP和FC器件,胶材的有效使用期相比于大间距的BGA/CSP器件通常要短一些,因胶水的粘度需控制在1000mpa.s以下,以利于填充的效率。使用期短的胶水须采用容量较小的针筒包装,反之可采用容量较大的桶装;使用寿命越短包装应该稍小,比如用于倒装芯片的胶水容量不要超过50ml,以便在短时间内用完。大规模生产中,使用期长的胶水可能会用到1000ml的大容量桶装,为此需要分装成小容量针筒以便点胶作业,在分装或更换针筒要避免空气混入。此外,使用期短的胶水易硬化堵塞针头,每次生产完需尽快清洗针管和其它沾胶部件。

BGA及类似器件的填充胶,胶水的粘度和比重须符合产品特点;传统的填充胶由于加入了较大比率的硅材使得胶水的粘度和比重过大,不宜用于细小填充间隙的产品上,否则会影响到生产效率。经验表明,在室温时胶水的粘度低于1000mpa.s而比重在1.1~1.2范围,对0.4mm间距的BGA及CSP器件的填充效果较好。胶水的填充流动性和固化条件,须与生产工艺流程相匹配,不然可能会成为生产线的瓶颈。影响底部填充时间的参数有多种,一般胶水的粘度和器件越大,填充需要的时间越长;填充间隙增大、器件底部和基板表面平整性好,可以缩短填充时间。为提高生产的效率,需综合考虑有关参数并力求优化,参考它们的关系图表6A;底部填充胶的毛细流动剖视,见图6B。对于粘度较大流动性较差的胶水,为提高填充速率,可以将基板预热至60-90℃左右。

表面张力和温差是底部填充产生毛细流动的二个主要因素,由于热力及表面张力的驱动,填充材料才能自动流至芯片底部。另外,填充材料都会界定最小的填充间隙,在选择时需要考虑产品的最小间隙是否满足要求。

选择底部填充胶需注意什么呢?填充胶的选择是与产品特点相关的,往往需要在工艺和可靠性间平衡。日前市场上底部填充胶的种类很多,在选择相机模块的填充胶时,重要的是适合产品的特点。依据PCB板质的不同,力求热膨胀系数与其匹配。胶水的粘度和比重要适中,室温下良好的湿润性,利于针头快速出胶和快速填充;低温固化快利于固化效率。较低的(CTE)和较高的(Tg)点,以求良好的热性能;适中的模量系数,使其兼备优良的机械强度和柔韧性。总之,优质的胶水需具有室温快速流动和低温快速固化,与锡膏良好的兼容性,较高的粘着强度和断裂韧度,以及重工性能佳和长期可靠性等特点。

比如乐泰Loctite)的Hysol® UF3800™是一款新型的底部填充胶水,它具有较高的Tg和较低CTE25@粘度375cp比重1.13模量系数3080Mpa固化条件130℃≥8分钟这些性能参数很适合精密器件细间距BGA/CSP/WLP的填充要求。不过这款胶水储存条件为零下20,生产使用前必需将冷藏的胶水在室温下解冻回温2至6小时,使胶水的温度与室温均衡才能开启使用,回温时间长短取决于不同的包装大小。

三、    点胶和底部填充的路径与模式基本要求

在设计点胶路径时,不仅要考虑点胶效率和填充流动形态,为了在BGA及类似器件的边缘良好成型,还要认真考虑器件边缘溢胶区域限制。日前的电子产品,由于其高密度组装特点,其溢胶区域通常受到限制。某些特定区域溢胶甚至不能超过器件边沿的0.1mm,较普遍的是小于0.2mm,见图7A和7B;同时限制区域外的胶痕厚度不能高过PCB表面20um。由此可见,对于手持式产品的高密度组装,底部填充采用何种施胶路径模式是很有讲究的,而烘烤前后的精确检验也同等重要,见图7C。

BGA及类似器件的点胶和底部填充作业,其简略步骤是:涂胶前,清洁器件底部与周边,清洗或受潮的PCB需烘烤;涂胶,需依据器件大小和填充要求调试出胶量,按选定的路径点胶;毛细填充:按设定的路径点胶使其快速填充,要求在点胶的对边有胶溢出,四边的涂胶最低限度覆盖住器件焊球;烘烤后的检验,需确保胶量完全填充器件和基板的间隙并完全固化,见图8。胶量的控制对于形成良好的边缘圆角非常关键,单个元器件胶水用量计算,可以依据芯片的面积、填充间隙高度、焊球的体积与数量,以及形成合格的边缘圆角,计算出器件所需理论胶量。不过,多半情况还需以实际的填充效果,通过精密计量天平来确定胶水的用量,时下许多自动点胶机都有此功能。

点胶路径是针头画胶的路线,通常由点胶设备或手工操作者来控制。理想的点胶路径需要点胶效率和填充效果之间权衡,目标是花费较短的流动及点胶时间,得到没有空洞的完好的填充效果。作业上控制好胶水流量的稳定,使点胶具有较高精确性和可重复性,才能形成满意的边缘圆角和填充效果。采用合适的施胶模式,使针头沿边缘均匀移动;确保良好的填充效率和品质。在选择点胶模式时,需依据所填充器件的面积大小和间隙高度合理选择。采用针头点胶还需注意,针头与器件边缘,针头与基板的距离要合理,可参考图9所示。溢胶被严格限制的器件,为了避免溢胶不良,可能需要多条填充路径涂敷,不同情况下采用不同的施胶模式。

BGA及类似器件常用的点胶模式有四种,单边角点胶、单边“I” 形点胶、半“L”形和全“L”形点胶,见图10。单边角点胶:在器件的边角点一个点或多点这种样式在点胶的地方残胶多,它适合于需求胶量很少的小型器件,比如小型的WLP,见图11A。单边点胶:面积小于3*3mm的CSP或FC等器件一条填充路径即可,胶点长度一般是器件边长的50%-125%,点胶的画线长度需适当,以免填充时产生包封气泡,见图11B。而对大于3*3mm并小于6*6mm的器件,可采用半“L”形路径或双边“L”型涂敷方式,比如较大的CSP或uBGA,见图11C&D。另外对于较大的BGA器件:为确保足够胶量和填充效率,则可以考虑“U”型施胶;这种方式不用于相机模块器件。

图11A WLCSP单角点胶   11B“I”Vs半“I”形点胶 11C CSP“I”形点胶 11D CSP半“L”形点胶

如果BGA及类似器件四周正好有足够的点胶空间,推荐使用较短的粗线,以便填料中间部分流动稍快避免产生气泡;对于周围没有太多空间的情况,有时可以在同—边同一位置陆续画多道细线来解决。施胶时不要形成封闭图形,起始端和终端之间必需留有2 mm以上的距离,以便填充和固化过程中的排气。

四、点胶的设备及基本工艺

理想的涂敷效果,离不开正确的施胶设备和工艺控制。BGA及类似器件点胶嘴的位置控制非常重要,也就是说点胶嘴离器件的距离和距基板的高度是很关键的。点胶嘴可尽量接近器件边缘,以便降低对器件的周边的污染;针头点胶嘴离板面高度恰到好处,以便针嘴出胶畅通。最终效果是,使胶水快速均匀地流入器件底部,同时减少流到器件外围的胶水量。

点胶设备对涂敷填充品质更是举足轻重,小批量的生产可采用手工或半自动设备作业,不过针头点涂设备须能够精确控制出胶量;大批量生产须采用自动点(喷)胶机,每点(喷)完一次胶需自动封闭针头,避免低粘度胶水断胶后针头继续流胶或拖滴胶。自动点(喷)胶机通常都有较为精确的定位能力以及重复精度,对于PCB送板位置偏差或模具精度不一致,可以通过基准点光学定位,因而避免了点胶或喷胶的偏位不良。

如果是厚度很薄的PCB、FPC或Rigid-Flex PC易翘曲变形,需要通过载板治具降低其基板的变形量,也需要点(喷)胶机通过高度感测针(Height SensorProbe),准确的检测出点胶位置的高度,以便点胶针或喷胶嘴在最恰当的位置进行点胶或喷胶。针头或喷嘴尽量接近器件封装边缘,或略低于器件顶部,可以避免胶水脏污影像器件的表面或邻近区域的COB邦定焊垫。点(喷)胶针头需要符合器件及溢胶区域控制的要求,细间距的BGA器件须采用精密的不锈钢针头,针头或喷嘴内径范围(0.15~0.21mm),外径(0.31~0.41mm)。

一种新器件的点胶参数设定,需依据点胶填充的效果反复调试,最终确定所需胶量。点胶或喷胶作业开始前,需依据产品器件特点,选择孔径大小合适的针头,调试出恰当的点胶参数和每个器件所需的胶量;并预先启动点胶泵对针筒以及针头排气,使胶水移动到针头的前端,以便点胶均匀。点喷胶结束,针头或喷嘴必需停在清胶位(Purge Station)。

日前常用的施胶方式有三种,传统的手工或半自动点胶、自动针头点胶和非接触式喷射点胶。下面对其分别略做介绍。

1、手工或半自动点胶

手工点胶方式,是作业员手持点胶针筒进行点胶路径和滴胶量控制的一种作业方法;作业时针头需力求平稳、均衡,在器件边缘点胶见图11A。它的缺点是,点胶停顿时针头滴胶,胶的粘度较大时拉丝,每次作业完针头会有胶水残留;因此当作业中断或停顿,对于相机模组或其精密器件的点胶,重启点胶必需清洁针头。这种点胶方式设备投资小、作业方便灵活,点胶精度虽不高,但只要作业员熟练并掌握了一定技巧,用在类似于相机模组这样高精度点胶要求的产品上也是可行的。

这种点胶设备有两种不同的点胶模式:一种是由定时器控制点胶量,定时定量自动出胶,多半用于单角施胶模式。点胶时间设定范围0.07S-9.99S,自动重启间隔时间0.1S-9.9S,对于精密器件点胶通常不能采用自动循环模式。另一种是定量出胶,脚踏开关每动作一次,针头出胶一次,出胶时间0.07S-9.99S,最小点滴量约0.01ml,这种方式较为常用,可以很方便控制点胶量。图11B所示为半自动点胶机的操作面板,通过调节气压,设定点胶时间和选择合适的针嘴,可以满足各种器件不同胶量需要。

手动点胶方式的点胶速度、点胶路径、针头高度,以及针头与芯片的距离等,都只能依靠人工掌握控制,点胶的品质主要依赖于作业员的熟练程度。作业员熟练度不够或控制不当,可能造成胶量偏多或不足、溢胶甚或胶水粘到影像器件的表面等不良,见图11C。如果采用手工点胶,作业员须经过专业训练,并具有一定的作业经验,点胶的品质才能得到保障,见图11D。

而半自动点胶方式,点胶机可以做点胶路径的设置,不过对PCB定位通常靠治具;由于机器没有光学识别系统,对FPC之类的产品作业较为困难。这种方式,对于相机模组器件的精密点胶不太适合,其灵活性和精度都略显不足。

2自动点胶机针头点胶

自动点胶机依据程序的点胶路径参数设定,其针头可以自动快速作方向旋转,通常具有画点、线、面、圆弧以及不规则曲线连续点胶功能,见图12A这种点胶方式在生产前首先需要编写好点胶的程序,比如以PCB光学点为基准确定器件点胶坐标以及路径,并选定点胶的模式等参数。针头自动点胶方式的优点是,点胶的位置精度和点胶量的控制比手工点胶要好,用于大批量生产中效率较高。早期生产的这种类型机器多半有其致命弱点,即针头在Z轴上下移动或停顿瞬间难免滴胶,见图12B。这种旧式机器的缺陷造成点胶的起始或结束位置胶点较大,甚至使得胶水损耗较多,所以它只能被用于溢胶区域限制要求不高的产品,见图12C。

为了配合精密点胶的需要,许多研发自动点胶机的厂商都在努力改善这个问题,通过在点胶针筒上配置真空负压装置,点胶结束启动负压封闭针头,这种智能断胶功能减少了针头上下移动过程中的漏胶或拖胶拉尖的问题。同时,高速旋转阀门控制提高了点胶的起点和结束点精度,使胶量大小粗细得以控制。自动点胶机点胶针头多半与PCB或器件表面垂直,如果针头与器件表面要形成斜角则需要有专用的夹具。

自动点胶机可用于各种模式施胶,在细间距较多的采用点“点堆点”,以及沿着器件不同边单点或多点作业。其点胶过程为:针嘴到达指定点胶位置后停止移动,挤射一点或者在同一位置挤射多点胶水,还可以改变胶点的尺寸大小。通过精确的胶水总量控制,实现产品精密点胶要求;不过这种方式用于相机模组某些WLCSP器件上还是有一定的风险,当针嘴上带有残胶就可能造成胶多不良,见图12D。

3、先进的喷射点胶

精密产品BGA及类似器件的底部填充,对于精确点胶是极其重要的,而喷射点胶相比传统的针头点胶则更具优势,更符合溢胶区域精密控制的要求。喷射点胶与自动针头点胶一样,点胶前须编写好点胶的程序,准确测量出器件所需胶量,选择型号大小合适的喷嘴,把点胶头高度调整到合适位置,通过高度探测针校验点胶高度,等等。依据器件溢胶的限制区域不同,确定好喷点胶的最佳起始边或起始点和结束位置,器件边缘就近有测试点或太靠近COB邦定焊垫等限制,应当避免作为点胶起始或结束位置边。当前先进的性价比较好的点胶灌封装设备,可参考安达新型模块化高速多功能点胶机,见图13A;同时参照图13B分析得知,喷射式点胶相比针头点胶优劣特点

㈠、当器件间距小至0.25mm时,接触式针头点胶就显得束手无策了(针头的外径尺寸最小0.28mm),由于针头无法下到PCB表面难以进行作业,而非接触式喷胶则游刃有余。

㈡、喷射式点胶,点胶头不需要进行Z轴上下移动,点胶头移动点挤射技术充分地利用了点挤射机构在速度方面的优势,可以使胶水在点胶头移动过程中喷出(Jetting On The Fly),从而可以提高相机模组点胶效率;针头点胶容易伤到器件的问题,喷射点胶却无此之虞。

㈢、胶点直径可以小至0.25mm,喷射量精确到1.6纳升,0.1mm的喷射线条,细小的胶滴使得润湿脏污板面更小,既避免了过多的溢胶脏污了邦定焊垫(BondingPad)及其它组件,也有助于减少胶水损耗,缩短了润湿脏污的避让区。

㈣、与传统的针式点胶相比,点胶间隙不再是影响喷射式点胶精度的主要因素;喷射点胶比针头点胶能从更近的距离对器件边部喷射点胶;由于胶体到达间隙的速度更快,因此可在器件边缘形成更快的毛细流动,减少了胶水从封装体边沿蔓出的问题,见图 13C

㈤、传统针头点胶容易产生胶点形状不良或点胶偏位,因而可能脏污CMOS/CCD表面或造成填充不良,而喷射点胶机有喷射校正功能CPJ(Calibrated Process Jetting)可自动调整点胶位置,可保证点胶的重复精度。

㈥、喷射点胶没有针头点胶产生滴胶的问题,还可进行低粘度底部填充材料的涂敷,同时其正向材料关闭阀可封闭针头,防止拖胶拉丝与滴胶不良。

㈦、喷射点胶的胶点形状可自始至终保持匀称,避免了针头点胶的两头大问题,图13D所示为典型的从针头点胶与喷头射出的胶滴,它们的优劣不言而喻。

自动喷射点胶机与针头点胶机基本功能相近,比如点胶程序的制作,点胶路径设置,以及部件的处理;另外基板预热,器件定位,底部填充胶量控制等都大同小异。如果胶的粘度不合适或工作环境不合理,必要的时候可以开启温度调节器(Needle Heater or Cooling Air )或TCA(Thermal Control Assembly)装置,对涂胶针嘴或喷嘴预处理(温度30-50℃),便于减低胶水粘度提高填充速度


五、    填充品质控制及烘烤工艺

底部填充胶在完成涂敷和填充后,需要对点胶的器件进行必要的外观检查。点胶填充合格后,接下来就是对胶水的烘烤,为保证胶水的完全固化,要充分考虑其固化温度曲线。把烘烤好的产品从烤箱中取出后,需要对器件的四周检查填充效果,确认完全符合工艺标准要求。

1.烘烤前的检查

高密度组装板的BGA及类似器件的溢胶范围被严格限制,溢胶区域有时被限制在器件边沿的0.15mm范围内,个别器件一些边沿甚至不能有溢胶存在,图14A所示为某产品WLP器件溢胶限制。点胶后,烘烤前的检验至关重要,溢胶区的检验有时需通过带刻度的千分尺显微镜,对溢胶做量化检验,见图14B。如果胶量不足需手工通过牙签补胶;胶量偏多需要用棉棒把多余的胶擦拭掉,见图14C,当胶水沾到CMOS/CCD的表面,须用无尘布沾无水酒精小心地擦拭干净,并注意不要把胶水弄到镜片的影像区,否则对影像画质产生不良影响。如果是首件抽检或校验,也可采用3D测量仪,不过这种方式效率很低不宜用于生产线检验,图14D。如果生产中发现有少胶、漏胶,或多胶、溢胶和影像器件表面沾胶等制程不良,须立即停止点胶作业并反馈给工程人员调机改善,并对不良品进行及时的修补。

2.固化工艺

底部填充胶的烘烤温度与时间的曲线设置,需要参照厂商的TDS(Technical Data Sheet)推荐的固化条件,不同型号或品牌的填充树脂其特性可能不一样,应该在明确其具体的特性后,依据其固化条件有的放矢,以获得最好的物理性能,参考图15A&B。烘烤温度与时间设置妥当后,打开烤箱的电源开始加热升温,等达到设置温度后把填充检验合格的PCBA连同烘烤架(Baking Magazine),装入烤箱进行烘烤。图15C所示为某产品的烘烤架。

填充胶的固化工艺控制,首先是依据填充胶的特性曲线调试出合适的产品热固化曲线,不同温度下胶水所需的固化时间有区别,具体推荐的固化条件通常都是指在高温下的滞留时间,不包括预热;温度是指填充胶实际温度,并非烘箱设定温度。经验表明均匀地加热器件,是消除填充气泡及空洞获得良好固化效果的必要条件。由于烤箱热偶的感温误差,实际温度可能稍低于烘箱设置温度,为确保胶水完全固化,烘箱的设置温度可以略高于固化推荐温度5~10℃,从而保证胶水实际温度达到固化要求的温度。为确保烤箱性能可靠,每天换班通过KIC炉温仪检测烘箱的实际加热与温度变化也是很有必要的。

一般来说,外观检验很难分辨胶水的固化是否彻底。那么,如何才能检测出烘烤过的胶是完全固化的呢?动态热量测量(DSC)分析仪可以有效检测,由于物质的化学或物理反应会放热,DSC通过监测释放出来的热量来判定胶水固化程度,如果放热结束说明反应停止,可以判定胶水完全固化,见图15D。胶水的固化不宜过快也不宜剧烈冷却,不然热应力可能使填充胶产生裂纹。

3固化后的检验

烘烤固化结束,首先须对器件填充和固化外观进行检验确认,普通产品器件要求填充胶在器件四周爬升理想状态是达到器件基材厚度的1/2~2/3,并在器件四边形成圆润的填充弧角,见图16A。而相机模组许多器件的填充要求会有所不同,受PCB板面空间不能溢胶限制,填充胶在外观上只要能覆盖住焊球,抽样通过了可靠性测试,就可以认定为填充良品,见图16B&C。如果在相机模组上的器件也按照普通产品的外观要求,必然造成产品胶多或脏污了COB焊垫而报废,见图16D。这种外观检验手段是生产最主要的方式。

六、点胶或底部填充的空洞防范与分析

点胶和底部填充的空洞问题,对BGA及类似器件可靠性的危害很大,尤其是对于尺寸较大的BGA和CSP或WLP器件。为消除空洞,我们须清楚它的来源,虽然产生空洞的原因较为复杂,而空洞的位置和形状给提供了很多线索,可以帮助我们使用有效的方法去消除它。那么,产生空洞的原因主要有哪些,如何防范与检测呢?下面我将做简略的阐述。

产生空洞的因素与防范对策

1.胶水中混入了空气、其他溶剂或水份,以及PCB或器件受潮等原因,在烘烤过程中产生气泡而后固化形成空洞。

对策:作业前对点胶头排气,胶水充分回温并除汽泡;生产好的PCBA,在24小时内需完成底部填充,否则PCBA需要经过烘烤祛除湿气(90℃≥1小时),然后再进行填充作业;如果是水溶性锡膏焊接,点胶前PCBA需清洗并经过彻底烘干(125℃≥1小时),避免溶剂或水份残留。

2.对于FC器件、CSP和WLCSP器件填充间隙很小,胶水在器件底部填充的效果与点胶的路径尤其关系密切,点胶路径或施胶工艺选择不当,使胶水流动填充不均衡包封空气而产生空洞。

对策:依据器件面积大小,点胶前认真考虑,选择正确的点胶路径和施胶工艺,减少胶水在流动方向上的阻碍,使流动速度均衡。

3.胶水与焊锡助焊剂不兼容性,焊接助焊残留物对填充胶产生排斥,使胶水润湿流动产生阻碍,甚至使靠近焊点的胶水不能固化。

对策:新型的填充胶与焊锡膏搭配使用前,先做DOE(实验验证)确认两者匹配兼容良好;在小批量产品上进行尝试没有问题再正式在生产上使用。

4助焊剂残留,阻碍了胶水对于器件和基板间间隙的填充,减少填充胶和界面的粘接性能,这种不良很容易在焊点周围助焊剂集中的地方观察到,见图17A。

对策:施胶前的清洗,这种工艺虽然被大多电子组装生产厂商所排斥,但对于相机模组的多半产品,由于所用水溶性锡膏回焊后必需被清洗;即使在生产中使用免清洗助焊剂锡膏,清洗工艺还是有助于提高产品的底部填充质量。

5.PCB阻焊层设计缺陷,板面露半通孔,NDSMD(非阻焊膜定义)焊盘阻焊开口偏大等,可能造成填充胶对器件和基板的润湿力差异太大,造成填充产生空洞。

对策:阻焊膜须覆盖除焊盘外的所有的金属基底,板面不许露半通孔,焊垫配合好阻焊膜的尺寸公差,消除沟渠状的阻焊膜开窗以确保一致性的流动。

底部填充产生空洞的因素还有很多,在此只是列举了常见的几种。PCB翘曲平整度不佳、填充胶的粘度太大、板面基材和器件底部粗糙度明显差异等缺陷,不一致的润湿都可能造成填充胶在毛细流动和回流固化过程中产生空洞。

空洞的检测与分析:

底部填充胶进行外观检查比较容易也很直观,但对于外观良好的器件,底部填充是否有空洞、裂纹和分层等缺陷,检测起来就比较复杂困难;图17B所示为CSP器件填充良好的外观。不过,对于新型的填充胶水验证、兼容性实验或不良品分析,底部填充效果检测必不可少。对此,有非破坏性检测和破坏性检查两种方法。

非破坏性底部填充异常检测,可以通过自动声波微成像分析技术。超声波对于实心材质几乎是透明的,只有遇到类似于裂缝或空洞异常时,声波检测传感器通过声学成像系统工具,才能反映出相应的异常状况,并测量出与芯片底部与填充有关的机械缺陷。这种工具首先确定好区域单位,然后测量出每个单位区域内的空洞、分层或裂纹,在声学性质所占的百分比。资料显示,空洞与焊点接触可能导致焊点失效,如果空洞很小又不靠近焊点可认为合格,比如图17C所示的空洞A是可接受的,而空洞B&C则不可接受。图17D所示为某产品空洞的声波微成像情况。

破坏性检查是指通过对异常位置进行切片,再使用光学显微镜进行外观检查。这处切片方法与焊点的切片分析相同,通过对器件底面平行的切片(Flat Section),结合光学显微镜检查填充胶的空洞、裂纹或分层不良,见图17A;如有需要,通过金相显微镜或电子扫描显微镜和能谱分析仪(SEM/EDX),进一步检查分析底部填充胶的微观结构。

七、  返修指南

实施了底部填充的器件,如果器件有缺陷或功能失效,返修很烦琐且颇费工时,通常成功率也不是很高。手机相机模块单个PCBA太小,COB焊垫离填充器件又太近,对其作业异常困难所以通常放弃返修。然而,对于笔记本电脑等产品的相机模块,组件较为贵重需力求修复。

返修步骤如下:

1、使用耐高温胶带,先将待返修器件四边的组件覆盖贴住,保护四边组件免受脏污或损伤;开始用低于焊锡熔点的温度对器件加热,待胶变软使用尖锐金属工具清除元器件周围的填充胶;在清除器件四边的残胶时,维修台或热风枪温度设置在150-200℃。

2、将待返修的器件放在返修台上,顶部热风嘴温度控制在230-240℃,加热30-60秒,使器件底部的温度适当高出焊料的熔点,使用金属镊子或专用工具试探着轻微的扭转器件,如有松动试着将组件移除。

3、重新整理焊盘,通常使用吸锡编带配合刀形铬铁,仔细地将焊盘上残留的填充胶和焊料清除干净,之后使用无尘布沾少许清洗剂清洁焊盘或使用异丙醇来清洁焊盘表面和元器件;期间注意不要损伤了阻焊膜、焊盘及表面走线(trace);电烙铁温度设定为250℃,并使用建议的工具,见图18A&B。

4、检查焊盘及表层走线有无损伤,检查阻焊膜有无损伤,如有需注意修复;对于焊球直径大于0.25mm间距0.5mm以上的器件,建议在焊盘表面刷锡膏,参考图18C;反之在焊盘上涂摸助焊剂,更换上新的器件(对于FC、WLCSP/CSP之类的器件,不建议重新植球使用)。

5、新的器件正确无误地贴装到PCB上后,可以采用PCBA的正常生产的回焊曲线过炉焊接,也可以通过BGA返修台进行焊接,BGA返修的回焊温度曲线尽可能模拟正常焊接的曲线,参考图18D;器件焊好后经X-Ray检查和功能测试正常,最后底部填充。

由于返修是对PCB局部加热,基板受热容易翘曲变形,因此需要精心设置组件移除和贴装温度曲线,优化控制整个返修工艺。返修设备的加热系统要求可以精确控制,利于动态监控板上的温度变化。对板底和板面加热可以单独控制,板上临近区域温度以及组件上的温度应尽可能的低,以降低损坏的可能性。

总结

随着电子器件封装的微小型化,点胶和底部填充变得日益重要;而有关工艺技术也日臻成熟。对于BGA及类似器件的点胶和底部填充工艺,对施胶的模式和路径须力求附合产品的特点。对于BGA及类似器件的点胶和底部填充,经声波微成像检查,如果发现有明显的分层、开裂或空洞靠近焊点则不被充许;点胶后的PCBA不良返修较为复杂,返修人员需经验丰富并经过专业训练。

本文着重介绍了BGA及类似器件的点胶和底部填充的工艺,有关胶水的特性要求、点胶工艺、点胶设备、返工指南和制程管控等相关知识。新的点胶和底部填充技术还有多种,比如助焊型底部填充、四角或角-点底部填充和预成型底部填充,填充材料有环氧树脂、二氧化硅以及非填充的聚合物胶水,等等。随着精密化工技术的日新月异,新型的填充材料和技术将层出不穷,也许在不远的将来将有更理想的填充材料和工艺将目前最具主流的环氧树脂型毛细底部填充取而代之。

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