晶圆级CSP装配工艺锡膏印刷的原理和环境的控制

元件

　　1）锡膏印刷的原理
　　锡膏通过刮刀以一定的压力和速度推动，在印刷钢网和刮刀之间的形成一个“锡膏滚动柱”，通过这种滚动，在锡膏内部就会产生压力，从而将锡膏填充到印刷钢网孔中。如图1所示，刮刀前的区域我们可以将其分成3个部分，刮刀前区域2和3锡膏在滚动情况下将孔填充约10％，这样助焊剂可以预先润湿孔壁和焊盘，以利于继续填充和脱模。刮刀前区域I在锡膏内压力的情况下将锡膏填充进孔内。更符合实际印刷情形的是图2所示的印刷模型图2。要在印刷钢网孔内形成良好的锡膏填充，锡膏内足够的填充压力是关键。影响此压力的因素有锡膏的黏性η、刮刀的移动速度v、印刷角度θ和钢网上的锡膏量V、锡膏印刷是一个非常复杂的过程，各个因素往往不是独立影响印刷品质，而是它们之间有着交互作用。根据研究，它们和锡膏内压力的关系可以用下面关系式来表示

图1 印刷模型图1——刮刀前锡膏滚动的情况

图2 印刷模型图2——锡膏在钢网孔内填充的情况

　　2）基板的支撑
　　在翘曲变形的或因为支撑不当而导致变形的基板上印刷锡膏，往往获得的锡膏不均匀，要么有些地方少锡，要么有些地方锡膏量过多，对于密间距元件的锡膏印刷，基板是否平整成为关键之一。所以基板必须保持平整，没有明显的翘曲变形。在锡膏印刷时，对印刷电路板全板平整的支撑非常重要，这时需要应用顶针或特殊的板支撑工具。检查基板在印刷机轨道被固定后是否平整，可以将印刷工作台上升到正常印刷工作的位置，将印刷间隙设置为0，检查其上表面是否与印刷钢网下表面密合无缝隙。平整的支撑在此工作状态钢网和基板之间应该是没有间隙的。
　　我们观察图3所示的基板变形后在印刷机轨道上的情形，可以看到基板呈弓形，中间高两侧低。其变形量达1 24 mil。在此情形下，基板上不同位置上0.4 mm CSP获得的锡膏量差异非常大，如图4所示。

图3 印制电路板翘曲成弓形

图4 基板上两个0.4 mm CSP不同的位置因为板的变形，获得的锡膏量会有很大差异

　　3）钢网上锡膏量的控制
　　锡膏在印刷钢网上要形成“滚动”而不是滑动。如果钢网上的锡膏量不够，则锡膏不能够形成良好的“滚动”，导致印刷不充分而少锡；加在钢网上的锡膏量过多，则会导致过多的浪费，或锡膏留在钢网上刮不干净而导致锡膏过量。合适的量是当锡膏初次被加在钢网上，刮刀来回推动锡膏形成均匀的滚动时，锡膏“滚动柱”的直径约为2.5 cm。在持续生产过程中，当此“滚动柱”的直径减少至原来的一半时则需添加新的锡膏了。
　　注意，添加到钢网上的锡膏必需经过回温到室内温度且经过充分搅拌。一般的锡膏都要求在4℃左右的温度条件下保存，从冰箱中拿出，温度升至25℃需要约4 h。使用前需要搅拌，可以利用自动搅拌机搅拌2～4 min。
　　4）印刷刮刀的选择
　　刮刀材料一般有不锈钢片和橡胶两种，对于晶圆级CSP的锡膏印刷，一股采用金属刮刀。金属刀刃部分的宽度一般为40 mm，其角度选择60°。根据印刷区域的大小来确定适当的刮刀长度。如果将平行于轨道方向定义为印刷区域的长度E，刮刀长度L1＝L＋2×0.5 In，即刮度长度要超出印刷区域两端各0.5 In左右。长度不当的刮刀会加快钢网和刮刀的磨损，同时锡膏会出现印刷不均匀的现象。
　　5）印刷参数的设置
　　全自动印刷机可以设置的主要印数参数有刮刀压力、印刷速度、脱模速度、钢网清洁方式和频率等。精细间距元件的锡膏印刷需要较低的印刷速度，可以设置在0.5～2.5 in/s。压力的设置可以从低到高设置，观察钢网表面的锡膏是否被刮干净，如果有锡膏留在刮刀后面的钢网上，则适当增加压力或适当减印刷速度，保证刮刀移动过之后没有锡膏残留。如果压力过大，会引起锡膏汲出。如果压力不够，不会在钢网上产生干净的清理效果，会留下过量的锡膏，增加沉积量，导致焊接缺陷。印刷压力和印刷速度相关，印刷速度越快，需要的印刷压力就越大。所以在调整满意印刷的印刷效果时，单一的调整往往达不到要求，需要同时调整压力和速度。
　　脱模速度的控制对于精细间距元件的印刷非常重要，脱模速度太快，锡膏会粘在钢网的孔壁上，久而久之会塞孔导致少锡或焊盘上无锡膏。当印刷密间距为QFP或QFN时，如果脱模速度太快，则锡膏两端会被拉尖，元件被贴上去之后容易引起锡膏短路。除非有要求使用较快的速度脱模，一般脱模的速度要求尽量的低，以减少上述问题的发生。合适的脱模速度为0.25～0.5 mm／s。
　　全自动印刷机可以自动清洁钢网，清洁方式和频率也可以自由设定。一股的清洁方式可以选择先利用清洁溶剂“湿擦”，然后真空吸附，再“干擦”。密间距元件的印刷需要更高的清洁频率，每印刷2～3次清洁一次钢网比较合适。
　　6）环境的控制
　　环境的控制包括车间温度和湿度的控制。维持生产车间温度在20～25°C，相对湿度在40％～65％RH。温度会影响锡膏的黏度，温度太高会降低其黏度，出现短路或锡珠。而太低的温度会使其黏度增加，引起锡膏塞孔、印刷不均匀和少锡等缺陷。相对湿度太低则会使锡膏变干，导致难以印刷，而较高的相对湿度会使锡搞吸收过多的水份，出现锡珠等焊接缺陷。目前在一些全自动的印刷机中，已出现了控制其内部温湿度的局部环境控制单元（Eau），对于获得稳定满意的印刷品质提供了保障。
　

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