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概述
植球技术已广泛地应用于半导体工业。直接植球为二次组装提供了一个灵活、快速、准确而成本低廉的解决方案。越来越多的专业晶圆制造商普及植球工艺来取代传统工艺，如电解镀焊或采用高精度印刷平台印焊膏等。不过，大型EMS企业也逐步进入这一领域，因其可提供更快的产出而使得设备应用的成本相对较低。OEM客户在器件制造方面有新的概念，即器件可在EMS公司制作生产并直接投入电子制造组装。它提供了更好的收益率，缩短了产品交货期，符合客户要求的中低级产出量，最重要的是在成本上有了很大程度的降低。这迫使EMS企业需配置晶圆级和芯片级的制造技术，以更好地服务OEM客户。因此，在SMT行业中植球技术变得越来越有必要。印刷机器能与普通SMT工艺共享，这将不会影响电路板正常的生产制程。本文介绍了应用在电路板上的植球技术，其工序包括膏状助焊剂印刷、植球（球印刷）、返工和回流焊工艺。它结合标准焊膏印刷工艺和植球工艺，实现了以低成本和灵活的系统来完成一个半导体产品。

流程简介

在EMS工厂设计的植球工艺， 将半导体和SMT工艺相结合，并采用了特殊的植球印刷头。植球需要两台在线印刷机：一台是用于涂布膏状助焊剂的普通丝网模板式印刷机，另一台是用于植球。两台印刷机都可随时切换为电子组装用的普通印刷机。此外，用于炉前返工补球的低成本设备，可有效地在回流焊之前补球，以避免诸如少球等品质问题。整个工艺包括四个步骤：涂布助焊剂、植球、检验及返工、回流焊。

步骤一：助焊剂印刷
涂布膏状助焊剂是植球工艺的第一步。它是保持球的定位以及在回流焊中良好成型的关键材料。特别设计的丝网模板（见图1）应用于膏状助焊剂的印刷。该丝网模板开口是基于印刷电路板焊盘尺寸和焊料球的大小设计而成的。

在印刷膏状助焊剂这一步，同时使用了两种类型的刮刀，前刮刀是橡胶刮刀，后刮刀是金属垂直刮板。垂直刮板先将一层薄薄的助焊剂均匀涂布在丝网模板上，然后，橡胶刮刀再将助焊剂印刷在电路板焊盘上。这种工艺设计的好处是在线路板的焊盘上提供一层平整均匀的助焊剂层，同时也保持丝网模板润湿而不干燥，有效地防止了助焊剂堵孔的现象。

图2是用于印刷助焊剂的橡胶刮刀图例。图3是用于印刷助焊剂的垂直刮板图例。
采用DOE来确定助焊剂印刷的最佳参数。
印刷之后以显微镜来观察并计算助焊剂在焊盘上的覆盖率，并计算DOE的结果。表2是实际助焊剂印刷的DOE矩阵数据。

助焊剂覆盖率反映了DOE实验结果。图5是助焊剂印刷缺陷的实例，其中包括印刷错位，过量溢出和量少等。

从各因素主要关系与交联反应的影响图分析（见图6 ）, 印刷速度、印刷压力、刮刀角度和印刷间隙各个因素对助焊剂印刷结果都有着显着的影响。而且各个因素之间的交联反应也对印刷结果有显着影响。

基于参数矩阵优化分析可得出优化参数设定，如表3所列。

在这个DOE试验中能够得到最优化的印刷参数设定。当然，不同设备会有差异。在生产过程中，丝网模板很容易被损坏，所以，需要细心的处理和搬动。在助焊剂印刷过程中，固体粉尘或者其它外来的物质很容易堵塞模版的开口。只能用空气枪来清洗丝网模板。异丙醇或酒精等清洗剂都不能用来清洗丝网模版，因其会溶解并破坏丝网制作所使用的高分子材料。 通常是在生产结束后用无尘布沾上去离子水擦拭并用气枪吹干。

印刷完助焊剂后，需要在显微镜下检查漏印、量不足或错位缺陷。通常，助焊剂是透明的，而且目视检验难以检查出缺陷。为方便目视检查，合理改变助焊剂颜色的调查和研究是必要的。

步骤二：植球
在植球阶段，同样，需使用特殊设计的模板。该模板设计也是基于实际焊料球大小和电路板板焊盘。需考虑两方面的因素：一是需避免助焊剂污染模板和焊料球；另一个因素是如何使球顺利通过模板开口。该模板是两层结构：模板的主体是电铸模板，具有比激光或化学蚀刻模板更光滑的孔壁，可使焊球顺利通过；第二层是紧密结合在模板的底部形成一个略带柔性的隔离层。复合的两层具有与球直径同样的厚度, 完全可避免膏状助焊剂对丝网模板和焊料球的污染，使得焊球能顺利通过模板到达焊盘并被助焊剂粘住。图7所示是焊料球印刷模板的放大图像。
特别设计的植球印刷头能引导每个焊球使其与模板之间以最低的摩擦力，并施以可控制的放置力将每一个球置入每个开孔中。其间焊料球是通过毛细管作用和重力的影响被分配到每个开孔中。在焊球印刷这一步工艺中，焊料球转移设备是极其关键的，并利用特殊设计的模板将焊料球转移到正确的位置从而完成焊球的传输动作。焊料球印刷的参数定义如表4所列。

在印刷过程中，偶尔会发生焊球堵孔，这是由于开孔容易被细小灰尘或纤维堵塞所致。因为很难确定哪个焊球受损, 需报废所有待印刷的焊球。因此，焊锡球废弃率较高。在这一步，不需要对模板进行清洗。也不能用IPA或酒精清洗剂擦试模板，因为有机清洗剂会破坏模板两层之间的粘合。如果发生堵塞可使用气枪来清理。

步骤三：检测和返工工艺的介绍

AOI（自动光学检测）设备应用于植球以后的在线检测。通常，主要缺陷是焊料球缺失和错位。检查后，有缺陷的电路板需使用离线的半自动再植球设备做返工处理。对于错位，清洗电路板并重新印刷是唯一的办法。图9所示是缺球和球错位的图例。

离线的半自动单个球放置机器是为少球重植而专门设计的。少球的放置需要使用成熟准确的放大图像系统：先在缺球的焊盘上涂布膏状助焊剂，另一个操作臂则在该焊盘上置入焊料球。如果焊盘上的助焊剂已经足够了，则可以在编写程序时将涂布助焊剂步骤省略。间隙性气压控制是完成涂布助焊剂和植球的关键。图10所示是焊料球返工设备的结构。

该离线补球操作非常重要，不能影响到电路板上的其它准确置位的焊料球。经过返工后，需要将电路板在回流焊前用AOI设备重新检查，以确保无缺陷。

步骤四：回流焊工艺介绍

焊料球回流焊过程是普通的回流焊工艺。对于无铅产品，一般选用的焊球合金是Sn98.5 Ag1 Cu0.5 ，它的熔点比用于电路板另一面的无铅焊膏略高一点，（通常高出2~3℃），以防止在二次回流中再次造成缺陷。这也取决于客户的工艺要求?；亓骱傅淖罡呶露仍嘉?40℃。图11所示是关于植球回流焊的曲线图。

回流焊后需要用AOI检查。在这一步中，考虑该产品是bga类型，如果有任何少球或错位，该电路板将报废。 因任何方式的返修都可能引起在下一步组装过程中组件的失效。
这项植球研究是从EMS公司的生产角度定义了涂布助焊剂、植球、返工及回流焊的标准工艺。其关键工艺点是助焊剂涂布参数设定、置球模板和缺失焊球的返工。植球技术结合了半导体和表面贴装技术，并提供给OEM客户快速生产量和更好的服务。因其在膏状助焊剂印刷后的检验存在一些检出率的不足，因此，与助焊剂供货商合作以寻求利于印刷后检验效果的进一步的研究是必要的。