1. 引 言
焊膏模板印刷用于大批量制造速度最快，成本最低的贴焊工艺。可惜的是，这种工艺对引脚间距小于300μm先进器件封装并不理想。然而，一种称之为焊剂（胶粘状）贴焊工艺已取而代之，很好地用于这些器件的贴焊。此工艺可在配有焊剂浸渍盘的贴装设备上一次完成器件贴装。
焊剂贴焊工艺可分四步；吸持器件，球引脚浸渍焊剂，器件对准基板焊盘，贴装器件。焊剂贴焊工艺允许器件的引脚间距可小达100μm，这对Flip-Chip器件共晶焊球引脚更为有利。
原有的焊膏贴焊工艺，Flip-Chip共晶焊球引脚贴放在焊膏图形上，在再流焊过程中液态焊料的自对准作用，器件的贴装位置得到校准。现在采用焊剂铁焊工艺，贴放在焊剂上大多数Flip-Chip共晶焊球引脚器件，在再流焊过程中，其焊装位置，由于自对准作用，同样能得到校准。
本文研究的题目是共晶球引脚器件焊剂贴焊工艺中，焊点的形成与贴装精度间的关系。
2. 实验方法
因为备有的器件和基板规格的限制，为简化实验不采用引脚间距特别小的器件。实验使用两种器件；芯片级封装器件（CSP）引脚间距750μm，倒装芯片（Flip-Chip）引脚间距450μm。实验结果可以推断器件球引脚间距可减小到100μm。使用的电路基板焊盘图形有两种；铜层定义焊盘（CSP），阻焊膜定义焊盘（SR，Flip-Chip）图 1 所示。
图 1 铜定义焊盘/阻焊膜定义焊盘
实验使用一台先进的配有焊剂浸渍盘贴装设备，其贴装精度为9μm（3σ）。浸渍用的焊剂是Flip-Chip免清洗胶粘焊剂。
实验在三种不同的铜层定义焊盘及三种不同阻焊膜定义焊盘上增加偏差量贴装进行检测。器件在X轴向按正向及负向偏差增加量贴装。两种不同检测方案用于CSP/Flip-Chip，全部器件贴装数量是450-CSPS，450-FlipChipS
图 2 铜层定义焊盘器件贴装区域
3. CSP装焊实验
焊剂浸渍盘内的焊剂厚度为95μm，正好是球引脚的50%高度。首先，CSP器件浸渍焊剂，然后按各5个负及正偏差级把器件贴装在测试板上。每个偏差级，15个器件贴装在三块不同尺寸的铜层定义焊盘上；
l 铜层焊盘=球引脚直径
l 铜层焊盘=85%球引脚焊盘
l 铜层焊盘=70球引脚焊盘
器件贴装后，测试板送入焊炉再流焊,接下进行电测试。器件贴装后，测试板送入焊炉再流焊,接下电测试。这些测量数据结果为图 2阴影部分。阻焊层的理论公差位置也在图中显示。
三个理论区域；
l 相对于铜焊盘或焊接区域好的安全区。
l 过渡区，阻焊层的公差区；器件贴装在此区域，焊接的好坏取决于阻焊层的位置。
l 不可靠区，差错区。超出阻焊层公差界限，器件球引脚在此区不被焊接形成互连。
几块测试板测量显示阻焊层的位置（公差）并不始终一致的。往所有方向发生偏移，偏移范围在-30—+35μm之间。
图 3 球引脚与具有厚阻焊层的铜焊盘没有接触
最大允许的器件贴装偏差（图 3）等于铜层焊盘的尺寸（安全区）阻焊层不可能复盖再铜层焊盘上，不可膜层不可能比铜导电线图形厚。在后一种情况，如过阻焊层偏移到最大值，且器件球引脚贴装放置在铜层焊盘的边缘，此时引脚与铜层焊盘不接触。（图 4 ）
图 4 贴装精度与铜层定义公差间的关系
在过渡区，阻焊层的位置能发生偏移，这样可允许加大器件贴装偏差，但这取决阻焊层的位置及最小窗口尺寸。（图 5）
图 5 正常阻焊层位置增加器件贴装偏差
在图 6中所示贴装精度与全部公差间的关系。
具有局部铜定义基准标志的测试板，CSP在铜层定义焊盘上进行器件引脚对准贴装得到四个检测结果；
第一种结果，当器件球引脚与铜焊盘接触时，在再流焊时，引脚始终能良好焊接形成互连。此时；
贴装精度 < 最小铜焊盘直径 / 2
假定阻焊层的厚度比铜层焊盘薄。在理想的条件下，就能得到这种结果，就需要进一步确定实际的偏差界限。在这种情况，提出10%的安全界限，也就是讲器件球引脚的贴装偏差为超出40%焊盘。
其二，在过渡区，根据阻焊层的位置，再流焊后，不是所有器件球引脚能进行焊接。
其三，当阻焊层朝正向偏移。此时，允许器件引脚正向增加偏差，负向减少偏差量。
最后，当阻焊层朝负向偏移。此时，允许器件引脚负向增加偏差，正向减少偏差量。
4. Flip-Chip装焊实验
焊剂浸渍盘内的焊剂厚度为70μm，正好是球引脚的50%高度。首先，CSP器件浸渍焊剂，按与CSP相同的实验方案进行,各5个负及正偏差级把器件贴装在测试板上。每个偏差级，15个器件贴装在三块不同尺寸的铜层定义焊盘上；
l 阻焊层窗口=球引脚直径
l 阻焊层窗口=85%球引脚焊盘
l 阻焊层窗口=705球引脚焊盘
器件贴装后，测试板送入焊炉再流焊,进行电测试。使用数据链测量方法对器件进行测量,由于阻焊层的公差,在所有测试板上的阻焊层位置不同.经分析得到几个结果;
l 基准标志测量引入额外的偏差.此偏差能增加,补偿或减少给定的偏差,于是在正/负方向中,一个确定的偏差值,可找到器件球引脚有焊接的,没有焊接的.
l 对阻焊层窗口是70%器件球引脚直径,在再流焊时，有一些引脚停留在阻焊层上与铜层不接触，这些球引脚没被焊接。
l 为保证贴装精度，采用局部阻焊层定义基准标志，（图 7所示）
图 7 阻焊层定义焊盘的器件贴装区域
图 7显示理轮公差界限及实验结果（阴影兰线）。两个明亮可见区为阻焊层窗口与不可靠区（超出阻焊层窗口）。
器件在此区贴装，引脚不被焊接。图 8 示球引脚位置与阻焊层定义焊盘及贴装区的关系。
图 8 Flip-Chip贴装公差界限
当器件球引脚贴装在阻焊层的边缘，再流焊时全部器件不能返回到焊盘上。这里应按一些公差，考虑一个安全界限。，图 9 为贴装精度与全部公差的关系。
在安全情况，球引脚与焊盘接触。在最大贴装精度中，阻焊膜的厚度起到重要作用。（图 10 ）
安全界限也取决于球引脚直径及阻焊层的窗口的关系。（图 11）
如果球引脚与焊盘铜表面接触，安全界限可以计算得到。（ 图 12）
表 1 列示的在实验中，使用三种不同阻焊层厚度测试板，计算得到的安全界限及贴装精度。
具有局部阻焊层定义基准标志的阻焊层定义焊盘的器件装焊测量结果；
l 在球引脚直径，最小阻焊膜窗口，阻焊层厚度之间存在紧密的关系。所有参数在最大贴装精度起到重要作用。
l 实验结果证明；当阻焊层窗口大于等于85%球引脚直径。此时，阻焊层的厚度应小于或等于10μm。
l 如阻焊层基准标志发生偏移，则阻焊膜定义焊盘也偏移相同距离。对偏移或非偏移阻焊层，允许偏差保持相同。
l 对阻焊层窗口是70%器件球引脚直径,在再流焊时，有一些引脚停留在阻焊层上与铜层不接触，这些球引脚没被焊接。
实验显示贴装精度依赖于器件球引脚间距及基板的设计。对铜层定义焊盘，器件球引脚必须与焊盘接触，所以超出焊盘40%的贴装偏差是允许的。对阻焊层定义焊盘，球引脚，阻焊层窗口及阻焊层厚度有着紧密的关系。超出阻焊层窗口20%是允许的。
实验结果证明；如表 2所列；假定铜层定义焊盘大小为70%CSP器件球引脚直径，阻焊层定义窗口大小至少为85%Flip-Chip器件球引脚直径，则推论器件引脚间距可小到100μm。
建议的CSP/Flip-Chip的贴装精度应保证最高的工艺质量。低的贴装精度会造成不必要的误差，而且缺陷的变化也随之增加。
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球引脚直径 190μm
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SR窗口 190μm
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SR窗口 160μm
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SR 层厚度μm
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安全界限μm
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贴装精度μm
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贴装精度μm
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5
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30
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65
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50
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10
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42
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53
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38
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15
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51
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44
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29
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器 表 1 安全界限与贴装精度计算值
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器件球引脚间距μm
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CSP/铜层定义焊盘
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FlipChip/阻焊层定义焊盘
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750
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80
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50
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500
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70
|
40
|
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400
|
60
|
30
|
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300
|
40
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25
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250 微处理器
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25
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200 微处理器
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20
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150 微处理器
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17
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125 研制中
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14
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100 研制中
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10
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表 2 焊剂装焊工艺装焊阵列器件建议采用的贴装精度（3σ）