小型化一直以來是電子和半導體封裝行業的挑戰，近年來隨著封裝正變得越來越復雜，元件間距不斷在變小，越來越多的芯片和元件會被設計封裝進一個模組中，對此類異構集成的先進封裝工藝產生旺盛的需求，但是在某些場景中，不便使用傳統的印刷工藝，錫膏只能通過點涂或噴射工藝實現，超細粉末錫膏點涂技術的運用通常要專業的點錫設備與材料的正確組合才能實現。本研究主要討論高一致性的精細點錫膏的解決方案，以及不同的點錫設備和錫膏之間特性差異，通過統計學的方法如CPK和標準差分析數據，呈現相應的分析結果。
介紹
錫膏點錫技術在電子行業已廣泛應用多年。這是一個成熟的過程，單點的大小或線寬通常在幾百微米。然而，小型化正在推動行業走向異構集成，如(System-inPackage,SiP)系統集成封裝。這導致不同的模具和組件被包裝成非常緊密的結構，使錫膏點涂一個具有挑戰性的過程。在某些情況下，錫膏不適用印刷工藝。例如，當它涉及到非平面或有空腔設計的基板時;或者當模板的設計和 厚度有一定的限制時，較大的焊盤需要更多和更厚的錫膏時，小的焊盤需要更少的錫膏，那么點涂錫膏錫膏可以作為另一種方法來替代。
現在的挑戰是，如何以合理的速度，在100μm或更小的點均勻地涂抹錫膏。實現這一目標主要有兩個變量—— 正確選擇點錫設備技術和焊錫膏。兩者需要一起工作，以實現100μm點大小或更小的超細錫膏分配。焊錫膏的點錫機理是關鍵之一，因為不同的點錫機理對不同的焊錫膏流 變性能起作用。
背景
錫膏
焊錫膏是焊錫粉顆粒和助焊劑的混合物。這兩個組件在實現超細點錫方面起著重要作用。助焊劑的作用是除去氧化物，使焊料能濕潤到目標表面。不同的應用條件還需提供相應的流變性，如印刷或點涂。通常錫膏表現為一種 有粘性的彈性材料——當施加低剪切力時，它表現為一種 彈性固體，當施加更高的剪切力時，它表現為一種粘性流體。不同的點錫設備或工藝需要不同的流變性才能達到最佳點錫效果。另一方面，焊錫粉可以由不同的合金和粉末尺寸組成。由于合金的比重和硬度不同，不同的合金。不同的粉末顆粒尺寸，粉末形態都與粘度相關聯，粉末尺寸對目標點錫尺寸的適配性，粉末的大小應根據所使用的針頭內徑規范來選擇。根據經驗，最大粉末顆粒的直徑應該允許5-7個粉末球與所選針的內徑相通過，以避免堵塞。
表1/顆粒尺寸表
更細的粉末顆?？赡苡兄诟鼘挼倪^程窗口，但它也帶 來了一些挑戰。首先，較細的粉末具有較高的冷焊傾向。 在相同質量下，較細的粉末比較大的顆粒具有更大的表面 積。因此，當有更多的表面積時，冷焊的可能性也增加， 特別是在涉及高壓或機械力的點錫技術。
其次，表面積的增加也意味著隨著粉末的細化，氧化 物水平也更高。因此，較細的粉末將提前耗盡助焊溶劑能力，如果錫膏是在非惰性氣氛下回流，對整體焊接錫膏是特別具有挑戰性的，并容易造成各種缺陷，如葡萄球狀、空洞和潤濕性差等。圖1顯示了粉末由粗轉細時不同的表面積。如T3粉與T6SG粉相比，表面積從0.173sqm/g增加到 0.662sqm/g;所以它的表面積是T3粉末的近四倍。
焊錫粉的圓度和均勻性也至關重要，以減少由于顆粒過 大而產生堵塞的風險。圖2顯示了半導體行業中典型的T6粉 末。掃描電鏡圖像顯示不規則形狀的粒子。雖然這對常規 應用來說已經足夠好了，但超細分配需要使用更好質量的 粉末來提高一致性。需要特殊的技術來生產均勻圓度和最 小不規則形狀的粒子的高質量粉末，如圖3所示；
涉及助焊劑和合金粉末，有幾個關鍵的參數可以有助于 點錫的一致性。首先，需要優化金屬含量，以確保錫膏形 態中有足夠的助焊劑。金屬含量是指助焊劑和合金粉末兩 者之間的重量比。由于合金間比重不同，需要對應地調整 金屬負載，以確保得到優化的金屬粉末的助焊劑體積比。 例如；將含鉛合金Sn63/Pb37與無鉛合金SAC305進行比 較，相應合金的比重分別為8.42g/cm3和7.38g/cm3。在相 同的體積里，含鉛合金的重量較大，因此需要較高的金屬 來彌補合金/助焊劑體積比。
點涂技術
氣動和螺桿系統是錫膏點錫應用的兩種傳統方法，在行 業中仍被非常廣泛地使用。氣動點錫系統也稱為注射器點 錫機，它利用點錫時間周期相對于一定水平的流體空氣壓 力來控制點錫量。螺旋閥體系統采用螺桿旋轉機構作為工 作原理，通過一定的螺桿旋轉次數、轉速和一定水平的流 體空氣壓力來控制輸出量。因此，與傳統的氣動分配器相 比，螺旋系統能夠更一致地控制沉積體積。螺旋閥體使用 螺旋螺絲安裝在閥體的殼體內;螺桿的旋轉通常由旋轉電機 驅動，使錫膏沿著螺桿軸線從送料點一直移動到點錫嘴尖 端。圖5說明了螺旋閥體的工作原理。
螺桿與閥體殼之間的公差配合通常設計為滑動配合，其 間隙范圍為3~25μm。這一間隙通常適合大多數一般的流體 應用，特別是非填充材料，如UV膠水和硅系膠水?；蚴菐? 有填料的材料，如芯片底填膠，環氧樹脂，以及一些由顆 粒填料組成的導電油墨，這些填料小于幾微米，通常都不 是一個問題，以實現與螺旋閥體的一致劑量。但焊錫膏粉 末尺寸分布較廣，在點錫過程中可能會造成不可預知的噴 嘴堵塞和粉末變形。圖6顯示了一個例子，焊錫粉末變形在 閥體內形成螺旋片狀，這可能導致堵塞的噴嘴。
由于這些原因，氣動和螺桿閥體分配方法各有優缺點。但是，當嘗試這樣一個小體積的點錫膏點錫膏任務時，無論是點狀還是線段，由于噴嘴堵塞、材料不均勻、錫 膏流量不一致、錫膏間隙不均勻等原因，兩種方法可能都 無法取得良好的效果。氣動點錫和螺旋系統都將面臨實現 ≤150μm點或劃線的困難。
創新的閥體，如容積閥體、擠壓閥體和噴射閥體，已經 被開發出來，以彌補氣動和螺桿閥體分配系統的缺點。容 積閥體采用注射注射器的工作原理;它利用精密電動線性驅 動器，創造正位移點錫效果，以實現預設和精確的點錫體 積。該系統對任何材料的粘度隨時間的變化都不敏感，并 且通過一個恒定的活塞桿運動產生的材料具有非常高的重 復性。根據活塞桿面積與活塞運動行程的關系，可以準確 地預估出配藥結果的輸出體積。圖7a、圖7b為容積閥體的 工作原理及容積計算原理。
除容積閥體外，擠壓閥體點錫系統是另一種點錫技術， 它將時間壓力控制元件與獨特的可壓流體擠壓腔相結合。 它同步指定的流體序列控制器(FSC單元)，以識別和量化極 微小的焊點和線。擠壓分配器的設計是獨特的，很容易適 應大多數高觸變和高黏度的材料與填料，如銀環氧樹脂和 錫膏。擠壓閥體的另一個優點是，在分配材料腔內沒有任 何移動機構，從而減少了粉碎焊錫粉或引起助焊劑分離問 題的任何風險。因此，大大降低了擠壓閥體在點涂過程中 粉末發生變形而導致噴嘴堵塞的風險。
除了擠壓閥體外，另一個點錫系統要考慮的是高性能運 動平臺。為了達到單點或線條的精度，單點直徑與點錫間 隙之間的參考縱橫比約為3:1。例如，要調配一個?90μm的 圓點，可能需要使用圓點直徑的三分之一;30μm是它的點錫 高度，位于噴嘴尖端與板之間。這種微小的間隙對于傳統 的機器人來說幾乎是不可能處理的。因此，對于整體可有 可無的水平度控制、機構剛度、穩定性和運動精度，需要 一種新的、可靠的高性能運動平臺。圖9a顯示了傳統運動 平臺與新的和改進的運動平臺的性能比較。圖9b顯示了創 建精細焊點時的點錫運動。
實驗方法
本研究將考察80μm和100μm單點/劃線涂錫的工藝性能。每塊測試板將有4000個圓點。每個步驟需要在沒有跳 躍的情況下連續獲得4000個點，然后才能進行測量。只需 要120次測量(一行)，因為測量每個點是耗時的。
原料
選擇了四種錫膏。樣品考慮了不同金屬載荷、溶劑類型 和粉末合金。錫膏A和錫膏B具有相同的助焊劑體系（Flux X），但合金粉末類型不同。兩者的金屬含量不同來考慮到 粘度之間的差異。漿料C、D具有相同的助焊劑體系（Flux Y），但金屬含量不同，考察不同金屬含量對點錫一致性的影響。
測試條件
選擇的測試載體是一個6英寸的晶圓，因為它有一個 非常平坦的表面;這是為了排除任何由表面不平整引起的變化。
設備
NSW微擠壓閥體配S400H點錫運動平臺
NSW-S50-C ?100μm內徑的系列陶瓷噴嘴(圖11)
基恩士VHX6000 2000倍數放大數字顯微鏡
結果和討論
錫膏助焊劑配方的影響
不同的助焊劑配方具有不同的流變特性或觸變性行為，這是決定錫膏點錫性能的關鍵。圖12顯示了錫膏B和錫膏D的比較。兩種錫膏都是免洗型配方;盡管具有相似的粘度范 圍，但它們的流變行為是不同的?？梢钥闯?，與錫膏D相 比，錫膏B在一致性和平均值方面表現明顯更好。
在對比B膏和D膏劃線圖形時，也發現了類似的趨勢， 如圖13所示?？梢杂^察到，與D錫膏相比，B錫膏有更緊密的擴散。
金屬含量的影響
圖14顯示了錫膏C和錫膏D的對比。兩種錫膏都有相同 的免洗型助焊劑（Y），但粉末/助焊劑的重量比例不同， 分別為78%和82%?？梢杂^察到，較低的金屬含量版本的 性能略好于較高的金屬含量版本。與較高的金屬含量錫膏樣本相比，測得的體積分布更緊密，平均值更高。盡管金 屬含量有4%的差異，但點錫的結果非常相似。這可能是由 于兩種漿料的觸變性指數，由于相同的溶劑體系，它們幾 乎是相同的。金屬載荷的變化結果只是在粘度上的差異。 這進一步說明，在點錫過程中，錫膏的觸變行為比粘度的 作用更大。在這些錫膏的金屬含量并達到一個最低的點之 前，并未導致滴落和坍落問題出現，仍有空間進一步優化 這些錫膏的金屬含量。
粉末合金的影響
由于SnPb合金和SAC305合金的比重不同，當金屬負載 含量相同時，相同體積的錫膏中焊錫粉的數量是不同的， 這可以通過調整金屬含量來補償。因此，通過正確的計算，可以確定正確的金屬含量,盡管樣品的合金不同，但也 可以達到相似的點錫效果。然而，這也可能取決于不同閥 體的設計，對于擠壓型閥體設計即使最小的力量施加到粉 末，也有可能引起粉末的變形，在本研究中。如果加大閥 體中的壓力，較軟的粉末合金可能會冷焊在一起，導致焊 料團塊，堵塞針頭。
80μm點狀與線段的點錫工藝能力
在本研究中，A錫膏的表現是所有樣品中最好的，圖18 和圖19顯示了使用±20μm規范限的錫膏B的Cpk分析。錫膏 B與擠壓閥體的結合能夠實現噴涂直徑80μm的點錫工藝。 公差應能夠進一步收緊至±15μm或±10μm。
閥體之間的區別
本研究還對氣動閥體和螺桿閥進行了測試，然而，氣動閥體與螺桿閥體均未能在連續分發4000個點而不遺漏點。 因此，沒有對這些測試組進行測量。
結論
?通過使用正確的設備和錫膏材料組合，可以實現點錫精確到80μm的單點或劃線的能力過程。
?點錫工藝中錫膏是關鍵參數，助焊劑的觸變特性比粘度值更重要。
?金屬含量調整可以達到最佳的點涂效果。不同的閥體可能會產生不同的金屬負載要求。
?不同類型粉末合金差異不明顯;這可能是與閥體的類型相關，它對錫膏施加最小的機械力。通過調整金屬載荷，SnPb和SAC305兩種合金錫膏均可獲得相似的點錫效果。
