CN115458420B - 一种ic载板的植球工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种IC载板的植球工艺，包括以下步骤：根据要求的锡球高度范围和直径范围，确定钢网的开孔尺寸、锡粉的颗粒度大小以及锡膏的粘度；根据锡膏的粘度，计算钢网的厚度；将IC载板放置在固定治具上；将IC载板、钢网和固定治具放入印刷机进行锡膏印刷；印刷后脱模并对IC载板进行锡膏位置及锡膏体积检查；确认锡膏印刷的体积及位置准确后，将已刷锡膏的IC载板放入回流炉中进行回流结晶；IC载板植锡成型后进行清洗；对成型后的IC载板进行光学检查。本申请根据在IC载板上进行超小锡球的植球要求来设计选取合适的锡膏以及钢网尺寸，利用钢网和锡膏对IC载板进行印刷，实现了超小植球的植入，无须使用昂贵的植球机以及植球治具，降低了成本。
Description
技术领域
本申请涉及芯片封装加工的技术领域，尤其是涉及一种IC载板的植球工艺。
背景技术
随着半导体技术的发展，半导体芯片在市场上占据份额也越来越大。由于半导体芯片封装的特殊性，半导体芯片封装在IC载板上，并且在IC载板上形成封装体来保护半导体芯片。IC载板上通过焊点和半导体芯片进行电性连接，并且焊点呈半球状的锡球。
目前，针对IC载板上的锡球植入，通常采用以下步骤：1、在IC载板上涂刷一层助焊剂；2、使用专用植球夹具来对IC载板进行固定并将钢网放置在专用植球夹具上；3、利用植球机来将球池中的锡球吸附放置在钢网中；4、钢网脱板；5、对锡球进行加热使锡球和IC载板焊接。通过这种方法，植球机植入的锡球的尺寸普遍为球径(ball)在0.1mm以上，球间距(Pitch)在0.2mm以上。针对超小球径在0.1mm以下，超小球间距在0.2mm以下的IC载板，受限于植球机的工作范围和现有锡球的尺寸，植球机无法实现对超小球径和超小球间距的IC载板的植球。并且专用的植球夹具以及植球机价格昂贵，效率低，每次只能够进行单个芯片操作。
针对上述中的相关技术，存在有植球机无法实现对超小球径和超小球间距的IC载板的植球的缺陷。
发明内容
为了实现对超小球径和超小球间距的IC载板的植球，本申请提供一种IC载板的植球工艺。
本申请提供的一种IC载板的植球工艺，采用如下的技术方案：
一种IC载板的植球工艺，包括以下步骤：
根据IC载板植球要求的锡球高度范围和锡球直径范围，确定钢网的开孔尺寸、锡粉的颗粒度大小以及由锡粉组成的锡膏的粘度；
根据锡膏的粘度，计算钢网的厚度；
将IC载板放置在固定治具上，并对钢网和固定治具进行位置对齐；
将IC载板、钢网和固定治具放入印刷机中进行锡膏印刷；
印刷后脱模并对IC载板进行锡膏位置及锡膏体积检查；
确认锡膏印刷体积及位置准确后，将已刷锡的IC载板放入回流炉中进行回流结晶；
IC载板植锡成型后进行清洗；
对成型后的IC载板进行光学检查。
通过采用上述技术方案，在通过印刷锡膏的方式来形成超小的锡球时，根据超小的锡球要求来选取钢网的开孔尺寸，以及选取合适大小的锡粉的颗粒度。通过确定好的锡膏的粘度来计算钢网的厚度，以使得在印刷后加热形成的锡球能够满足要求。
在锡膏、钢网和固定治具都准备好之后，通过印刷机来对IC载板进行锡膏的植入，并在脱模后对植入的锡膏进行检查，尽量排除锡膏缺失的情况。在印刷的锡膏体积及位置准确之后进行加热熔化形成锡球，最后进行清洗和光学检查来判断产品合格率。通过印刷的方式，解决了植球机目前无法植入超小尺寸的锡球的问题，同时还无须使用植球机和植球夹具，减小了生产成本。
可选的，钢网的开孔尺寸为IC载板植球要求的锡球直径范围内的最大值。
通过采用上述技术方案，将钢网的开孔尺寸设置为IC载板植球要求的锡球直径范围内的最大值，在刷锡过程中，填入的锡膏的直径不会大于要求的锡球直径范围内的最大值。同时，受限于各种环境影响，在钢网的开孔中若没有完全填满锡膏，尽可能保持锡膏填入的数量足够，以使得成型后锡球尺寸不会偏差太大。
可选的，钢网的厚度的计算公式为：其中其中，h2、h3、h4、α和k均为正整数，h2为IC载板植球要求的锡球高度范围内的最大值，h3为钢网的厚度，h4为IC载板上油墨的厚度，α为锡膏中助焊剂的含量占比，k为助焊剂的温度挥发系数。
通过采用上述技术方案，由于IC载板上使用油墨来保护IC载板上的线路。在IC载板上油墨的高度普遍高于焊盘的高度，因此在印刷过程中，钢网和IC载板表面贴合时，IC载板上的焊盘和钢网之间并没有贴合，之间的距离并不完全是钢网的厚度，因此在对于钢网的厚度选择时，并不是直接按照锡球高度去选择的。在选取好锡膏之后，通过计算锡膏在成型前和成型后的体积变化，来计算出在满足锡球高度范围内最大值所对应的锡膏高度，从而得出钢网的厚度。
可选的，在钢网开孔后对钢网进行纳米涂层镀膜。
通过采用上述技术方案，由于钢网会有毛刺，不便于在超小开孔下进行锡膏下锡，因此通过在钢网上进行纳米涂层镀膜，来增加锡膏下锡的顺畅。
可选的，在锡膏印刷前对印刷机进行参数设置，参数设置包括设置印刷压力6～10kg、印刷速度40～70mm/s、脱模速度0.5～1mm/s以及脱模距离0.5～1mm。
通过采用上述技术方案，通过对印刷机进行参数设置，在持续的多次印刷锡膏之后，能够保持印刷下锡良好、顺畅、无堵孔等现象。
可选的，在IC载板进行锡膏位置及锡膏体积检查的步骤中，使用光学相机对IC载板进行拍照检查。
通过采用上述技术方案，在刷锡之后，通过对IC载板进行光学相机检测，来判断刷锡是否良好，提前检出不良品。
可选的，在将已刷锡的IC载板放入回流炉中进行回流结晶步骤中，包括：
使用氮气环境进行预热和回流加热；
预热温度设置在50～217℃之间，预热时间设置在50～100秒之间；
预热之后开始回流加热，回流时间设置在40～140秒之间，回流温度在217℃以上，最高回流温度设置在235～255℃。
通过采用上述技术方案，利用氮气环境进行加热，来减少加热过程中焊接面的氧化，提高焊接的湿润性。同时，由于超细锡粉的温度曲线和正常锡粉的温度曲线存在差异，通过合理设置加热时间来保证焊接的完整性。
可选的，在IC载板植锡成型后进行清洗的步骤中，包括：
使用喷淋机对已植球的IC载板进行喷淋清洗；
设置喷淋机工作参数，设置工作参数包括设置喷嘴压力3～4kg和喷嘴高度8cm；
清洗包括以下步骤：
载板润湿，所述载板润湿以用于初步软化载板表面上的残留物；
载板清洗，所述载板清洗以用于分离载板表面上的残留物；
载板初漂洗，所述载板初漂洗以用于清洗掉载板表面上的残留物；
载板漂洗，所述载板漂洗以用于增加载板表面的清洁度；
载板风干，所述载板风干以用于干燥载板的表面。
通过采用上述技术方案，利用喷淋机对IC载板进行清洗，来快速清洗掉残留的助焊剂成分。
可选的，在对成型后的IC载板进行光学检查的步骤中，包括使用X射线检查设备对IC载板进行空洞率测试。
通过采用上述技术方案，利用X射线检查设备对IC载板进行空洞率测试，来统计出当前锡球中不合格的锡球数量，来快速排除不良品。
可选的，所述固定治具上设置有和IC载板尺寸一致的凹槽。
通过采用上述技术方案，利用固定治具来对IC载板进行固定，尽量避免产品在高温回流炉中发生形变。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.根据超小锡球的植球要求来设计选取合适的锡膏以及钢网尺寸，利用钢网和锡膏对IC载板进行印刷，实现了超小植球的植入，无须使用昂贵的植球机以及植球治具，降低了成本；
2.对于超小的钢网开孔，在持续的多次印刷锡膏之后，也能够保持印刷下锡良好和顺畅；
3.能够快速对不良品进行检出，增加工作效率。
附图说明
图1是本申请实施例IC载板的植球工艺的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本申请作进一步详细说明。
目前，随着半导体技术的发展，芯片引脚也逐渐发展为球栅阵列结构。针对IC载板上的锡球植入，通常是使用植球机来进行锡球的植入。植球的过程通常采用以下步骤：1、在IC载板上涂刷一层助焊剂；2、使用专用植球夹具来对IC载板进行固定并将钢网放置在专用植球夹具；3、利用植球机来将球池中的锡球吸附放置在钢网中；4、钢网脱板；5、对锡球进行加热使锡球和IC载板焊接。
植球机需要吸取锡球并放置锡球，因此植球机对于锡球的尺寸也是有较高的要求。通过上述方法，植球机植入的锡球的尺寸普遍为球径(ball)在0.1mm以上，球间距(Pitch)在0.2mm以上。针对超小球径在0.1mm以下，超小球间距在0.2mm以下的IC载板，受限于植球机的工作范围和现有锡球的尺寸，植球机无法实现对超小球径和超小球间距的IC载板的植球。并且专用的植球夹具以及植球机价格昂贵，效率低，每次只能够进行单个芯片操作。
本申请实施例公开一种IC载板的植球工艺。参照图1，IC载板的植球工艺包括以下步骤。
S1、根据IC载板植球要求的锡球高度范围和锡球直径范围，确定钢网的开孔尺寸、锡粉的颗粒度大小以及由锡粉组成的锡膏的粘度。
通过印刷锡膏的方式来对IC载板进行植锡，一方面是解决当前植球机无法植入超小球径的锡球，另一方面是解决目前植球机以及相关治具价格昂贵，生产成本高。
在得到IC载板植球要求的锡球直径范围时，钢网的开孔尺寸也能够确定下来。在实际生产过程中，IC载板植球要求的锡球高度和锡球直径都会有一个标准值，但同时也会存在波动值。具体的，植球要求的锡球直径范围在D±d0之间。D为要求的锡球直径标准值，d0为锡球直径在标准直径附近的正常波动值。d1为直径范围内的最小值，d2为直径范围内的最大值；d1＝D-d0，d2＝D+d0，其中，D、d0、d0和d2为正整数。
显然，d2是要大于d1。由于植球要求的直径较小，在印刷锡膏以及锡膏成型时，锡膏可能并没有完全填充在钢网开孔内，最终形成的锡球直径会小于锡膏的直径。因此在制作钢网时，将钢网的开孔直径设置为d2，以最大程度保证锡球的直径尺寸在保持在正常值附近。即通过将钢网的开孔尺寸设置为植球要求的直径范围内的最大值，来避免锡膏成型期间因环境因素导致锡球尺寸不达标的情况。以要求的锡球直径为70±10um为例，那么钢网的开孔直径为80um。并且在钢网开孔后对钢网进行纳米涂层镀膜，来增加锡膏下锡的顺畅。
在确定好钢网的开孔尺寸之后，就可以根据钢网的开孔尺寸来选择制作锡膏的锡粉的颗粒度大小。在行业中，一般使用五球规律来选择合适的锡粉，即形成的焊点中需要至少包含五个锡粉的颗粒。对于锡粉而言，颗粒度尺寸越低，制造难度越大，并且相应的锡粉材料成本也会越高。
参照下表1，根据现有的锡粉尺寸和表面积对比表格，来选择合适的锡粉种类。
表1不同种类锡粉的颗粒度对比
结合表1，在要求锡球直径为70±10um之间时，为确保最后成型的锡球中均存在至少五个锡粉，即在锡球尺寸最小时也要满足五个锡粉的颗粒。那么锡粉的颗粒度最大不能超过12um，所以锡粉种类只能是在7～9号锡粉。并且由于锡粉颗粒度越小，价格越贵，因此在选取锡粉种类时，一般选择7～8号锡粉。
在选取好锡粉颗粒度时，就需要确定好锡膏的成分比例。锡膏一般包含锡粉、助焊剂和活性物质，而助焊剂的含量则是会影响到锡膏的粘度和触变系数(Ti值)。锡膏粘度和触变系数主要与助焊剂有关，助焊剂的配方决定了锡膏的粘度和触变系数。锡膏粘度还有锡粉的质量及比例有关，锡粉质量好，表面平整光滑。采用相同锡粉和助焊剂的情况下，助焊剂比例越高，锡粉比例越低，其锡膏粘度越低。粘度太低容易坍塌连锡的问题，粘度太高容易出现难于下锡，粘钢网问题。本实施例中，通过确定好钢网开孔以及锡粉颗粒度之后，通过完成多种粘度和Ti值验证、经多次反复验证最终得出粘度为204pa.s(帕斯卡·秒)以及Ti值为0.65能够下锡良好且能多次重复印刷。
S2、根据锡膏的粘度，计算钢网的厚度。
在确定好IC载板植锡球所需要的锡膏的成分比例时，通过锡膏成分比例来计算钢网的厚度。由于锡膏中的存在锡粉和助焊剂，而助焊剂在加热过程中会挥发掉，从而使得锡膏在融化形成锡球时会发生体积减小的情况。
除此之外，IC载板上还有一层油墨层来保护IC载板上的电路板。而在IC载板上，油墨层的高度要高于IC载板上的焊盘高度。在印刷锡膏时，钢网和IC载板的表面接触，但是实际情况下，锡膏和焊盘接触时，由钢网植入的锡膏的厚度会比钢网本身的厚度还要厚。因此，若直接通过IC载板植球要求的锡球高度范围直接选取钢网厚度时，最终会造成锡球的高度和IC载板植球要求不符合的情况。
具体的，植球要求的锡球高度范围在H±h0之间，H为要求的锡球标准高度值，h0为锡球高度在标准高度附近的正常波动值。h1为锡球高度范围内的最小值，h2为锡球高度范围内的最大值；h1＝H-h0，h2＝H+h0，其中，H、h0、h1和h2均为正整数。显然，h2是大于h1的。以要求的锡球高度21±7.5um为例，最终形成的锡球高度的范围在13.5～28.5um之间。
在钢板和IC载板抵接并进行印刷时，在IC载板引脚上的锡膏的体积 其中，h3为钢网的厚度，h4为IC载板上油墨的厚度。在锡膏成型之后，锡膏中的助焊剂会挥发，导致体积减小。因此，锡膏的体积转化率主要和助焊剂的成分呈负相关。
例如：若锡膏内助焊剂的总体积为a，锡膏总体积为c，助焊剂在某一温度下的挥发系数为k，则成型后锡膏剩余体积为其中，/>为锡膏中助焊剂的含量占比α，即锡膏在成型后的体积转化率为1-kα。
由于锡膏在IC载板上最终会形成半球形，具体为半椭球型，因此，锡球最终的体积而锡球最终的体积由印刷后的锡膏经加热融化后转换得来，即V2＝V1*(1-kα)，将V1和V2代入计算得出/>因此在实际使用过程中，可根据多次试验测量出平均值。而助焊剂的含量占比α也在锡膏制作时能够得知。
除此之外，在选取钢网的厚度时，还需要满足以下两个条件。第一个是钢网开孔的宽度和钢网的厚度比值要大于1.5。第二个是钢网开孔的面积和钢网开孔的孔壁面积之间的比值要大于0.66。本实施例中，根据要求的锡球直径70±10um，要求的锡球高度21±7.5um。最终设计并选取的钢网开孔直径尺寸为80um，钢网厚度为30um。钢网开孔的宽度和钢网的厚度实际比值为2.67，满足第一个条件。钢网开孔的面积和钢网开孔的孔壁面积之间的实际比值为0.67，满足第二个条件。
S3、将IC载板放置在固定治具上，并对钢网和固定治具进行位置对齐。
由于IC载板比较单薄，为了防止IC载板在后续印刷锡膏以及加热过程中发生形变，通过固定治具为IC载板提供印刷支撑，同时防止产品在回流高温过程中形变。其中，固定治具上设置有和IC载板尺寸一致的凹槽，以便于对IC载板进行良好的固定。
S4、将IC载板、钢网和固定治具放入印刷机中进行锡膏印刷。
在IC载板、钢网、固定治具以及锡膏准备好时，就可以将IC载板、钢网和固定治具放入印刷机中进行锡膏印刷。在印刷前，还需要对印刷机进行参数设置。其中，参数包括印刷压力、印刷速度、脱模速度以及脱模距离这四个参数。针对实际印刷过程，对印刷机进行多次的参数调整，以达到最终下锡良好，无堵孔、印刷拉尖、连锡和少锡这几种不良情况。具体的，通过多次调整，最终设置的印刷压力6～10kg之间、印刷速度在40～70mm/s之间、脱模速度在0.5～1mm/s之间以及脱模距离0.5～1mm之间。
S5、印刷后脱模并对IC载板进行锡膏位置及锡膏体积检查。
在锡膏印刷之后，对IC载板进行脱模处理。由于脱模过程中，可能会存在部分锡膏卡在钢网的开孔中，导致锡膏和IC载板的引脚之间脱离。这样直接加热会使得IC载板引脚上会存在较多的漏焊情况。因此在脱模之后利用对IC载板的植锡部分进行光学相机检查，以及时查找出没有植入锡膏的位置，以及印刷的锡膏提及不符合标准的地方，提前排除不良品。
S6、确认印刷锡膏的体积及位置准确后，将已刷锡的IC载板放入回流炉中进行回流结晶。
回流炉主要是将位于IC载板引脚上的锡膏融化形成锡球。在进行加热时，使用氮气环境对IC载板进行预热以及回流加热，以较大程度上减小锡膏被氧化的问题。并且对于超细锡粉，融化时的温度曲线和正常锡粉的温度曲线存在差异。通过试验来设置合理预热时间以及回流加热时间，来保证焊接的完整性。具体的，预热温度设置在50～217℃之间，预热时间设置在50～100秒之间。在预热之后开始回流加热，回流时间设置在40～140秒之间，回流温度在217℃以上，最高回流温度设置在235～255℃。
S7、IC载板植锡成型后进行清洗。
在回流炉加热过程中，助焊剂会融化挥发，因此助焊剂也会流到IC载板表面的其他位置上。在IC载板的锡球成型之后，利用喷淋机对IC载板进行喷淋清洗，以清洗掉IC载板上的助焊剂以及加热过程中的其他杂质。
其中，使用喷淋机时，需要对喷淋机进行合理的参数设置，来避免清洗不完全或者是清洗过度造成IC载板引脚上锡球被清洗掉。具体的，设置喷淋机工作参数包括设置喷嘴压力3～4kg和喷嘴高度8cm。
清洗的过程中，包含以下步骤。
载板润湿，其中，载板润湿以用于初步软化载板表面上的残留物。具体的，使用10％的乳化液在温度40～50℃范围内来初步软化载板表面上的残留物。设备的传送链速为50cm/min，通过喷淋来实现乳化液和载板表面接触软化。
载板清洗，其中，载板清洗以用于分离载板表面上的残留物。具体的，使用20％的乳化液载温度50～60℃范围内来对载板表面的残留物进行清洗，以分离载板表面上的残留物。
载板初漂洗，其中，载板初漂洗以用于清洗掉载板表面上的残留物。具体的，使用去离子水来清洗载板的表面，以清洗掉乳化液以及载板表面上的残留物。去离子水可以循环过滤使用，并且去离子水的温度设定载40～50℃之间。
载板漂洗，其中，载板漂洗以用于增加载板表面的清洁度。具体的，使用直流的去离子水来对载板进行漂洗，从而确保载板表面上的清洁度。去离子水的温度载40～50℃之间。
载板风干，其中，载板风干以用于干燥载板的表面。具体的，使用35～45℃的热风来对载板表面进行风干。风压设置为3kg，并且风嘴距离载板表面的高度为8cm，风嘴和载板表面的垂直夹角为15°。
S8、对成型后的IC载板进行光学检查。
在清洗过后对IC载板进行光学检查，并且利用X射线检查设备进行检查。一方面是检测锡球是否被清洗掉，另一方面是检查锡球的空洞率，以及时发现产品是否合格。
本申请实施例的实施原理为：根据超小锡球的植球要求来设计选取合适的锡膏以及钢网尺寸，利用钢网和锡膏对IC载板进行印刷，实现了超小植球的植入，无须使用昂贵的植球机以及植球治具，降低了成本。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种IC载板的植球工艺，其特征在于，包括以下步骤：
根据IC载板植球要求的锡球高度范围和锡球直径范围，确定钢网的开孔尺寸、锡粉的颗粒度大小以及由锡粉组成的锡膏的粘度；
计算钢网的厚度，其中，钢网的厚度的计算公式为：；其中/>、、/>、/>和/>均为正整数，/>为IC载板植球要求的锡球高度范围内的最大值，/>为钢网的厚度，/>为IC载板上油墨的厚度，/>为锡膏中助焊剂的含量占比，/>为助焊剂的温度挥发系数；
将IC载板放置在固定治具上，并对钢网和固定治具进行位置对齐；
将IC载板、钢网和固定治具放入印刷机中进行锡膏印刷；
印刷后脱模并对IC载板进行锡膏位置及锡膏体积检查；
确认印刷锡膏的体积及位置准确后，将已刷锡的IC载板放入回流炉中进行回流结晶；
IC载板植锡成型后进行清洗；
对成型后的IC载板进行光学检查。
2.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：钢网的开孔尺寸为IC载板植球要求的锡球直径范围内的最大值。
3.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：在钢网开孔后对钢网进行纳米涂层镀膜。
4.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：在锡膏印刷前对印刷机进行参数设置，参数设置包括设置印刷压力6~10kg、印刷速度40~70mm/s、脱模速度0.5~1mm/s以及脱模距离0.5~1mm。
5.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：在IC载板进行锡膏位置及锡膏体积检查的步骤中，使用光学相机对IC载板进行拍照检查。
6.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：在将已刷锡的IC载板放入回流炉中进行回流结晶步骤中，包括：
使用氮气环境进行预热和回流加热；
预热温度设置在50~217℃之间，预热时间设置在50~100秒之间；
预热之后开始回流加热，回流时间设置在40~140秒之间，回流温度在217℃以上，最高回流温度设置在235~255℃。
7.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：在IC载板植锡成型后进行清洗的步骤中，包括：
使用喷淋机对已植球的IC载板进行喷淋清洗；
设置喷淋机工作参数，设置工作参数包括设置喷嘴压力3~4kg和喷嘴高度8cm；
清洗包括以下步骤：
载板润湿，所述载板润湿以用于初步软化载板表面上的残留物；
载板清洗，所述载板清洗以用于分离载板表面上的残留物；
载板初漂洗，所述载板初漂洗以用于清洗掉载板表面上的残留物；
载板漂洗，所述载板漂洗以用于增加载板表面的清洁度；
载板风干，所述载板风干以用于干燥载板的表面。
8.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：在对成型后的IC载板进行光学检查的步骤中，包括使用X射线检查设备对IC载板进行空洞率测试。
9.根据权利要求1所述的IC载板的植球工艺，其特征在于：所述固定治具上设置有和IC载板尺寸一致的凹槽。
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