劉勁松，閆 雷，王 鶴

(1. 上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2. 上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114)

BGA植球機真空植球法研究

劉勁松1,2，閆 雷1，王 鶴2

(1. 上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2. 上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114)

錫球拾放技術(shù)是BGA植球的關(guān)鍵技術(shù)，真空植球技術(shù)適用于BGA芯片或基板植球。真空植球法易發(fā)生丟球和錫球被壓變形兩種植球缺陷。因此有必要對真空植球法關(guān)鍵技術(shù)進行分析和改進，以改善植球質(zhì)量。丟球主要發(fā)生在錫球吸取過程，分析吸球過程，為真空植球頭的功率設計給出了參考。錫球被壓變形發(fā)生在植球過程，根據(jù)植球時錫球的受力情況，給出了錫球極限壓力的計算方法。在此基礎上，針對植球缺陷提出一種新的植球壓力實時壓力控制方案，提升植球良率。在自主研制的BGA植球機上實驗并得到了預期效果。

BGA封裝；真空植球法；植球缺陷；植球壓力

隨著電子行業(yè)對產(chǎn)品小型化、便捷化需求的提高，而封裝技術(shù)直接關(guān)系到產(chǎn)品的功能性和便攜性。在芯片級，為增強器件的性能需要增加I/O數(shù)和硅片尺寸，用傳統(tǒng)的封裝形式無法滿足要求。面積陣列封裝(Area Array Package)可較好地解決上述問題，其可在不犧牲可制造性的前提下提高器件的電性能能和熱設計性能，BGA就是其中一種[1-2]。BGA封裝技術(shù)可分為5類，PBGA、CBGA、FCBGA、TBGA、CDPBGA。BGA封裝增加了I/O數(shù)，但引腳之間距離相比QFP封裝增大，提高了成品率[3-4]。

BGA植球機主要分為3個部分：Magazine上料機構(gòu)(Loader)、錫球投植機構(gòu)(Ball Mounter)、植球后檢測裝置(Post-mount Inspection)。BGA植球機工序如下：(1)上料機構(gòu)(Loader)裝載基板盒，通過基板傳送系統(tǒng)將單塊料片傳送到植球區(qū)；(2)植球區(qū)進行助焊劑轉(zhuǎn)印；(3)植球區(qū)進行錫球移植；(4)基板傳送系統(tǒng)將已植球基板傳送至植球后檢測裝置進行缺陷檢測并下料[5]。

BGA植球機的錫球投植機構(gòu)是技術(shù)核心，主要完成芯片封裝中的助焊劑轉(zhuǎn)印、錫球移植。錫球投植機構(gòu)如不能滿足精度及工作要求就極易導致植球缺陷、植球良率不高。

1 植球技術(shù)

植球機核心技術(shù)是錫球拾放技術(shù)，直接影響到丟球率和球?qū)恃a齊率，國際上主流的方法是真空植球法和重力植球法。重力植球法優(yōu)點是每一循環(huán)的植球數(shù)較多，不出現(xiàn)錫球氧化現(xiàn)象，但易發(fā)生錫球堵塞、錫球變形及錫球粘連，故重力植球法不需要復雜的多球少球檢測系統(tǒng)，但需要圖像對準系統(tǒng)[6]。

真空吸取法的植球機構(gòu)包含錫球供給機構(gòu)和植球真空吸頭，按照供球機構(gòu)的不同可分為兩大類：振盤式真空吸引植球法和預埋式真空吸引法[7]。

振盤式真空吸引植球法首先把錫球用氣流和機械振動使其隨機分布于一定的空間內(nèi)，然后再用吸頭吸取，這種方法簡單成本低，但易造成焊球缺失和焊球粘連。實際生產(chǎn)表明需要多次吸取才能保證錫球吸取完全[8]。

預埋式真空吸引法先將錫球通過供球機構(gòu)按要求置于和BGA基板匹配的模板上，植球時精密真空吸頭直接從模板上吸取錫球[9]。由于供球機構(gòu)通過翻轉(zhuǎn)預埋方式使錫球鋪到精密供球模具中，真空吸頭與供球治具的小孔一一對應，真空吸引法可大幅減少錫球缺失和錫球粘連，有效確保錫球被正確吸取。真空吸球方式主要分翻轉(zhuǎn)供球、對準和吸取3步。真空吸頭拾取工作原理，如圖1所示。

圖1 拾取工作原理

固定供球治具位置 ，供球機構(gòu)將錫球按要求鋪在治具上。通過調(diào)節(jié)吸頭在空間的位置對準模板，對準后Z軸開始下降，隨后抽真空使腔內(nèi)呈負壓，吸取錫球。由于錫球直徑很小所以對吸頭精度要求較高，210 mm長的吸頭上要求平面度和孔的位置精度在0.105 mm和±0.01 mm[10]。由于靜電荷會使錫球粘連在一起或產(chǎn)生不規(guī)則跳動 ，所以在整個供球和吸球過程中要保證無靜電。等離子風扇可消除或中和寬范圍集中目標或不易接觸區(qū)域的靜電，是此處消除靜電的首選。真空頭植球過程，如圖2所示。

圖2 植球原理圖

吸滿焊球的植球頭在x軸和y軸的運動下對準待植球基板，z軸下降，焊球接觸基板并施加適當?shù)膲毫σ韵迓N曲的問題。植球頭真空關(guān)閉，破真空將焊球植到基板凸點上。植球頭z軸上升，進行下一個植球周期[11]。

2 植球缺陷及分析

在吸球和植球過程中因真空植球頭導致植球缺陷的情況主要有兩種：(1)真空吸球頭功率不夠，不能將模板上的錫球全部吸起，導致缺球;(2)植球過程中，植球頭下壓觸及基板，過度下壓使錫球變形[12]。

大理地區(qū)屠宰生豬的戊型肝炎病毒的流行病學調(diào)查………………艾志瓊，李麗娟，黎 勇，閔夢雅，申元英（63）

2.1 吸頭吸取力分析

錫球有兩個狀態(tài)，第一個是錫球位于供球治具上，第二個是錫球被吸附到吸盤上。位于供球治具且剛開動真空機時，如圖3所示。

圖3 錫球位于治具上

(1)

(2)

式中，ρ為錫球密度；d為錫球半徑；P為腔內(nèi)壓強；P0為大氣壓強。

單個錫球被吸起的初始條件為

(3)

式中，S為安全系數(shù)，安全系數(shù)與吸取的方式有關(guān)。水平吸取時安全系數(shù)一般為S≥4,垂直吸取時S≥8,考慮到工件吸取表面的粗糙度等實際情況可再增加1 2倍[13]，此處取S=4?？紤]到此時錫球處于平衡狀態(tài)，且錫球距離吸頭有一定距離。故實際生產(chǎn)時腔內(nèi)壓強需要比P更小。錫球位于吸頭上時真空吸取力與大氣壓強及吸球口內(nèi)壓的關(guān)系為

F=K·ΔP·A

(4)

ΔP=P-P0

(5)

式中，K為有效真空吸附系數(shù)一般取值0.9；A為吸口有效工作面積；N為吸頭對錫球的作用力。剛好能吸住錫球的極限狀態(tài)，即N=0。此時吸力最小F=G，考慮到錫球被吸附后植球頭要移動到植球位置并對準基板，在此過程中植球頭會有運動或急停等情況發(fā)生，會出現(xiàn)輕微抖動。為防止錫球在這個過程中脫落丟失，需要通過實際工作情況和實驗來獲得一個較為安全的工作真空度。

2.2 植球壓力分析及壓力檢測機構(gòu)

在吸球動作完成后，植球頭需要把錫球移植到基板上。由于基板是片狀，在傳輸過程中會產(chǎn)生翹曲，所以植球時需要產(chǎn)生一定的壓力使基板被壓平。植球頭壓力過小則達不到將基板壓平的效果，壓力過大就會造成錫球變形，導致植球不合格。真空植球頭上需要設置壓力檢測機構(gòu)，防止在植球過程中過度下壓導致錫球變形。

(6)

式中，q0為接觸面上最大的壓應力；R為錫球半徑(基板植球錫球直徑一般在0.15～0.76 mm)；P為兩彈性體之間的作用力；μ1,μ2分別錫球和吸頭材料的泊松比；E1和E2分別兩材料的楊氏模量。

錫球在Y方向處于平衡狀態(tài)，所以

P=F+G

(7)

式中，F(xiàn)為植球頭對錫球的壓力；G為錫球自重。要求錫球不變形，則錫球受到的壓應力應不大于錫球的最大耐壓強度，即

q0≤[e]

(8)

[e]為錫球最大耐壓強度，解得

(9)

設基板上的芯片數(shù)為m，每個芯片上I/O數(shù)為n。則植球頭對基板的壓力最大值為

Fmax=mnF

(10)

不同的材質(zhì)及不同直徑的錫球能承受的壓力不同，同樣材質(zhì)和球徑的錫球會因為不同的基板材質(zhì)而導致能承受的極限壓力不同，所以真空植球頭施加在基板上的壓力大小不是定值。通過計算可確定錫球能承受的最大壓力范圍，參考此范圍以使植球頭對基板的壓力大小達到適宜值，消除基板翹曲的同時保證焊球不變形，達到最佳的植球效果。

目前市面上的真空植球頭只能調(diào)節(jié)植球壓力，并不能實時監(jiān)測植球壓力，植球機植球時具體壓力無法得知。提出了新的壓力檢測系統(tǒng)，通過將監(jiān)測到的實時壓力值輸出并傳輸給控制系統(tǒng)，可提高植球的安全性，更直觀更有力的保證錫球不被壓變形。植球頭結(jié)構(gòu)如下，通過應變片來檢測植球壓力。

圖4 植球頭未植球

彈簧原長為L;剛度為K;個數(shù)為Q；植球前彈簧伸長量為ΔX1;球頭自重為G;植球時彈簧壓縮量為ΔX2；F1為壓力傳感器檢測到的壓力；x為應變片的安裝高度。

Q·K·ΔX1=G

(11)

圖5 植球頭植球

(12)

QK·ΔX2+F1+G=F

(13)

F=F1+QK(ΔX1+L-x)

(14)

由于F1的大小實時可讀，運行過程中控制系統(tǒng)通過控制F1的值可達到控制植球壓力F的目的。此種方案的植球頭不僅可控制植球壓力，更能得到實時的壓力值，更直觀的監(jiān)測植球過程。

3 植球?qū)嶒灱胺治?/h2>

本次實驗在自主研制的MBA-2000上進行，基板上有160個芯片，每個芯片有39個I/O，錫球球徑為0.25 mm，材質(zhì)為Sn63Pb37。實驗對象是PCB基板，材質(zhì)為BT樹脂。調(diào)整機器CCD視覺對準系統(tǒng)保證植球精度，根據(jù)植球工況適當調(diào)整真空吸頭功率保證錫球被完全吸起并且在移動過程中不丟球，控制植球壓力保證基板平整且錫球不被壓扁。

圖6 供球治具

植球結(jié)果，如圖7所示。

圖7 植球結(jié)果

圖8 三次元測量儀觀測

從小到大調(diào)整植球壓力，最后得到植球壓力為60 時的植球結(jié)果。從實驗結(jié)果看出并未發(fā)生錫球變形的情況且基板翹曲基本解決，也沒有出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。但從圖中可看出有的錫球偏移較大，BGA在回流焊接過程中會自動對準，即使器件與焊盤的貼裝偏差達50%時也能自動對準，所以也滿足植球的要求[15]。進一步調(diào)整工藝參數(shù)，可達到更好的植球效果。

4 結(jié)束語

BGA植球機長期以來依賴進口，研究先進植球技術(shù)，對于突破國外技術(shù)封鎖具有重要意義。真空植球法設計簡單成本低，對吸球功率、植球壓力等關(guān)鍵技術(shù)的研究使真空植球法在實際運用中能夠得到更高的良品率。通過對植球工藝參數(shù)的調(diào)整，植球?qū)嶒炄〉昧溯^好的植球效果。

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Research About Vacuum Sucking Method of BGA Package Ball Mounter

LIU Jinsong1,2，YAN Lei1，WANG He2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093,China；2.Shanghai Micson Industrial Automation Co，Ltd.,Shanghai 201114, China)

Ball mount method is a key technology in BGA package equipment and Vacuum sucking method is applicable to BGA chips. There are two kinds of Ball Mount defect in vacuum mounting method, theoretical research is necessary to improve mount quality and accuracy. Ball missing happens in sucking process. By analysis ball pick up process, reference is created on power design of vacuum mounter. Ball deformation occurs in planting phases. According to the stress analysis of solder ball, a computing method is introduced to calculate the maximum pressure that solder ball can bear. Finally, in order to control ball mount pressure and reduce mount defect, existing pressure control mechanism is improved and experiment on MBA-2000 shows expected results.

BGA package; vacuum sucking method; ball mount defect; ball mount pressure

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.002

2016- 03- 16

上海市科委基礎研究重點科技攻關(guān)項目(12111101500)

劉勁松(1968-)，男，博士，教授，博士生導師。研究方向：高端半導體芯片制造裝備和工業(yè)機器人技術(shù)。

TN305.94

A

1007-7820(2017)01-005-04