封裝器件的高速貼裝技術(shù)

???? 由於面形陣列封裝越來(lái)越重要，尤其是在汽車(chē)、電訊和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域，因此生產(chǎn)率成為討論的焦點(diǎn)。管腳間距小於0.4mm、既是0.5mm，細(xì)間距QFP和TSOP封裝的主要問(wèn)題是生產(chǎn)率低。然而，由於面形陣列封裝的腳距不是很小(例如，倒裝晶片小於200μm)，回流焊之后，dmp速率至少比傳統(tǒng)的細(xì)間距技術(shù)好10倍。進(jìn)一步，與同樣間距的QFP和TSOP封裝相比，考慮回流焊時(shí)的自動(dòng)對(duì)位，其貼裝精度要求要低的多。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，特別是倒裝晶片，印刷電路板的占用面積大大減少。面形陣列封裝還可以提供更好的電路性能。　

　??因此，產(chǎn)業(yè)也在朝著面形陣列封裝的方向發(fā)展，最小間距為0.5mm的μBGA和晶片級(jí)封裝CSP(chip-scale package)在不斷地吸引人們注意，至少有20家跨國(guó)公司正在致力於這種系列封裝結(jié)構(gòu)的研究。在今后幾年，預(yù)計(jì)裸晶片的消耗每年將增加20%，其中增長(zhǎng)速度最快的將是倒裝晶片，緊隨其后的是應(yīng)用在COB(板上直接貼裝)上的裸晶片。預(yù)計(jì)倒裝晶片的消耗將由1996年的5億片增加到本世紀(jì)末的25億片，而TAB/TCP消耗量則停滯不前、甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，如預(yù)計(jì)的那樣，在1995年只有7億左右。

一、貼裝的方法 　

　?? 貼裝的要求不同，貼裝的方法(principle)也不同。這些要求包括元件拾放能力、貼裝力度、貼裝精度、貼裝速度和焊劑的流動(dòng)性等。考慮貼裝速度時(shí)，需要考慮的一個(gè)主要特性就是貼裝精度。

二、拾取和貼裝

??????貼裝設(shè)備的貼裝頭越少，則貼裝精度也越高。定位軸x、y和θ的精度影響整體的貼裝精度，貼裝頭裝在貼裝機(jī)x-y平面的支撐架上，貼裝頭中最重要的是旋轉(zhuǎn)軸，但也不要忽略z軸的移動(dòng)精度。在高性能貼裝系統(tǒng)中，z軸的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)微處理器控制，利用傳感器對(duì)垂直移動(dòng)距離和貼裝力度進(jìn)行控制。 貼裝的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是精密貼裝頭可以在x、y平面自由運(yùn)動(dòng)，包括從格柵結(jié)構(gòu)(waffle)盤(pán)上取料，以及在固定的仰視攝像機(jī)上對(duì)器件進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量。最先進(jìn)的貼裝系統(tǒng)在x、y軸上可以達(dá)到4 sigma、20μm的精度，主要的缺點(diǎn)是貼裝速度低，通常低於2000 cph，這還不包括其它輔助動(dòng)作，如倒裝晶片涂焊劑等。 只有一個(gè)貼裝頭的簡(jiǎn)單貼裝系統(tǒng)很快就要被淘汰，取而代之的是靈活的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)，支撐架上配備有高精度貼裝頭及多吸嘴旋轉(zhuǎn)頭(revolver head)(圖1)，可以貼裝大尺寸的BGA和QFP封裝。旋轉(zhuǎn)(或稱shooter)頭可處理形狀不規(guī)則的器件、細(xì)間距倒裝晶片，以及管腳間距小至0.5mm的μBGA/CSP晶片。這種貼裝方法稱做"收集、拾取和貼裝"。 圖1：對(duì)細(xì)間距倒裝晶片和其它器件，收集、拾取和貼裝　

?? 　設(shè)備采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)頭配有倒裝晶片旋轉(zhuǎn)頭的高性能SMD貼裝設(shè)備在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)。它可以高速貼裝倒裝晶片和球柵直徑為125μm、管腳間距大約為200μm的μBGA和CSP晶片。具有收集、拾取和貼裝功能設(shè)備的貼裝速度大約是5000cph。

三、傳統(tǒng)的晶片吸槍

　　這樣的系統(tǒng)帶有一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)頭，同時(shí)從移動(dòng)的送料器上拾取器件，并把它們貼裝到運(yùn)動(dòng)著的PCB上(圖2)。 圖2：傳統(tǒng)的晶片射槍速度較快，由於PCB板的運(yùn)動(dòng)而使精度降低 　　理論上，系統(tǒng)的貼裝速度可以達(dá)到40,000cph，但具有下列限制：晶片拾取不能超出器件擺放的柵格盤(pán)； 彈簧驅(qū)動(dòng)的真空吸嘴在z軸上運(yùn)動(dòng)中不允許進(jìn)行工時(shí)優(yōu)化，或不能可靠地從傳送帶上拾取裸片(die)；對(duì)大多數(shù)面形陣列封裝，貼裝精度不能滿足要求，典型值高於4sigma時(shí)的10μm； 不能實(shí)現(xiàn)為微型倒裝晶片涂焊劑。 圖3：在拾取和貼裝系統(tǒng)，射槍頭可以與柵格盤(pán)更換裝置一同工作

四、收集和貼裝　

?? 　在"收集和貼裝"吸槍系統(tǒng)中(圖3)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)頭都裝在x-y支撐架上。而后，旋轉(zhuǎn)頭配有6或12個(gè)吸嘴，可以接觸柵格盤(pán)上的任意位置。對(duì)於標(biāo)準(zhǔn)的SMD晶片，這個(gè)系統(tǒng)可在4sigma(包括theta偏差)下達(dá)到80μm的貼裝精度和20,000pch貼裝速度。通過(guò)改變系統(tǒng)的定位動(dòng)態(tài)特性和球柵的尋找算法，對(duì)於面形陣列封裝，系統(tǒng)可在4sigma下達(dá)到60μm至80μm的貼裝精度和高於10,000pch的貼裝速度。

五、貼裝精度 　

?? 　為了對(duì)不同的貼裝設(shè)備有一個(gè)整體了解，你需要知道影響面形陣列封裝貼裝精度的主要因素。球柵貼裝精度P\/\/ACC\/\/依賴於球柵合金的類型、球柵的數(shù)目和封裝的重量等。 這三個(gè)因素是互相聯(lián)系的，與同等間距QFP和SOP封裝的IC相比，大多數(shù)面形陣列封裝的貼裝精度要求較低。 注：插入方程　　對(duì)沒(méi)有阻焊膜的園形焊盤(pán)，允許的最大貼裝偏差等於PCB焊盤(pán)的半徑，貼裝誤差超過(guò)PCB焊盤(pán)半徑時(shí)，球柵和PCB焊盤(pán)仍會(huì)有機(jī)械的接觸。假定通常的PCB焊盤(pán)直徑大致等於球柵的直徑，對(duì)球柵直徑為0.3mm、間距為0.5mm的μBGA和CSP封裝的貼裝精度要求為0.15mm；如果球柵直徑為100μm、間距為175μm，則精度要求為50μm。在帶形球柵陣列封裝(TBGA)和重陶瓷球柵陣列封裝(CBGA)情況，自對(duì)準(zhǔn)即使發(fā)生也很有限。因此，貼裝的精度要求就高。

六、焊劑的應(yīng)用

　　倒裝晶片球柵的標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)?；亓骱覆捎玫臓t子需要焊劑。現(xiàn)在，功能較強(qiáng)的通用SMD貼裝設(shè)備都帶有內(nèi)置的焊劑應(yīng)用裝置，兩種常用的內(nèi)置供給方法是涂覆(圖4)和浸焊。 圖4：焊劑涂覆方法已證明性能可靠，但只適用於低黏度的 焊劑焊劑涂覆 液體焊劑 基板 倒裝晶片 倒裝晶片貼裝

　　涂覆單元就安裝在貼裝頭的附近。倒裝晶片貼裝之前，在貼裝位置上涂上焊劑。在貼裝位置中心涂覆的劑量，依賴於倒裝晶片的尺寸和焊劑在特定材料上的浸潤(rùn)特性而定。應(yīng)該確保焊劑涂覆面積要足夠大，避免由於誤差而引起焊盤(pán)的漏涂。

　　為了在無(wú)清洗制程中進(jìn)行有效的填充，焊劑必須是無(wú)清洗(無(wú)殘?jiān)?材料。液體焊劑里面總是很少包含固體物質(zhì)，它最適合應(yīng)用在無(wú)清洗制程。然而，由於液體焊劑存在流動(dòng)性，在倒裝晶片貼裝之后，貼裝系統(tǒng)傳送帶的移動(dòng)會(huì)引起晶片的慣性位移，有兩個(gè)方法可以解決這個(gè)問(wèn)題：　　在PCB板傳送前，設(shè)定數(shù)秒的等待時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，倒裝晶片周?chē)暮竸┭杆贀]發(fā)而提高了黏附性，但這會(huì)使產(chǎn)量降低。你可以調(diào)整傳送帶的加速度和減速度，使之與焊劑的黏附性相匹配。傳送帶的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起晶片移位。焊劑涂覆方法的主要缺點(diǎn)是它的周期相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)每一個(gè)要涂覆的器件，貼裝時(shí)間增加大約1.5s。

七、浸焊方法

　　在這種情況，焊劑載體是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的桶，并用刀片把它刮成一個(gè)焊劑薄膜(大約50μm)，此方法適用於高黏度的焊劑。通過(guò)只需在球柵的底部浸焊劑，在制程過(guò)程中可以減少焊劑的消耗。此方法可以采用下列兩種制程順序： ·在光學(xué)球柵對(duì)正和球柵浸焊劑之后進(jìn)行貼裝。在這個(gè)順序里，倒裝晶片球柵和焊劑載體的機(jī)械接觸會(huì)對(duì)貼裝精度產(chǎn)生負(fù)面的影響。 ·在球柵浸焊劑和光學(xué)球柵對(duì)正之后進(jìn)行貼裝。這種情況下，焊劑材料會(huì)影響光學(xué)球柵對(duì)正的圖像。

　　浸焊劑方法不太適用於揮發(fā)能力高的焊劑，但它的速度比涂覆方法的要快得多。根據(jù)貼裝方法的不同，每個(gè)器件附加的時(shí)間大約是：純粹的拾取、貼裝為0.8s，收集、貼裝為0.3s.。當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)的SMT貼裝球柵間距為0.5mm的μBGA或CSP時(shí)，還有一些事情應(yīng)該注意：對(duì)應(yīng)用混合技術(shù)(采用μBGA/CSP的標(biāo)準(zhǔn)SMD)的產(chǎn)品，顯然最關(guān)鍵的制程過(guò)程是焊劑涂覆印刷。邏輯上說(shuō)，也可采用綜合傳統(tǒng)的倒裝晶片制程和焊劑應(yīng)用的貼裝方法。

　　所有的面形陣列封裝都顯示出在性能、封裝密度和節(jié)約成本上的潛力。為了發(fā)揮在電子生產(chǎn)整體領(lǐng)域的效能，需要進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)，改進(jìn)制程、材料和設(shè)備等。就SMD貼裝設(shè)備來(lái)講，大量的工作集中在視覺(jué)技術(shù)、更高的產(chǎn)量和精度。