PCB設(shè)計(jì)：芯片綁定技術(shù)

本文介紹，在光電子中投資的PCB裝配制造商將遇到新的基板與封裝設(shè)計(jì)，它需要不尋常的綁定設(shè)備能力。

一些工業(yè)專家預(yù)想在不遠(yuǎn)的將來(lái)，印刷電路板（PCB）的“不動(dòng)產(chǎn)”將普遍被那些既有電子又有光子四處奔跑的芯片所占有。盡管如此，直到這一天到來(lái)之前，原設(shè)備制造商（OEM）和電子制造服務(wù)（EMS）供應(yīng)商將還不得不以今天現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)參與競(jìng)爭(zhēng)。他們現(xiàn)在所面臨的是一個(gè)勞動(dòng)力密集、低產(chǎn)量和高成本的現(xiàn)實(shí)，很少光子元件是使用自動(dòng)化設(shè)備來(lái)封裝和裝配的，因?yàn)椴淮嬖跇?biāo)準(zhǔn)的工藝和封裝。

這個(gè)“另類世界”由古怪的基板和封裝設(shè)計(jì)組成，在其內(nèi)面有細(xì)小的、精致的光子元件。通常為了穩(wěn)定性，光子元件裝在氣密密封的封裝里面，例如，在晶體管外形（TO）頭中的激光二極管。光電子元件連接以形成電路的安裝結(jié)構(gòu)可以是柔性電路、FR-4板或幾種其它的連接材料。一個(gè)例子是在FR-4板上的電信陣列放大器，然后板又澆鑄成模塊。另一個(gè)例子是在PCB上的光電發(fā)射器。

由于今天光電子市場(chǎng)的特性，以PCB定位的OEM和EMS供應(yīng)商必須熟悉廣泛的基板類型以及有源與無(wú)源的元件，如發(fā)射器、接收器、棱鏡、單個(gè)的激光二極管、光纜、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS， microelectroNIc-mechanical system）的反射器矩陣、甚至微光電子機(jī)械系統(tǒng)（MOEMS）的射流開關(guān)。在每個(gè)級(jí)別都將涉及這些元件，從芯片到封裝到發(fā)射/接收光纖。

現(xiàn)在和將來(lái)，光子電路的心臟是激光二極管。例如，邊緣發(fā)射激光二極管和垂直空腔表面發(fā)射激光二極管（VCSEL， vertical cavity surface-emitting laser diode）。這些元件要求一臺(tái)綁定機(jī)，具有大多數(shù)傳統(tǒng)PCB裝配制造商不習(xí)慣使用的能力和設(shè)計(jì)特性。

綁定材料（Bonding Materials）

現(xiàn)在，在電信應(yīng)用中，金/錫合金是用于安裝VCSEL和邊緣發(fā)射器到子裝配的最常指定的綁定材料。該合金的應(yīng)用或者通過(guò)電鍍到子裝配上或者通過(guò)放置金/錫預(yù)成型，然后加熱回流，形成焊接。

可是，一些封裝者使用環(huán)氧樹脂，特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)通信應(yīng)用，因?yàn)樗?jiǎn)化和加速了焊接工藝，成本較低。例如，一個(gè)激光二極管可以用樹脂附著到每一個(gè)TO頭上，這些頭坐落在綁定機(jī)的貼裝站的托盤里，然后所有的環(huán)氧樹脂可以同時(shí)固化。

一旦實(shí)施光電子裝配的標(biāo)準(zhǔn)工藝和封裝，樹脂綁定應(yīng)該得到甚至更大的好處，因?yàn)樗兄谧詣?dòng)化工藝，這個(gè)自動(dòng)化工藝是新設(shè)計(jì)的開發(fā)與起始低產(chǎn)量生產(chǎn)階段隨之而來(lái)的。廣告詞句：選擇一臺(tái)可以運(yùn)行合金和樹脂兩種安裝工藝的綁定機(jī)，這樣可以最充分地利用這臺(tái)綁定機(jī)。

激光二極管的綁定（Laser Diode Bonding）

一個(gè)激光二極管的細(xì)致如鹽的顆粒大小和精密的特性為OEM和EMS供應(yīng)商產(chǎn)生了不尋常的挑戰(zhàn)。綁定負(fù)載與溫度曲線的精密計(jì)算機(jī)控制對(duì)于保護(hù)這些元件在綁定工藝中不被壓碎和過(guò)熱是絕對(duì)必要的。綁定機(jī)的Z運(yùn)動(dòng)必須施加一個(gè)可重復(fù)的、非常低的綁定載荷給元件，以避免壓碎或者甚至給它應(yīng)力。

另一個(gè)可能影響綁定機(jī)選擇的考慮是其堆疊元件的能力。例如，該應(yīng)用可能要求首先沉積樹脂在TO頭上，然后一個(gè)陶瓷隔離片放在樹脂上，在將樹脂放在陶瓷頂面，最后VCSEL放進(jìn)里面。

如果要使用樹脂，樹脂點(diǎn)的大小必須比具有正向位移閥的標(biāo)準(zhǔn)針嘴滴膠系統(tǒng)可達(dá)到的更小。這類系統(tǒng)滴出的膠點(diǎn)就象俗話說(shuō)的“黑人的蜜吻”，對(duì)于VCSEL應(yīng)用簡(jiǎn)直太大了。由于膠點(diǎn)太大，當(dāng)放置元件時(shí)材料流出邊緣周圍，流到激光元件的發(fā)射區(qū)域，阻礙發(fā)射的光束。

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今天，許多光電子裝配制造商嘗試使用一個(gè)針嘴滴膠系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行樹脂安裝工藝?？墒?，這些裝配制造商都通常缺乏深入的半導(dǎo)體封裝經(jīng)驗(yàn)。為了取得成功，裝配制造商必須有一臺(tái)裝備有樹脂轉(zhuǎn)移工具技術(shù)的綁定機(jī)，這種設(shè)備在20-25年前即普遍用于半導(dǎo)體工業(yè)。該技術(shù)允許綁定機(jī)操作員準(zhǔn)確地將極其小量的膠滴在子裝配上。

為了完成激光二極管樹脂安裝，在綁定機(jī)上某些特性是有用的。例如，綁定機(jī)的吸取工具可能裝備一個(gè)雙頭，一個(gè)從其載體上吸取激光二極管，另一個(gè)用于樹脂轉(zhuǎn)移工具。

視覺(jué)能力需要用來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確安裝微小的激光元件所要求的對(duì)準(zhǔn)和貼裝精度。應(yīng)該為視覺(jué)系統(tǒng)考慮幾個(gè)設(shè)計(jì)特性。首先，一個(gè)光束分路器是有用的，在對(duì)準(zhǔn)步驟中，它以高放大倍數(shù)同時(shí)疊加傳送工具頭的圖像和著陸座的圖像。其次，一個(gè)用光纖照明的立體放大顯微鏡允許操作員檢查安裝工藝和實(shí)時(shí)地檢查對(duì)準(zhǔn)。

如果放置VCSEL，可能發(fā)生這些片子的不對(duì)準(zhǔn)。例如，當(dāng)綁定機(jī)的吸取工具下去從載體上吸取VCSEL時(shí)，由于工具頭的真空關(guān)閉，VCSEL的發(fā)光點(diǎn)可能變得不對(duì)準(zhǔn)?？墒?，如果真空開著，可能造成VCSEL跳起來(lái)，產(chǎn)生不對(duì)準(zhǔn)。還有，當(dāng)吸取工具將在凝凍體包裝上的VCSEL從載體的粘床上拿走時(shí)，零件可能變得不對(duì)準(zhǔn)。

盡管如此，不對(duì)準(zhǔn)這個(gè)情況可以通過(guò)選擇一個(gè)具有精密工作站的綁定機(jī)來(lái)完全避免。精密工作站允許用非加熱的工具不損壞凝膠，將VCSEL取下。接著，在貼裝到子裝配之前，可以用預(yù)熱工具處理VCSEL。精密工作站還用真空將VCSEL牢固地固定在位置上，用這個(gè)綁定系統(tǒng)的重疊圖像的對(duì)準(zhǔn)，其發(fā)光點(diǎn)不會(huì)偏離中心。

VCSEL的視覺(jué)挑戰(zhàn)

為了適當(dāng)?shù)靥幚硭行问降募す舛O管的綁定，綁定機(jī)上另一種視覺(jué)特征是有幫助的。某些應(yīng)用要求比只使用光束分路器和顯微鏡可達(dá)到的更好的對(duì)準(zhǔn)/貼裝能力。例如，將樹脂或金/錫放置到一個(gè)圓形的TO頭上，然后安裝VCSEL。在該類型的應(yīng)用中將要遇到的問(wèn)題實(shí)際上是不可逾越的，如果在半自動(dòng)的綁定機(jī)上不使用特殊的視覺(jué)特性，或者在更昂貴的全自動(dòng)綁定機(jī)上不使用自動(dòng)模式的識(shí)別能力。

特別是，在VCSEL從其載體吸出之后，由于抓住芯片的吸取頭阻擋了視線，操作員看不見(jiàn)VCSEL的發(fā)射點(diǎn)。為了將發(fā)射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)到子裝配上的某個(gè)特征點(diǎn)上，操作員必須知道激光二極管的發(fā)射點(diǎn)在哪里。通常，二極管的發(fā)射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)TO頭的中心。在這種情況中，必須提供一個(gè)參考標(biāo)記，可以疊加到頭的肩部，這樣可以同時(shí)看到肩部和VCSEL上的發(fā)射點(diǎn)的位置。

可是，由于在激光芯片上需要空間給著陸/綁定的焊盤，有時(shí)發(fā)射點(diǎn)不在激光二極管的中心。更復(fù)雜的情況是，當(dāng)晶圓上的激光芯片切割時(shí)，在切割片的形狀上可能有10-15微米的變化。

除此之外，激光器位于之上的TO頭是一個(gè)機(jī)器壓印的金屬片，因此其誤差可能在TO頭的肩部周圍變化。如果TO頭的肩部超出圓一定數(shù)量，那么發(fā)射點(diǎn)的貼裝精度將受到負(fù)面影響。即使TO頭是個(gè)完美的圓，其直徑也可能實(shí)際上有變化。

一個(gè)解決辦法是有這樣一臺(tái)綁定機(jī)，它“記住”在VCSEL從載體吸取之前發(fā)射點(diǎn)在哪里，并且補(bǔ)償非圓的肩部/直徑的變化。昂貴的自動(dòng)綁定機(jī)具有觀察載體內(nèi)芯片的圖形識(shí)別系統(tǒng)，記憶發(fā)射點(diǎn)的位置和將它定位到子裝配的焊盤座上。許多投資到光電子的PCB裝配制造商不想知道這個(gè)使用自動(dòng)化機(jī)器的新領(lǐng)域的訣竅，只是將這種能力增加到半自動(dòng)綁定機(jī)上可能不是一個(gè)可行的辦法。

為了解決這些問(wèn)題，可以將一個(gè)相對(duì)不昂貴的視覺(jué)圖像標(biāo)識(shí)器加入到激光綁定機(jī)上。這個(gè)視覺(jué)圖形標(biāo)識(shí)器由一個(gè)鍵盤、控制箱和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的放大電子圖像的x-y旋鈕組成。視覺(jué)圖像標(biāo)識(shí)器產(chǎn)生一個(gè)固定的十字線圖形重疊，用于對(duì)中VCSEL的發(fā)射點(diǎn)。不同的圖像然后可以疊加在VCSEL將要安裝的子裝配上。例如，TO頭的頂部的外圓的疊加圖像。

在操作中，激光二極管從其載體的托盤上吸取，放在綁定機(jī)的精密工作站上。圖形標(biāo)識(shí)器的十字線對(duì)準(zhǔn)二極管的發(fā)射點(diǎn)，二極管被吸起，準(zhǔn)備貼裝在TO頭上。標(biāo)識(shí)器的圓形覆蓋圖對(duì)準(zhǔn)該頭（圖四）?，F(xiàn)在發(fā)射點(diǎn)和頭兩者都適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)，操作員可以準(zhǔn)確地將激光二極管放在頭上。

平臺(tái)/拱架的考慮（Platform/Gantry Consideration）

激光二極管的綁定要求一個(gè)穩(wěn)定的綁定平臺(tái)/拱架和精密的滑行導(dǎo)軌。Z運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)該允許低負(fù)載的、精確的、可重復(fù)的芯片綁接。對(duì)于涉及邊緣發(fā)射激光器和VCSEL的金/錫綁定工藝，綁定機(jī)必須能夠在綁定和冷卻循環(huán)期間以一個(gè)特定的、持續(xù)的負(fù)載固定芯片，這樣芯片不會(huì)壓碎或存在應(yīng)力。在樹脂接合中，需要一個(gè)特定的、持續(xù)的載荷來(lái)保證兩個(gè)表面之間的樹脂厚度盡可能均勻。

如果使用金/錫合金，一種擦洗能力是有幫助的。擦洗消除可能在相互連接表面之間出現(xiàn)的空洞。需要擦洗次數(shù)決定于二極管的大小，最小的二極管通常不需要任何擦洗。綁定機(jī)應(yīng)該裝配一個(gè)頭，將擦洗動(dòng)作準(zhǔn)確地回到開始位置，以維持原點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)。是芯片的尺寸而定，擦洗的幅度和頻率可能需要改變。當(dāng)使用邊緣發(fā)射器時(shí)，必須極其注意擦洗時(shí)不要將綁定材料堆積在二極管的前后晶體小平面上，否則會(huì)被污染。

綁定機(jī)的軟件程序應(yīng)該多用途，足以適應(yīng)共晶和樹脂應(yīng)用。所有操作功能應(yīng)該用實(shí)時(shí)的軟件系統(tǒng)控制，通過(guò)閉環(huán)的反饋提供對(duì)工藝的驗(yàn)證。

結(jié)論

為了接受這個(gè)挑戰(zhàn)和收獲由于開拓光電子市場(chǎng)所提供的回報(bào)，以PCB定位的OEM和EMS供應(yīng)商需要對(duì)傳統(tǒng)的裝配工藝進(jìn)行思考。今天的光電裝配中的基板和封裝設(shè)計(jì)要求不尋常的綁定設(shè)備能力。使用合適的綁定機(jī)，OEM和EMS供應(yīng)商可以獲得經(jīng)驗(yàn)，在這個(gè)新的令人興奮的工業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)。