PCB先進(jìn)封裝器件的快速貼裝

于面形陣列封裝越來越重要，尤其是在汽車、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)。管腳間距小于0.4mm、既是0.5mm，細(xì)間距QFP和TSOP封裝的主要問題是生產(chǎn)率低。然而，由于面形陣列封裝的腳距不是很小(例如，倒裝晶片小于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家跨國公司正在致力于這種系列封裝結(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，如預(yù)計(jì)的那樣，在1995年只有7億左右。

貼裝方法

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。

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)盤上取料，以及在固定的仰視攝像機(jī)上對器件進(jìn)行多項(xiàng)測量。

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，通常低于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)，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"。

配有倒裝晶片旋轉(zhuǎn)頭的高性能SMD貼裝設(shè)備在市場上已經(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。

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。

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；

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)；

對大多數(shù)面形陣列封裝，貼裝精度不能滿足要求，典型值高于4sigma時(shí)的10μm；

不能實(shí)現(xiàn)為微型倒裝晶片涂焊劑。

收集和貼裝

在"收集和貼裝"吸槍系統(tǒng)中，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，可以接觸柵格盤上的任意位置。對于標(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。通過改變系統(tǒng)的定位動(dòng)態(tài)特性和球柵的尋找算法，對于面形陣列封裝，系統(tǒng)可在4sigma下達(dá)到60μm至80μm的貼裝精度和高于10,000pch的貼裝速度。

貼裝精度

為了對不同的貼裝設(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//依賴于球柵合金的類型、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

對沒有阻焊膜的園形焊盤，允許的最大貼裝偏差等于PCB焊盤的半徑，貼裝誤差超過PCB焊盤半徑時(shí)，球柵和PCB焊盤仍會(huì)有機(jī)械的接觸。假定通常的PCB焊盤直徑大致等于球柵的直徑，對球柵直徑為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，自對準(zhǔn)即使發(fā)生也很有限。因此，貼裝的精度要求就高。

焊劑的應(yīng)用

倒裝晶片球柵的標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模回流焊采用的爐子需要焊劑?，F(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)置供給方法是涂覆和浸焊。

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，依賴于倒裝晶片的尺寸和焊劑在特定材料上的浸潤特性而定。應(yīng)該確保焊劑涂覆面積要足夠大，避免由于誤差而引起焊盤的漏涂。

為了在無清洗制程中進(jìn)行有效的填充，焊劑必須是無清洗(無殘?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)用在無清洗制程。

然而，由于液體焊劑存在流動(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)，倒裝晶片周圍的焊劑迅速揮發(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)是它的周期相對較長，對每一個(gè)要涂覆的器件，貼裝時(shí)間增加大約1.5s。

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)，此方法適用于高黏度的焊劑。通過只需在球柵的底部浸焊劑，在制程過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)球柵對正的圖像。

浸焊劑方法不太適用于揮發(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)鍵的制程過程是焊劑涂覆印刷。邏輯上說，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)一步的研究開發(fā)，改進(jìn)制程、材料和設(shè)備等。就SMD貼裝設(shè)備來講，大量的工作集中在視覺技術(shù)、更高的產(chǎn)量和精度。