先進封裝器件的(de)快(kuài)速貼裝

　　由於面形陣列封裝越來(lái)越重要，尤其是在汽車、電訊和(hé)計算(suàn)機應用(yòng)等領域，因此生産率成爲討(tǎo)論的(de)焦點。管腳間距小於0.4mm、既是0.5mm，細間距QFP和(hé)TSOP封裝的(de)主要問題是生産率低。然而，由於面形陣列封裝的(de)腳距不是很小(例如，倒裝晶片小於200μm)，回流焊之後，dmp速率至少比傳統的(de)細間距技術好10倍。進一步，與同樣間距的(de)QFP和(hé)TSOP封裝相比，考慮回流焊時(shí)的(de)自動對(duì)位，其貼裝精度要求要低的(de)多(duō)。  

　　另一個(gè)優點，特别是倒裝晶片，印刷電路闆的(de)占用(yòng)面積大(dà)大(dà)減少。面形陣列封裝還(hái)可(kě)以提供更好的(de)電路性能。  

　　因此，産業也(yě)在朝著面形陣列封裝的(de)方向發展，最小間距爲0.5mm的(de)μBGA和(hé)晶片級封裝CSP(chip-scale package)在不斷地吸引人(rén)們注意，至少有20家跨國公司正在緻力於這(zhè)種系列封裝結構的(de)研究。在今後幾年，預計裸晶片的(de)消耗每年将增加20%，其中增長(cháng)速度最快(kuài)的(de)将是倒裝晶片，緊随其後的(de)是應用(yòng)在COB(闆上直接貼裝)上的(de)裸晶片。  

　　預計倒裝晶片的(de)消耗将由1996年的(de)5億片增加到本世紀末的(de)25億片，而TAB/TCP消耗量則停滞不前、甚至出現負增長(cháng)，如預計的(de)那樣，在1995年隻有7億左右。  

　　貼裝方法  

　　貼裝的(de)要求不同，貼裝的(de)方法(principle)也(yě)不同。這(zhè)些要求包括元件拾放能力、貼裝力度、貼裝精度、貼裝速度和(hé)焊劑的(de)流動性等。考慮貼裝速度時(shí)，需要考慮的(de)一個(gè)主要特性就是貼裝精度。  

　　拾取和(hé)貼裝  

　　貼裝設備的(de)貼裝頭越少，則貼裝精度也(yě)越高(gāo)。定位軸x、y和(hé)θ的(de)精度影(yǐng)響整體的(de)貼裝精度，貼裝頭裝在貼裝機x-y平面的(de)支撐架上，貼裝頭中最重要的(de)是旋轉軸，但也(yě)不要忽略z軸的(de)移動精度。在高(gāo)性能貼裝系統中，z軸的(de)運動由一個(gè)微處理(lǐ)器控制，利用(yòng)傳感器對(duì)垂直移動距離和(hé)貼裝力度進行控制。  

　　貼裝的(de)一個(gè)主要優點就是精密貼裝頭可(kě)以在x、y平面自由運動，包括從格栅結構(waffle)盤上取料，以及在固定的(de)仰視攝像機上對(duì)器件進行多(duō)項測量。  

　　最先進的(de)貼裝系統在x、y軸上可(kě)以達到4 sigma、20μm的(de)精度，主要的(de)缺點是貼裝速度低，通(tōng)常低於2000 cph，這(zhè)還(hái)不包括其它輔助動作，如倒裝晶片塗焊劑等。  

　　隻有一個(gè)貼裝頭的(de)簡單貼裝系統很快(kuài)就要被淘汰，取而代之的(de)是靈活的(de)系統。這(zhè)樣的(de)系統，支撐架上配備有高(gāo)精度貼裝頭及多(duō)吸嘴旋轉頭(revolver head)(圖1)，可(kě)以貼裝大(dà)尺寸的(de)BGA和(hé)QFP封裝。旋轉(或稱shooter)頭可(kě)處理(lǐ)形狀不規則的(de)器件、細間距倒裝晶片，以及管腳間距小至0.5mm的(de)μBGA/CSP晶片。這(zhè)種貼裝方法稱做(zuò)"收集、拾取和(hé)貼裝"。  

 

　　配有倒裝晶片旋轉頭的(de)高(gāo)性能SMD貼裝設備在市場(chǎng)上已經出現。它可(kě)以高(gāo)速貼裝倒裝晶片和(hé)球栅直徑爲125μm、管腳間距大(dà)約爲200μm的(de)μBGA和(hé)CSP晶片。具有收集、拾取和(hé)貼裝功能設備的(de)貼裝速度大(dà)約是5000cph。  

　　傳統的(de)晶片吸槍  

　　這(zhè)樣的(de)系統帶有一個(gè)水(shuǐ)平旋轉的(de)轉動頭，同時(shí)從移動的(de)送料器上拾取器件，并把它們貼裝到運動著的(de)PCB上。  

 

　　理(lǐ)論上，系統的(de)貼裝速度可(kě)以達到40,000cph，但具有下(xià)列限制：  

　　晶片拾取不能超出器件擺放的(de)栅格盤；  

　　彈簧驅動的(de)真空吸嘴在z軸上運動中不允許進行工時(shí)優化(huà)，或不能可(kě)靠地從傳送帶上拾取裸片(die)；  

　　對(duì)大(dà)多(duō)數面形陣列封裝，貼裝精度不能滿足要求，典型值高(gāo)於4sigma時(shí)的(de)10μm；  

　　不能實現爲微型倒裝晶片塗焊劑。  

　　收集和(hé)貼裝  

 

　　在"收集和(hé)貼裝"吸槍系統中，兩個(gè)旋轉頭都裝在x-y支撐架上。而後，旋轉頭配有6或12個(gè)吸嘴，可(kě)以接觸栅格盤上的(de)任意位置。對(duì)於标準的(de)SMD晶片，這(zhè)個(gè)系統可(kě)在4sigma(包括theta偏差)下(xià)達到80μm的(de)貼裝精度和(hé)20,000pch貼裝速度。通(tōng)過改變系統的(de)定位動态特性和(hé)球栅的(de)尋找算(suàn)法，對(duì)於面形陣列封裝，系統可(kě)在4sigma下(xià)達到60μm至80μm的(de)貼裝精度和(hé)高(gāo)於10,000pch的(de)貼裝速度。  

　　貼裝精度  

　　爲了(le)對(duì)不同的(de)貼裝設備有一個(gè)整體了(le)解，你需要知道影(yǐng)響面形陣列封裝貼裝精度的(de)主要因素。球栅貼裝精度P\/\/ACC\/\/依賴於球栅合金的(de)類型、球栅的(de)數目和(hé)封裝的(de)重量等。  

　　這(zhè)三個(gè)因素是互相聯系的(de)，與同等間距QFP和(hé)SOP封裝的(de)IC相比，大(dà)多(duō)數面形陣列封裝的(de)貼裝精度要求較低。  

　　注：插入方程  

　　對(duì)沒有阻焊膜的(de)園形焊盤，允許的(de)最大(dà)貼裝偏差等於PCB焊盤的(de)半徑，貼裝誤差超過PCB焊盤半徑時(shí)，球栅和(hé)PCB焊盤仍會有機械的(de)接觸。假定通(tōng)常的(de)PCB焊盤直徑大(dà)緻等於球栅的(de)直徑，對(duì)球栅直徑爲0.3mm、間距爲0.5mm的(de)μBGA和(hé)CSP封裝的(de)貼裝精度要求爲0.15mm；如果球栅直徑爲100μm、間距爲175μm，則精度要求爲50μm。  

　　在帶形球栅陣列封裝(TBGA)和(hé)重陶瓷球栅陣列封裝(CBGA)情況，自對(duì)準即使發生也(yě)很有限。因此，貼裝的(de)精度要求就高(gāo)。  

　　焊劑的(de)應用(yòng)  

　　倒裝晶片球栅的(de)标準大(dà)規模回流焊采用(yòng)的(de)爐子需要焊劑。現在，功能較強的(de)通(tōng)用(yòng)SMD貼裝設備都帶有内置的(de)焊劑應用(yòng)裝置，兩種常用(yòng)的(de)内置供給方法是塗覆和(hé)浸焊。  

 

　　塗覆單元就安裝在貼裝頭的(de)附近。倒裝晶片貼裝之前，在貼裝位置上塗上焊劑。在貼裝位置中心塗覆的(de)劑量，依賴於倒裝晶片的(de)尺寸和(hé)焊劑在特定材料上的(de)浸潤特性而定。應該确保焊劑塗覆面積要足夠大(dà)，避免由於誤差而引起焊盤的(de)漏塗。  

　　爲了(le)在無清洗制程中進行有效的(de)填充，焊劑必須是無清洗(無殘渣)材料。液體焊劑裏面總是很少包含固體物(wù)質，它最适合應用(yòng)在無清洗制程。  

　　然而，由於液體焊劑存在流動性，在倒裝晶片貼裝之後，貼裝系統傳送帶的(de)移動會引起晶片的(de)慣性位移，有兩個(gè)方法可(kě)以解決這(zhè)個(gè)問題：  

　　在PCB闆傳送前，設定數秒的(de)等待時(shí)間。在這(zhè)個(gè)時(shí)間内，倒裝晶片周圍的(de)焊劑迅速揮發而提高(gāo)了(le)黏附性，但這(zhè)會使産量降低。  

　　你可(kě)以調整傳送帶的(de)加速度和(hé)減速度，使之與焊劑的(de)黏附性相匹配。傳送帶的(de)平穩運動不會引起晶片移位。  

　　焊劑塗覆方法的(de)主要缺點是它的(de)周期相對(duì)較長(cháng)，對(duì)每一個(gè)要塗覆的(de)器件，貼裝時(shí)間增加大(dà)約1.5s。  

　　浸焊方法  

　　在這(zhè)種情況，焊劑載體是一個(gè)旋轉的(de)桶，并用(yòng)刀(dāo)片把它刮成一個(gè)焊劑薄膜(大(dà)約50μm)，此方法适用(yòng)於高(gāo)黏度的(de)焊劑。通(tōng)過隻需在球栅的(de)底部浸焊劑，在制程過程中可(kě)以減少焊劑的(de)消耗。  

　　此方法可(kě)以采用(yòng)下(xià)列兩種制程順序： 

　　• 在光(guāng)學球栅對(duì)正和(hé)球栅浸焊劑之後進行貼裝。在這(zhè)個(gè)順序裏，倒裝晶片球栅和(hé)焊劑載體的(de)機械接觸會對(duì)貼裝精度産生負面的(de)影(yǐng)響。 

　　• 在球栅浸焊劑和(hé)光(guāng)學球栅對(duì)正之後進行貼裝。這(zhè)種情況下(xià)，焊劑材料會影(yǐng)響光(guāng)學球栅對(duì)正的(de)圖像。 浸焊劑方法不太适用(yòng)於揮發能力高(gāo)的(de)焊劑，但它的(de)速度比塗覆方法的(de)要快(kuài)得(de)多(duō)。根據貼裝方法的(de)不同，每個(gè)器件附加的(de)時(shí)間大(dà)約是：純粹的(de)拾取、貼裝爲0.8s，收集、貼裝爲0.3s.  

　　當用(yòng)标準的(de)SMT貼裝球栅間距爲0.5mm的(de)μBGA或CSP時(shí)，還(hái)有一些事情應該注意：對(duì)應用(yòng)混合技術(采用(yòng)μBGA/CSP的(de)标準SMD)的(de)産品，顯然最關鍵的(de)制程過程是焊劑塗覆印刷。邏輯上說，也(yě)可(kě)采用(yòng)綜合傳統的(de)倒裝晶片制程和(hé)焊劑應用(yòng)的(de)貼裝方法。  

　　所有的(de)面形陣列封裝都顯示出在性能、封裝密度和(hé)節約成本上的(de)潛力。爲了(le)發揮在電子生産整體領域的(de)效能，需要進一步的(de)研究開發，改進制程、材料和(hé)設備等。就SMD貼裝設備來(lái)講，大(dà)量的(de)工作集中在視覺技術、更高(gāo)的(de)産量和(hé)精度。