先進封裝器件快速貼裝

由於面形(xíng)陣列封裝越(yuè)來越重要，尤其是在汽車(chē)、電訊和計算機應用等領域，因此(cǐ)生産率成(chéng)爲讨論的焦點。管腳間距小於0.4mm、既是0.5mm，細間距QFP和TSOP封裝的主(zhǔ)要問題是生産率低。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)，回流焊之後，dmp速率(lǜ)至少比傳統的細間距技(jì)術好(hǎo)10倍。進一步，與同樣間距的QFP和TSOP封裝相比，考慮(lǜ)回流焊(hàn)時的自動對位，其貼裝精度要求要低的多。 
另(lìng)一個優點(diǎn)，特别(bié)是倒裝晶片，印刷電路闆的占用面(miàn)積大(dà)大減少。面形陣(zhèn)列封裝還可以提供更好的電路性能。 
因此，産業也(yě)在朝著面(miàn)形陣列封裝的(de)方向發展(zhǎn)，最小間距爲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(shǎo)有20家(jiā)跨國公司正在緻力於這種系列封裝結構的研究。在今後幾年，預計裸晶片的消耗每年将增加20%，其中增長速度(dù)最(zuì)快的将是倒裝晶片，緊(jǐn)随其後的是應用在COB(闆上(shàng)直接貼裝(zhuāng))上的裸晶片。 
預計倒裝晶片的消耗将由1996年的5億片增加到(dào)本世紀末的25億片，而TAB/TCP消(xiāo)耗量則停滞不前、甚至出(chū)現負增長，如預計的那樣(yàng)，在1995年隻有7億左右。 
貼(tiē)裝方法 
貼裝的要求不同，貼裝(zhuāng)的方法(principle)也(yě)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(hàn)劑的流動性等。考慮貼裝(zhuāng)速度時，需(xū)要考慮的一個主要特性就是貼裝精度。 
拾取和貼裝 
貼裝(zhuāng)設備的(de)貼裝頭越(yuè)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(tóu)裝在貼裝機x-y平(píng)面的支撐架上，貼裝頭中最重要的是旋轉軸，但也不要忽(hū)略z軸的移動精度。在高性能貼裝系統中，z軸的運動由(yóu)一個微處理器控(kòng)制，利用(yòng)傳感器對垂直移動距離(lí)和貼裝力度進行控制。 
貼(tiē)裝的一(yī)個(gè)主要優(yōu)點就是精(jīng)密(mì)貼裝(zhuāng)頭可以在x、y平面自由運動，包括從格栅結構(waffle)盤上取料，以及在固定的仰視攝像機上對器件進行多項測(cè)量(liàng)。 
最先進的貼裝系統在x、y軸(zhóu)上可以達到4 sigma、20μm的(de)精度，主要的缺點是貼裝速度低，通常低於2000 cph，這還不包括其它輔助動作，如倒裝晶片塗(tú)焊劑等。 
隻有一個貼裝頭的簡(jiǎn)單貼裝系統很(hěn)快就要被淘汰，取而代之的是靈活的(de)系統。這樣的系統，支(zhī)撐(chēng)架上配備有高精度貼裝頭及多吸嘴旋(xuán)轉頭(revolver head)(圖1)，可以貼裝大(dà)尺寸的BGA和QFP封裝。旋轉(或(huò)稱shooter)頭可處理形狀不規則的器件、細(xì)間(jiān)距倒(dǎo)裝晶片，以及管腳間距小至(zhì)0.5mm的μBGA/CSP晶片。這種貼裝方法稱做"收集、拾(shí)取和貼裝"。 
圖1：對細(xì)間距倒(dǎo)裝晶片和其它器件(jiàn)，收集、拾取和貼裝(zhuāng)設備采用一個(gè)旋轉頭 

配有倒裝晶片旋轉頭的高性能SMD貼裝設備在市場上已經出現。它可以高速貼(tiē)裝倒(dǎo)裝晶片和球栅直徑爲125μm、管腳間距大約爲(wèi)200μm的μBGA和CSP晶片。具有(yǒu)收集、拾取和貼裝功能設備的貼裝速度大約(yuē)是5000cph。 
傳統的晶片吸槍(qiāng) 
這樣的系統帶有一個水平旋轉的轉動頭(tóu)，同時從移動的送(sòng)料器上拾取器件，并(bìng)把它們(men)貼裝到運動(dòng)著的(de)PCB上(shàng)(圖(tú)2)。 
圖2：傳統的晶片(piàn)射槍(qiāng)速度較快，由於PCB闆的運動而使精度降低 

理論上，系統的貼裝速度可以達到40,000cph，但具有下列限制： 
晶片拾取不能超出器(qì)件擺放的栅格盤； 
彈簧驅(qū)動的真空吸嘴(zuǐ)在z軸上運動中不允許進行(háng)工時優化，或不能可靠地從傳送帶上拾取裸片(die)； 
對大多數面形陣列封裝，貼裝精度不能滿足要求，典型值高於4sigma時(shí)的10μm； 
不能實現爲微型倒裝晶片(piàn)塗焊劑。 
收(shōu)集和貼裝 

圖3：在拾取和貼(tiē)裝(zhuāng)系統，射槍頭可以與(yǔ)栅格盤更換(huàn)裝置一同工作(zuò) 
在"收集和貼裝"吸槍(qiāng)系統中(圖3)，兩(liǎng)個旋轉(zhuǎn)頭都裝在x-y支撐架上。而後，旋轉(zhuǎn)頭(tóu)配有6或12個吸嘴，可以接(jiē)觸栅(shān)格盤上的任意位置。對於标準的SMD晶片，這個系統可在4sigma(包括theta偏差)下達到80μm的貼裝精(jīng)度和20,000pch貼裝(zhuāng)速度。通過(guò)改變系統的定位動态特性和球栅(shān)的尋找算法，對於(yú)面形陣列封裝(zhuāng)，系(xì)統可在4sigma下(xià)達到60μm至80μm的貼裝精度和高於10,000pch的貼裝速度(dù)。 
貼裝精度(dù) 
爲了對不同的貼裝(zhuāng)設備有一個整體了解，你需要(yào)知道影響面形陣列(liè)封裝貼裝精度的主要因(yīn)素。球栅貼裝(zhuāng)精度P\/\/ACC\/\/依賴於球栅合金(jīn)的類型、球栅的數(shù)目(mù)和封裝的重量等。 
這三個因素是互相聯(lián)系的，與同等間距QFP和SOP封裝的IC相比，大(dà)多數面形陣列封裝的貼裝精度要(yào)求較(jiào)低。
注：插入方程 
對(duì)沒有阻焊膜的園形焊盤，允(yǔn)許的最大(dà)貼裝偏差等於PCB焊盤的半徑，貼裝誤差超過PCB焊盤半徑時，球栅(shān)和PCB焊盤仍會有機械的接觸。假定通常的PCB焊盤直徑大緻等於球栅的直(zhí)徑，對球栅(shān)直徑爲(wèi)0.3mm、間距爲0.5mm的μBGA和CSP封裝的貼裝精度要求(qiú)爲0.15mm；如果球栅直徑(jìng)爲100μm、間距爲175μm，則精度要求爲(wèi)50μm。 
在帶形球栅陣(zhèn)列封(fēng)裝(TBGA)和重陶瓷球栅陣列封裝(CBGA)情況，自對準即使(shǐ)發生(shēng)也很有限。因此，貼裝的精度要求就(jiù)高。 
焊劑的應(yīng)用 
倒裝晶片球栅(shān)的标準大規模回流焊(hàn)采用的爐子需要焊劑。現在，功能較強(qiáng)的通用SMD貼裝(zhuāng)設備都帶有内置(zhì)的焊劑應用裝置，兩種常用的内置供給方法是塗覆(圖4)和浸焊。 
圖4：焊劑塗覆方法(fǎ)已證明性能(néng)可(kě)靠，但隻适用於低(dī)黏度的焊劑焊劑塗覆 液體焊劑 基闆 倒裝晶片 倒裝晶片貼裝 

塗覆單元(yuán)就安裝在貼裝(zhuāng)頭的附近(jìn)。倒裝(zhuāng)晶片貼裝之前，在貼(tiē)裝位置上(shàng)塗上焊劑。在貼裝位置中心塗(tú)覆的劑量，依賴於倒裝晶片的尺(chǐ)寸和焊(hàn)劑在特定材料上的浸潤特性而定。應該确保焊劑(jì)塗覆面積要足夠大，避免由於(yú)誤差而引起焊(hàn)盤的漏塗。 
爲了在無清洗制程中進行有效的填充，焊劑必須是無(wú)清洗(無殘渣)材料。液體焊劑裏面總是很少包含固(gù)體物質，它最适合應用在無清洗制程。 
然而，由(yóu)於液體焊(hàn)劑存在流動性，在倒裝晶片貼裝之後，貼裝系統傳送帶的(de)移動會引起晶片的慣性位移(yí)，有兩個(gè)方法可以解決這個問題(tí)： 
在PCB闆傳送前，設定數秒的等待時(shí)間。在這個時間内，倒裝晶片周圍的焊劑迅速揮發而(ér)提高了黏附性，但(dàn)這會使産量(liàng)降低(dī)。 
你可以調整傳(chuán)送帶的加(jiā)速度和減速度，使之(zhī)與焊劑的黏附性相匹配。傳送(sòng)帶的平穩運動不會(huì)引起晶片移位。
焊劑塗覆方法的主要缺點是(shì)它(tā)的周期相對較長，對每一個要塗覆的器件，貼裝時間增加大約1.5s。 
浸焊方法(fǎ) 
在這種情況，焊劑載體是一個(gè)旋轉的桶，并用刀片把它刮成一個焊劑薄膜(大約50μm)，此方法适用於高黏度的焊劑。通(tōng)過隻需在球栅的(de)底部浸焊劑，在制程過程(chéng)中可以減少焊劑的消耗。 
此方法可以采用下(xià)列兩種制程順序： 
• 在光學球栅(shān)對正和球栅浸(jìn)焊劑(jì)之後進行貼裝。在這個(gè)順序(xù)裏，倒裝晶片球栅和焊劑載體的機械接觸會對貼裝精度産生負面的影(yǐng)響。 
• 在球栅浸焊劑和光學球栅對正之後進(jìn)行貼(tiē)裝(zhuāng)。這種情況下，焊劑材料會(huì)影響(xiǎng)光學球栅對正的圖(tú)像。 浸焊劑(jì)方法不太适用於揮發能(néng)力高的焊劑，但它的速度比塗覆方法的(de)要快得多。根據貼裝方法(fǎ)的不同，每個器件附加的時間(jiān)大約是：純(chún)粹的拾取(qǔ)、貼裝爲(wèi)0.8s，收集、貼裝爲0.3s. 
當用标準的SMT貼裝球栅間距爲0.5mm的(de)μBGA或CSP時，還有一些事情應該注意：對應用(yòng)混合技術(采用μBGA/CSP的标準SMD)的産品(pǐn)，顯然最關鍵的制程過程是焊(hàn)劑塗覆印刷。邏輯上說，也可(kě)采用綜合傳統的倒裝晶(jīng)片制程(chéng)和焊劑應用的貼裝方法。 
所有的面形陣列封裝都顯示出在性能(néng)、封裝密度和節(jiē)約成本上的潛(qián)力。爲了發揮在電子生産(chǎn)整體(tǐ)領(lǐng)域的效能，需要進一步(bù)的研究開發，改進制程、材料和(hé)設備等。就SMD貼裝設備(bèi)來講，大量的工(gōng)作(zuò)集中在視覺技術、更(gèng)高的産量和精度。

更多資訊：/