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先进封装器件的快速贴装

由於面形阵列封装越来越重要,尤其是在汽车、电讯和计算机应用等领域,因此生产率成为讨论的焦点。管脚间距小於0.4mm、既是0.5mm,细间距QFP和TSOP封装的主要问题是生产率低。然而,由於面形阵列封装的脚距不是很小(例如,倒装晶片小於200μm),回流焊之后,dmp速率至少比传统的细间距技术好10倍。进一步,与同样间距的QFP和TSOP封装相比,考虑回流焊时的自动对位,其贴装精度要求要低的多。

另一个优点,特别是倒装晶片,印刷电路板的占用面积大大减少。面形阵列封装还可以提供更好的电路性能。

因此,产业也在朝著面形阵列封装的方向发展,最小间距为0.5mm的μBGA和晶片级封装CSP(chip-scale package)在不断地吸引人们注意,至少有20家跨国公司正在致力於这种系列封装结构的研究。在今后几年,预计裸晶片的消耗每年将增加20%,其中增长速度最快的将是倒装晶片,紧随其后的是应用在COB(板上直接贴装)上的裸晶片。

预计倒装晶片的消耗将由1996年的5亿片增加到本世纪末的25亿片,而TAB/TCP消耗量则停滞不前、甚至出现负增长,如预计的那样,在1995年只有7亿左右。

贴装方法

贴装的要求不同,贴装的方法(principle)也不同。这些要求包括元件拾放能力、贴装力度、贴装精度、贴装速度和焊剂的流动性等。考虑贴装速度时,需要考虑的一个主要特性就是贴装精度。

拾取和贴装

贴装设备的贴装头越少,则贴装精度也越高。定位轴x、y和θ的精度影响整体的贴装精度,贴装头装在贴装机x-y平面的支撑架上,贴装头中最重要的是旋转轴,但也不要忽略z轴的移动精度。在高性能贴装系统中,z轴的运动由一个微处理器控制,利用传感器对垂直移动距离和贴装力度进行控制。

贴装的一个主要优点就是精密贴装头可以在x、y平面自由运动,包括从格栅结构(waffle)盘上取料,以及在固定的仰视摄像机上对器件进行多项测量。

最先进的贴装系统在x、y轴上可以达到4 sigma、20μm的精度,主要的缺点是贴装速度低,通常低於2000 cph,这还不包括其它辅助动作,如倒装晶片涂焊剂等。

只有一个贴装头的简单贴装系统很快就要被淘汰,取而代之的是灵活的系统。这样的系统,支撑架上配备有高精度贴装头及多吸嘴旋转头(revolver head)(图1),可以贴装大尺寸的BGA和QFP封装。旋转(或称shooter)头可处理形状不规则的器件、细间距倒装晶片,以及管脚间距小至0.5mm的μBGA/CSP晶片。这种贴装方法称做"收集、拾取和贴装"。
图1:对细间距倒装晶片和其它器件,收集、拾取和贴装设备采用一个旋转头

配有倒装晶片旋转头的高性能SMD贴装设备在市场上已经出现。它可以高速贴装倒装晶片和球栅直径为125μm、管脚间距大约为200μm的μBGA和CSP晶片。具有收集、拾取和贴装功能设备的贴装速度大约是5000cph。

传统的晶片吸枪

这样的系统带有一个水平旋转的转动头,同时从移动的送料器上拾取器件,并把它们贴装到运动著的PCB上(图2)。
图2:传统的晶片射枪速度较快,由於PCB板的运动而使精度降低

理论上,系统的贴装速度可以达到40,000cph,但具有下列限制:

晶片拾取不能超出器件摆放的栅格盘;
弹簧驱动的真空吸嘴在z轴上运动中不允许进行工时优化,或不能可靠地从传送带上拾取裸片(die);
对大多数面形阵列封装,贴装精度不能满足要求,典型值高於4sigma时的10μm;
不能实现为微型倒装晶片涂焊剂。
收集和贴装


图3:在拾取和贴装系统,射枪头可以与栅格盘更换装置一同工作

在"收集和贴装"吸枪系统中(图3),两个旋转头都装在x-y支撑架上。而后,旋转头配有6或12个吸嘴,可以接触栅格盘上的任意位置。对於标准的SMD晶片,这个系统可在4sigma(包括theta偏差)下达到80μm的贴装精度和20,000pch贴装速度。通过改变系统的定位动态特性和球栅的寻找算法,对於面形阵列封装,系统可在4sigma下达到60μm至80μm的贴装精度和高於10,000pch的贴装速度。

贴装精度

为了对不同的贴装设备有一个整体了解,你需要知道影响面形阵列封装贴装精度的主要因素。球栅贴装精度P\/\/ACC\/\/依赖於球栅合金的类型、球栅的数目和封装的重量等。

这三个因素是互相联系的,与同等间距QFP和SOP封装的IC相比,大多数面形阵列封装的贴装精度要求较低。

注:插入方程

对没有阻焊膜的园形焊盘,允许的最大贴装偏差等於PCB焊盘的半径,贴装误差超过PCB焊盘半径时,球栅和PCB焊盘仍会有机械的接触。假定通常的PCB焊盘直径大致等於球栅的直径,对球栅直径为0.3mm、间距为0.5mm的μBGA和CSP封装的贴装精度要求为0.15mm;如果球栅直径为100μm、间距为175μm,则精度要求为50μm。

在带形球栅阵列封装(TBGA)和重陶瓷球栅阵列封装(CBGA)情况,自对准即使发生也很有限。因此,贴装的精度要求就高。

焊剂的应用

倒装晶片球栅的标准大规模回流焊采用的炉子需要焊剂。现在,功能较强的通用SMD贴装设备都带有内置的焊剂应用装置,两种常用的内置供给方法是涂覆(图4)和浸焊。
图4:焊剂涂覆方法已证明性能可靠,但只适用於低黏度的焊剂焊剂涂覆 液体焊剂 基板 倒装晶片 倒装晶片贴装

涂覆单元就安装在贴装头的附近。倒装晶片贴装之前,在贴装位置上涂上焊剂。在贴装位置中心涂覆的剂量,依赖於倒装晶片的尺寸和焊剂在特定材料上的浸润特性而定。应该确保焊剂涂覆面积要足够大,避免由於误差而引起焊盘的漏涂。

为了在无清洗制程中进行有效的填充,焊剂必须是无清洗(无残渣)材料。液体焊剂里面总是很少包含固体物质,它最适合应用在无清洗制程。

然而,由於液体焊剂存在流动性,在倒装晶片贴装之后,贴装系统传送带的移动会引起晶片的惯性位移,有两个方法可以解决这个问题:

在PCB板传送前,设定数秒的等待时间。在这个时间内,倒装晶片周围的焊剂迅速挥发而提高了黏附性,但这会使产量降低。
你可以调整传送带的加速度和减速度,使之与焊剂的黏附性相匹配。传送带的平稳运动不会引起晶片移位。
焊剂涂覆方法的主要缺点是它的周期相对较长,对每一个要涂覆的器件,贴装时间增加大约1.5s。
浸焊方法

在这种情况,焊剂载体是一个旋转的桶,并用刀片把它刮成一个焊剂薄膜(大约50μm),此方法适用於高黏度的焊剂。通过只需在球栅的底部浸焊剂,在制程过程中可以减少焊剂的消耗。

此方法可以采用下列两种制程顺序:
• 在光学球栅对正和球栅浸焊剂之后进行贴装。在这个顺序里,倒装晶片球栅和焊剂载体的机械接触会对贴装精度产生负面的影响。
• 在球栅浸焊剂和光学球栅对正之后进行贴装。这种情况下,焊剂材料会影响光学球栅对正的图像。 浸焊剂方法不太适用於挥发能力高的焊剂,但它的速度比涂覆方法的要快得多。根据贴装方法的不同,每个器件附加的时间大约是:纯粹的拾取、贴装为0.8s,收集、贴装为0.3s.

当用标准的SMT贴装球栅间距为0.5mm的μBGA或CSP时,还有一些事情应该注意:对应用混合技术(采用μBGA/CSP的标准SMD)的产品,显然最关键的制程过程是焊剂涂覆印刷。逻辑上说,也可采用综合传统的倒装晶片制程和焊剂应用的贴装方法。

所有的面形阵列封装都显示出在性能、封装密度和节约成本上的潜力。为了发挥在电子生产整体领域的效能,需要进一步的研究开发,改进制程、材料和设备等。就SMD贴装设备来讲,大量的工作集中在视觉技术、更高的产量和精度。

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