PCB板用倒装芯片（FC）装配技术

licheng521

摘要：随着小型化高密度封装的出现，对高速与高精度装配的要求变得更加关键，相关的组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。由于倒装芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺，以及检查设备和方法提出了前所未有的挑战。
　　现今电子器件的小型化高密度封装形式越来越多，如多模块封装（MCM）、系统封装（SiP）、倒装芯片（FC，Flip-Chip）等应用得越来越多。这些技术的出现更加模糊了一级封装与二级装配之间的界线。毋庸置疑，随着小型化高密度封装的出现，对高速与高精度装配的要求变得更加关键，相关的组装设备和工艺也更具先进性与高灵活性。
　　由于倒装芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球径和球间距、它对植球工艺、基板技术、材料的兼容性、制造工艺，以及检查设备和方法提出了前所未有的挑战。
　　下面对这些要求进行具体分析：
　　1.对贴装压力控制的要求
　　考虑到PCB板用倒装芯片基材是比较脆的硅，若在取料、助焊剂浸蘸过程中施以较大的压力容易将其压裂，同时细小的焊凸在此过程中也容易压变形，所以尽量使用比较低的贴装压力。一般要求在150g左右。对于超薄形芯片，如0.3mm，有时甚至要求贴装压力控制在35g。
　　2.对贴装精度及稳定性的要求
　　对于球间距小到0.1mm的器件，需要怎样的贴装精度才能达到较高的良率？基板的翘曲变形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及机器的精度等，都会影响到最终的贴装精度。关于基板设计和制造的情况对于贴装的影响，我们在此不作讨论，这里我们只是来讨论机器的贴装精度。
　　3.芯片装配工艺对贴装设备的要求
　　为了回答上面的问题，我们来建立一个简单的假设模型：
　　1.假设PCB板用倒装芯片的焊凸为球形，基板上对应的焊盘为圆形，且具有相同的直径；
　　2.假设无基板翘曲变形及制造缺陷方面的影响；
　　3.不考虑Theta和冲击的影响；
　　4.在回流焊接过程中，器件具有自对中性，焊球与润湿面50%的接触在焊接过程中可以被“拉正”。
　　那么，基于以上的假设，直径25μm的焊球如果其对应的圆形焊盘的直径为50μm时，左右位置偏差（X轴）或 前后位置偏差（Y轴）在焊盘尺寸的50%，焊球都始终在焊盘上。对于焊球直径为25μm的PCB板用倒装芯片，工艺能力Cpk要达到1.33的话，要求机器的最小精度必须达到12μm。
　　4.对照像机和影像处理技术的要求
　　要处理细小焊球间距的PCB板用倒装芯片的影像，需要百万像素的数码像机。较高像素的数码像机有较高的放大倍率， 但是，像素越高视像区域（FOV）越小，这意味着大的器件可能需要多次“拍照”。照像机的光源一般为发光二极 管，分为侧光源、前光源和轴向光源，并可以单独控制。PCB板用倒装芯片的的成像光源采用侧光、前光，或两者结合。
　　那么，对于给定器件如何选择像机呢？这主要依赖图 像的算法。譬如，区分一个焊球需要N个像素，则区分球间距需要2N个像素。以环球仪器的贴片机上Magellan数码像机为例，其区分一个焊球需要4个像素，我们用来看不同的 焊球间隙所要求的最大的像素应该是多大，这便于我们根据不同的器件来选择相机，假设所有的影像是实际物体尺寸的75%。
　　PCB板用倒装芯片基准点（Fiducial）的影像处理与普通基准点相似。PCB板用倒装芯片的贴装往往除整板基准点外（GLOBAL fiducial）会使用局部基准点（Local fiducial），此时的基 准点会较小（0.15—1.0mm），像机的选择参照上面的方法。对于光源的选择需要斟酌，一般贴片头上的相机光源 都是红光，在处理柔性电路板上的基准点时效果很差，甚至找不到基准点，其原因是基准点表面（铜）的颜色和基板颜色非常接近，色差不明显。如果使用环球仪器的蓝色光源专利技术就很好的解决了此问题。
　　5.吸嘴的选择
　　由于PCB板用倒装芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最好选择头部是硬质塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果选择头部 为橡胶的吸嘴，随着橡胶的老化，在贴片过程中可能会粘连器件，造成贴片偏移或带走器件。
　　6.对助焊剂应用单元的要求
　　助焊剂应用单元是控制助焊剂浸蘸工艺的重要部分， 其工作的基本原理就是要获得设定厚度的稳定的助焊剂薄膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊剂的量一致。 要精确稳定的控制助焊剂薄膜的厚度，同时满足高速浸蘸的要求，该助焊剂应用单元必须满足以下要求：
　　（1）可以满足多枚器件同时浸蘸助焊剂（如同时浸蘸4或7枚）提高产量；
　　（2）助焊剂用单元应该简单、易操作、易控制、易清洁；
　　（3）可以处理很广泛的助焊剂或锡膏，适合浸蘸工艺的 助焊剂粘度范围较宽，对于较稀和较粘的助焊剂都 要能处理，而且获得的膜厚要均匀；
　　（4）蘸取工艺可以精确控制，浸蘸的工艺参数因材料的不同而会有差异，所以浸蘸过程工艺参数必须可以单独控制，如往下的加速度、压力、停留时间、向上的加速度等。
　　7.对供料器的要求
　　要满足批量高速高良率的生产，供料技术也相当关键。PCB板用倒装芯片的包装方式主要有这么几种：2×2或4×4英 JEDEC盘、200mm或300mm圆片盘（Wafer）、还有 卷带料盘（Reel）。对应的供料器有：固定式料盘供料器 (Stationary tray feeder)，自动堆叠式送料器（Automated stackable feeder），圆片供料器（Wafer feeder），以及带式供料器。
　　所有这些供料技术必须具有精确高速供料的能力，对于圆片供料器还要求其能处理多种器件包装方式，譬如： 器件包装可以是JEDEC盘、或裸片，甚至完成芯片在机器内完成翻转动作。
　　下面我们来举例说明一下Unovis的裸晶供料器（DDF Direct Die Feeder）的特点：
　　·可用于混合电路或感应器、 多芯片模组、系统封装、RFID和3D装配；
　　·圆片盘可以竖着进料、节省空间，一台机器可以安装多台DDF；
　　·芯片可以在DDF内完成翻转；
　　·可以安装在多种贴片平台上。
　　8.对板支撑及定位系统的要求
　　有些PCB板用倒装芯片是应用在柔性电路板或薄型电路板上，这时候对基板的平整支撑非常关键。解决方案往往会用到 载板和真空吸附系统，以形成一个平整的支撑及精确的定位系统，满足以下要求：
　　（1）基板Z方向的精确支撑控制，支撑高度编程调节；
　　（2）提供客户化的板支撑界面；
　　（3）完整的真空发生器；
　　（4）可应用非标准及标准载板。
　　9.回流焊接及填料固化后的检查
　　对完成底部填充以后产品的检查有非破坏性检查和破坏性检查，非破坏性的检查有：
　　·利用光学显微镜进行外观检查，譬如检查填料在器件侧面爬升的情况，是否形成良好的边缘圆角，器件表面是否有脏污等；
　　·利用X射线检查仪检查焊点是否短路，开路，偏移，润湿情况，焊点内空洞等；
　　·电气测试（导通测试），可以测试电气联结是否有 问题。对于一些采用菊花链设计的测试板，通过通断测试还可以确定焊点失效的位置；
　　·利用超声波扫描显微镜（C-SAM）检查底部填充后 其中是否有空洞、分层，流动是否完整。
　　破坏性的检查可以对焊点或底部填料进行切片，结合光学显微镜，金相显微镜或电子扫描显微镜和能谱分析仪（SEM/EDX），检查焊点的微观结构，例如，微裂纹/微孔，锡结晶，金属间化合物，焊接及润湿情况，底部填充 是否有空洞、裂纹、分层、流动是否完整等。
　　完成回流焊接及底部填充工艺后的产品常见缺陷有：焊点桥连/开路、焊点润湿不良、焊点空洞/气泡、焊点开裂/脆裂、底部填料和芯片分层和芯片破裂等。对于底部填充是否完整，填料内是否出现空洞，裂纹和分层现象，需要超声波扫描显微镜（C-SAM）或通过与芯片底面平行的 切片（Flat section）结合显微镜才能观察到，这给检查此类缺陷增加了难度。
　　底部填充材料和芯片之间的分层往往发生在应力最大 器件的四个角落处或填料与焊点的界面。
　　本文总结
　　PCB板用倒装芯片在产品成本、性能及满足高密度封装等方面，体现出优势，它的应用也渐渐成为主流。由于PCB板用倒装芯片的尺寸小，要保证高精度高产量高重复性，这给我们传统的设备及工艺带来了挑战，具体表现在以下几个方面：
　　1.基板（硬板或软板）的设计方面；
　　2.组装及检查设备方面；
　　3.制造工艺,芯片的植球工艺，PCB的制造工艺，SMT工艺；
　　4.材料的兼容性。
　　全面了解以上问题是成功进行PCB板用倒装芯片组装工艺的基础。
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