SMT贴片机分析与选择

licheng521

一、前言
　　自动化的组件置放机在电路板的组装上扮演着相当重要的角色，但是组装业者在采购这类设备时，对于如何选用一部适合且功能完备机并未具备有足够的知识，在这篇文章中，我们将逐一的讨论组件置放机所应具备的功能，在具备了这些知识后，将可轻易的选择出适当的组件置放机。
　　二、关键性的差异
　　在电子产品不断的面对轻便的需求，组装业者希望能从缩小组件尺寸与增加电路板的组装密度来达成这项要求。近年来随着覆晶技术逐渐的被采用，组件小型化目标似乎得到解决，实际上还是有些困难待进一步获得确认，如虽然覆晶在组装上与传统表面黏着技术相似采用的接脚都是低温的共晶锡球，但并不是这样组件置放机就能轻易的转而适用于覆晶技术上，传统的组装所使用的组件置放机在技术上与覆晶的使用上还有些差距，这些差异主要是在使用于更小间距（小于0.012〞）与更小止境的锡球的组件时是否依然能够提供与过去一样的组装对位质量，组件置放机必须具备有更精确的视觉与对位系统才能得以因应覆晶技术的需求。
　　除此之外，时下常见的覆晶间距为0.004〞，锡球的直径为小于0.002〞，由于在回焊制程前，组件都是利用助焊剂（FLUX）暂时黏附在电路板上，若此时的组件是属于较小间距时，相对的所具备的助焊剂的量也会较其它较大间距的组件来得少，若助焊剂在沾湿的情况未能尽于完美，或无法提供足够的附着力将原件固定于焊电垫上时，则将会造成焊接质量不良。上述的问题再在的点出组件置放机应用在覆晶技术时所面临的问题着实相当复杂。
　　一般来说，一部能应用在间距为0.004〞组件，速度约为8 sec/part，其中整个动过程包括吸取组件，移动与视觉系统对位功能的价位约为＄400000到＄500000，其差异在于所选用配备的要求，虽然这样的设备已经能够面对时下的要求，但是否在未来依然适用？这就有赖持续的观察未来组件形式的发展了。
　　三、组件置放机的分辨率与精确度
　　显而易见的，分辨率与精确度对于组件置放机在微小间距组件（fine-pitch-parts）的应用上是相当重要的参数，大致上来说精确度是视觉系统精分辨率与设备在X-、Y-、及Z-方向移动稳定度的函数，简言之就是在组件放置动作中，放件吸头在3-D方向移动至设定位置前，系统必须能先“看到”并确认组件其所要放置的位置是否正确。
　　所有被试验的组件置放机的分辨率必须在0.00004〞到0.00008〞这个范围内，且精确度大约是在0.0004〞到0.002〞间，这样的结果显示了在微小间距的使用上，数据是越小越好。而其它的参数（如在组件吸嘴全速运动下之精确度，焊垫与锡球间对位误差的标准）将影响设备的层级。在这样的观点下，时下的高速机所能负荷的组件间距为0.0034〞到0.012〞,我们可以藉有以下的公式来推论组装时所能容许的最小组件间距：精确度*(100／焊垫与锡球对位误差的百分率)*2＝所适合使用的间距　ex：0.001〞*100/25*2=0.008〞
　　若由上面的例子看来，精确度为0.001〞的组件置放机，在有25%对位误差下，适合使用在间距为0.008〞的组件上，若供货商所采用的误差容许度为33%，则上述机台所使用的组件间距就为0.006〞了。
　　四、组件置放机的精确度与验证
　　组件置放机的精确度与连续性可藉由镀烙在玻璃片的方法（chrome-on-glass）来验证，其方法是在玻璃片以烙作出刻线，再将此玻璃片放置在组件置放机中，利用基板（substrate）与组件放置位置的基准点（fiducial）来引导机器对位，在完成整个组装制程后，再透过光学显微镜的检视与光标尺的测量，针对多个位置，再全速运动与来判断其精确度。
　　镀烙在玻璃片（chrome-on-glass）的检验方法是一种人工的制程，尽管如此在机器是否具备某一个程度的精确度这个议题上，还是一种相当有效的验证方法。有一点是相当重要的，就是当机器刚开机，正进行这种人工式的对位精确度确认的动作势必定要相当确实，以免影响后序运作时的精度。但也并非所有的这类设备在开始时都会进行类似的动作，且也不是每一家的设备都附有具有镀烙刻度的玻璃片来帮助校正精确度用。
　　此外，组件置放机的热稳定力也会影响其精确度，为此Jabil的覆晶组件置放机在是使用花岗岩石的基台与陶瓷的支撑梁来减低这类的影响，既然如此，若设备常时间的勇来处理间距为0.004〞的组件时，是否能自我进行热校正就相当重要，虽然有的厂商强调其设备无须做这类的校正，但在相关的文戏中还不时强调热校正的重要性。
　　五、置件速率
　　一般所指的置件速率大都不包括电路板输送与视觉对位的步骤，因此各家厂商所公布的速度都相当快，但若将上述两个动作包含在内一起计算，则速度就会急速降低。例如：若不含该两个项目，则一般速率都在2000pph左右，但若加上这两个项目则速率就剧降为800pph了。
　　环顾时下的组件置放机在执行吸取组件、沾助焊剂、视觉对位以及置件大约花费2.5至8秒左右，若能够将沾助焊剂、锡膏或者是导电胶等相关制程分离出来，使之不在组件置放的机置中运作，则可效的缩短置件的时间。除此之外，若能在缩短吸嘴移动的距离也可达到相同的效果。
　　六、输送
　　通常电路板在组件置放机中高速移动时，组件尽靠具有黏性的助焊剂黏着着，若电路板的移动，启动或停顿动作过大，则很有可能会造成组件移位进而混乱，所以输送系统在输送电路板的过程中，在三个不同区域必须要具备个别的速度控制单元。
　　在第一个区域中，系统必须尽可能的以高速将电路板输送到预定的位置（在这个部份组件通常的藉由先前所沾上之锡膏提供足够的黏性以应付高速的移动）这个区域主要是要将覆晶（flip chip）转放到电路板上。
　　第二个区域（通常称为组装区）则要以较慢的速度移动，因为覆晶（flip chip）在这个阶段中已完成组装。
　　第三个区域（通常被称为脱离区）是将电路板送出组件置放机。助焊剂在这扮演相当重要角色，增加助焊剂的量将可提供覆晶(flip chip)更大的黏着力，就可以较高的速度运送电路板，如此也可提高产能，但也会面临到一些问题，亦即若未与清洁系统结合，残留的助焊即将会造成覆晶(flip chip) 焊接不良。
　　七、电路板的对准
　　由于覆晶（flip chip）所用到的基板尺寸不一，在电路板的对准上会造成不同程度的问题，有些组件置放机的基板是以真空吸附(vacuum clamping)的方式来固定，这在较薄基板的使用上是相当有疑问的，薄的基板在平整度的要求是较难达成的，虽然在真空系统运作的同时基板是相当平整，但当真空去除后，基板将会回复原先的弯曲，另外，若组件仅靠助焊剂的黏性暂时固定组件，则再基板移动后将很容易发生组件移位，虽然可以加上一块硬板的方式来强化基板，但这样一来真空系统就不再有作用。部份的真空系统会与一特制的制具相互配合，相对的价格也相对的提高了。
　　八、可调整的置件压力
　　置件吸嘴的向下压力也是组件置放机的一项相当重要的参数，对于组件而言需要一足够的下压力使其能准确的放置在焊垫上，但又不能过大到使组件从焊垫上滑开。一般向下的压力是每个凸块（bump）3 到10g。
　　九、视觉系统
　　视觉系统在覆晶组件置放机中最重要的单元之一，视觉系统除了辨认焊锡接点外，同时也具备检视组件尺寸以确认吸嘴所吸取的组件是否正确的功能。影响视觉系统好坏的参数有倍率(gain)，偏位(offset) 与临界值(threshold) 以及视觉工具，有了这个部份将可有效的处理微小间距的组件。当组件的间距缩小时，焊锡接点也相对的要被迫缩小，举例而言，间距为0.004〞的组件的焊锡接点高度约为0.002〞，当焊锡接点被缩小到相当接近芯片时，就算将影像放大，辨视上还是相当困难，因为芯片表面的保护层(passivation)的颜色与焊锡接点的颜色是相当接近的。
　　另外还有一个问题是发生在基板上的基准点(fiducial)上，由于覆晶(flip chip)的尺寸相当小，在某些情况下，一些标准的基准点居然比芯片大，要解决这个问题，必须要控制视觉系统的搜寻区域(search)。
　　十、上助焊剂的方法
　　助焊剂在此一组装制程中相当重要，我们希望其能具备有足够的黏性，绝佳的沾湿力，与能尽量的减少残留量，特别是残留量的问题将会对焊接的好坏造成影响，因为若助焊剂残留在底胶填充剂(underfill)的流动路径上的话，将会不利其附着，这样在弥补CTE不匹配的功效就大打折扣了。
　　一般在覆晶(flip chip)技术中上助焊剂的方法有许多种，包括有用喷洒的(spray)，用滴漏的  (drip)，还有用沾浸的(dip)。
　　喷洒是在组装组件遣将液态的助焊剂以喷嘴雾化喷洒在要放置组件的区域。
　　滴漏是将液态的助焊剂滴在要放置组件区域的中心。
　　沾浸是将液态的助焊剂滴转盘上，再利用刮刀控制其厚度与平整度，随后以吸嘴吸起组件在转盘上沾浸上助焊剂。在中、低速的组件置放机可考虑采用此一系统，这种用转盘来制造固定厚度助焊剂的系统必须要特别留意污染的问题。
　　若上助焊剂的动作是被分离到另外一个制程而非与组件置放机在同一个机制下，如交给印刷机来做此一步骤，将可大大的提升产能。
　　十一、组件的处理
　　业界对于如何处理裸晶(bare-die)组件并无特别的规范，一般所常用的有waffle paks，gel paks，expended wafer systems，与surf  tape等方法。gel paks与expended wafer systems需要用到自动化的真空处理系统，而waffle paks或waffle-paks trays则无需使用到真空装置，但较为其它方法来得复杂。另外，surf-tape system要使用一种被称为鳍状供料装置(flipper feeder)的设备，这种供料系统与传统的SMT制程所使用到的tape-and-reel feeder在外型上与功能上类似，缺点是在将组件放入surf-tape是相当困难的；若能设计出更好的pocket-size，   则在未来，标准的tape-and-reel将会更广泛的被采用。
　　所有的制造商都有提供基本的材料供给装置(feeder)，但鳍状的材料供给装置(flipper feeder)与晶圆材料供给装置(expended wafer feeder)则是属于选用配备，expended wafer feeder是属于一种高速／低兼容性的组件处理方式，这点是可以被理解的，因为完整的晶圆在处置上是相当困难的。
　　十二、结论
　　由于标准的SMT制程与覆晶(flip chip)组装技术还有些不足之处，主要是在精确度的要求上，覆晶(flip chip)技术的特点就是在其尺寸与间距都相当的小，在传统的SMT制程所使用的组件置放机未必刊用，正因为这样，更促使业界需要在进一步的发展出新型的技术以扩充设备的能力与特性。另外，在助焊剂的制程与材料上也还有许多地方未尽完美，这也有赖业者发展出新一待的方法与技术，以期能与覆晶(flip chip)技术匹配。在这样的前提下就需要设备工程师们先一步的研究出更新、更方便的设备以推动新型式的制程。
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