PCB板用倒裝芯片（FC）裝配技術(shù)

摘要：隨著小型化高密度封裝的出現(xiàn)，對高速與高精度裝配的要求變得更加關(guān)鍵，相關(guān)的組裝設(shè)備和工藝也更具先進(jìn)性與高靈活性。由于倒裝芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球徑和球間距、它對植球工藝、基板技術(shù)、材料的兼容性、制造工藝，以及檢查設(shè)備和方法提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)今電子器件的小型化高密度封裝形式越來越多，如多模塊封裝（MCM）、系統(tǒng)封裝（SiP）、倒裝芯片（FC，F(xiàn)lip-Chip）等應(yīng)用得越來越多。這些技術(shù)的出現(xiàn)更加模糊了一級封裝與二級裝配之間的界線。毋庸置疑，隨著小型化高密度封裝的出現(xiàn)，對高速與高精度裝配的要求變得更加關(guān)鍵，相關(guān)的組裝設(shè)備和工藝也更具先進(jìn)性與高靈活性。

由于倒裝芯片比BGA或CSP具有更小的外形尺寸、更小的球徑和球間距、它對植球工藝、基板技術(shù)、材料的兼容性、制造工藝，以及檢查設(shè)備和方法提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

下面對這些要求進(jìn)行具體分析：

1.對貼裝壓力控制的要求

考慮到PCB板用倒裝芯片基材是比較脆的硅，若在取料、助焊劑浸蘸過程中施以較大的壓力容易將其壓裂，同時細(xì)小的焊凸在此過程中也容易壓變形，所以盡量使用比較低的貼裝壓力。一般要求在150g左右。對于超薄形芯片，如0.3mm，有時甚至要求貼裝壓力控制在35g。

2.對貼裝精度及穩(wěn)定性的要求

對于球間距小到0.1mm的器件，需要怎樣的貼裝精度才能達(dá)到較高的良率？基板的翹曲變形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及機(jī)器的精度等，都會影響到最終的貼裝精度。關(guān)于基板設(shè)計和制造的情況對于貼裝的影響，我們在此不作討論，這里我們只是來討論機(jī)器的貼裝精度。

3.芯片裝配工藝對貼裝設(shè)備的要求

為了回答上面的問題，我們來建立一個簡單的假設(shè)模型：

1.假設(shè)PCB板用倒裝芯片的焊凸為球形，基板上對應(yīng)的焊盤為圓形，且具有相同的直徑；

2.假設(shè)無基板翹曲變形及制造缺陷方面的影響；

3.不考慮Theta和沖擊的影響；

4.在回流焊接過程中，器件具有自對中性，焊球與潤濕面50%的接觸在焊接過程中可以被“拉正”。

那么，基于以上的假設(shè)，直徑25μm的焊球如果其對應(yīng)的圓形焊盤的直徑為50μm時，左右位置偏差（X軸）或 前后位置偏差（Y軸）在焊盤尺寸的50%，焊球都始終在焊盤上。對于焊球直徑為25μm的PCB板用倒裝芯片，工藝能力Cpk要達(dá)到1.33的話，要求機(jī)器的最小精度必須達(dá)到12μm。

4.對照像機(jī)和影像處理技術(shù)的要求

要處理細(xì)小焊球間距的PCB板用倒裝芯片的影像，需要百萬像素的數(shù)碼像機(jī)。較高像素的數(shù)碼像機(jī)有較高的放大倍率， 但是，像素越高視像區(qū)域（FOV）越小，這意味著大的器件可能需要多次“拍照”。照像機(jī)的光源一般為發(fā)光二極 管，分為側(cè)光源、前光源和軸向光源，并可以單獨(dú)控制。PCB板用倒裝芯片的的成像光源采用側(cè)光、前光，或兩者結(jié)合。

那么，對于給定器件如何選擇像機(jī)呢？這主要依賴圖 像的算法。譬如，區(qū)分一個焊球需要N個像素，則區(qū)分球間距需要2N個像素。以環(huán)球儀器的貼片機(jī)上Magellan數(shù)碼像機(jī)為例，其區(qū)分一個焊球需要4個像素，我們用來看不同的 焊球間隙所要求的最大的像素應(yīng)該是多大，這便于我們根據(jù)不同的器件來選擇相機(jī)，假設(shè)所有的影像是實際物體尺寸的75%。

PCB板用倒裝芯片基準(zhǔn)點(diǎn)（Fiducial）的影像處理與普通基準(zhǔn)點(diǎn)相似。PCB板用倒裝芯片的貼裝往往除整板基準(zhǔn)點(diǎn)外（GLOBAL fiducial）會使用局部基準(zhǔn)點(diǎn)（Local fiducial），此時的基 準(zhǔn)點(diǎn)會較?。?.15—1.0mm），像機(jī)的選擇參照上面的方法。對于光源的選擇需要斟酌，一般貼片頭上的相機(jī)光源 都是紅光，在處理柔性電路板上的基準(zhǔn)點(diǎn)時效果很差，甚至找不到基準(zhǔn)點(diǎn)，其原因是基準(zhǔn)點(diǎn)表面（銅）的顏色和基板顏色非常接近，色差不明顯。如果使用環(huán)球儀器的藍(lán)色光源專利技術(shù)就很好的解決了此問題。

5.吸嘴的選擇

由于PCB板用倒裝芯片基材是硅，上表面非常平整光滑，最好選擇頭部是硬質(zhì)塑料材料具多孔的ESD吸嘴。如果選擇頭部 為橡膠的吸嘴，隨著橡膠的老化，在貼片過程中可能會粘連器件，造成貼片偏移或帶走器件。

6.對助焊劑應(yīng)用單元的要求

助焊劑應(yīng)用單元是控制助焊劑浸蘸工藝的重要部分， 其工作的基本原理就是要獲得設(shè)定厚度的穩(wěn)定的助焊劑薄膜，以便于器件各焊球蘸取的助焊劑的量一致。 要精確穩(wěn)定的控制助焊劑薄膜的厚度，同時滿足高速浸蘸的要求，該助焊劑應(yīng)用單元必須滿足以下要求：

（1）可以滿足多枚器件同時浸蘸助焊劑（如同時浸蘸4或7枚）提高產(chǎn)量；

（2）助焊劑用單元應(yīng)該簡單、易操作、易控制、易清潔；

（3）可以處理很廣泛的助焊劑或錫膏，適合浸蘸工藝的 助焊劑粘度范圍較寬，對于較稀和較粘的助焊劑都 要能處理，而且獲得的膜厚要均勻；

（4）蘸取工藝可以精確控制，浸蘸的工藝參數(shù)因材料的不同而會有差異，所以浸蘸過程工藝參數(shù)必須可以單獨(dú)控制，如往下的加速度、壓力、停留時間、向上的加速度等。

7.對供料器的要求

要滿足批量高速高良率的生產(chǎn)，供料技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。PCB板用倒裝芯片的包裝方式主要有這么幾種：2×2或4×4英 JEDEC盤、200mm或300mm圓片盤（Wafer）、還有 卷帶料盤（Reel）。對應(yīng)的供料器有：固定式料盤供料器 (Stationary tray feeder)，自動堆疊式送料器（Automated stackable feeder），圓片供料器（Wafer feeder），以及帶式供料器。

所有這些供料技術(shù)必須具有精確高速供料的能力，對于圓片供料器還要求其能處理多種器件包裝方式，譬如： 器件包裝可以是JEDEC盤、或裸片，甚至完成芯片在機(jī)器內(nèi)完成翻轉(zhuǎn)動作。

下面我們來舉例說明一下Unovis的裸晶供料器（DDF Direct Die Feeder）的特點(diǎn)：

·可用于混合電路或感應(yīng)器、 多芯片模組、系統(tǒng)封裝、RFID和3D裝配；

·圓片盤可以豎著進(jìn)料、節(jié)省空間，一臺機(jī)器可以安裝多臺DDF；

·芯片可以在DDF內(nèi)完成翻轉(zhuǎn)；

·可以安裝在多種貼片平臺上。

8.對板支撐及定位系統(tǒng)的要求

有些PCB板用倒裝芯片是應(yīng)用在柔性電路板或薄型電路板上，這時候?qū)宓钠秸畏浅ｊP(guān)鍵。解決方案往往會用到 載板和真空吸附系統(tǒng)，以形成一個平整的支撐及精確的定位系統(tǒng)，滿足以下要求：

（1）基板Z方向的精確支撐控制，支撐高度編程調(diào)節(jié)；

（2）提供客戶化的板支撐界面；

（3）完整的真空發(fā)生器；

（4）可應(yīng)用非標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)載板。

9.回流焊接及填料固化后的檢查

對完成底部填充以后產(chǎn)品的檢查有非破壞性檢查和破壞性檢查，非破壞性的檢查有：

·利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行外觀檢查，譬如檢查填料在器件側(cè)面爬升的情況，是否形成良好的邊緣圓角，器件表面是否有臟污等；

·利用X射線檢查儀檢查焊點(diǎn)是否短路，開路，偏移，潤濕情況，焊點(diǎn)內(nèi)空洞等；

·電氣測試（導(dǎo)通測試），可以測試電氣聯(lián)結(jié)是否有 問題。對于一些采用菊花鏈設(shè)計的測試板，通過通斷測試還可以確定焊點(diǎn)失效的位置；

·利用超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）檢查底部填充后 其中是否有空洞、分層，流動是否完整。

破壞性的檢查可以對焊點(diǎn)或底部填料進(jìn)行切片，結(jié)合光學(xué)顯微鏡，金相顯微鏡或電子掃描顯微鏡和能譜分析儀（SEM/EDX），檢查焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)，例如，微裂紋/微孔，錫結(jié)晶，金屬間化合物，焊接及潤濕情況，底部填充 是否有空洞、裂紋、分層、流動是否完整等。

完成回流焊接及底部填充工藝后的產(chǎn)品常見缺陷有：焊點(diǎn)橋連/開路、焊點(diǎn)潤濕不良、焊點(diǎn)空洞/氣泡、焊點(diǎn)開裂/脆裂、底部填料和芯片分層和芯片破裂等。對于底部填充是否完整，填料內(nèi)是否出現(xiàn)空洞，裂紋和分層現(xiàn)象，需要超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）或通過與芯片底面平行的 切片（Flat section）結(jié)合顯微鏡才能觀察到，這給檢查此類缺陷增加了難度。

底部填充材料和芯片之間的分層往往發(fā)生在應(yīng)力最大 器件的四個角落處或填料與焊點(diǎn)的界面。

本文總結(jié)

PCB板用倒裝芯片在產(chǎn)品成本、性能及滿足高密度封裝等方面，體現(xiàn)出優(yōu)勢，它的應(yīng)用也漸漸成為主流。由于PCB板用倒裝芯片的尺寸小，要保證高精度高產(chǎn)量高重復(fù)性，這給我們傳統(tǒng)的設(shè)備及工藝帶來了挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.基板（硬板或軟板）的設(shè)計方面；

2.組裝及檢查設(shè)備方面；

3.制造工藝,芯片的植球工藝，PCB的制造工藝，SMT工藝；

4.材料的兼容性。

全面了解以上問題是成功進(jìn)行PCB板用倒裝芯片組裝工藝的基礎(chǔ)。