PCB板用倒装芯片(FC)装配技术

2013年06月13日 22:06    qq8426030
关键词: PCB , 倒装芯片

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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