pcb板怎樣利用倒裝晶片裝配技術

摘要：隨著小型化高密度封裝的出現，對高速與高精度裝配的要求變得更加關鍵，相關的組裝設備和工藝也更具先進性與高靈活性。由於倒裝晶片比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、材料的兼容性、製造工藝，以及檢查設備和方法提出了前所未有的挑戰。

現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）、系統封裝（SiP）、倒裝晶片（FC，Flip-Chip）等應用得越來越多。這些技術的出現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，對高速與高精度裝配的要求變得更加關鍵，相關的組裝設備和工藝也更具先進性與高靈活性。

由於倒裝晶片比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、材料的兼容性、製造工藝，以及檢查設備和方法提出了前所未有的挑戰。

下面對這些要求進行具體分析：

1.對貼裝壓力控制的要求

考慮到PCB板用倒裝晶片基材是比較脆的矽，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，同時細小的焊凸在此過程中也容易壓變形，所以儘量使用比較低的貼裝壓力。一般要求在150g左右。對於超薄形晶片，如0.3mm，有時甚至要求貼裝壓力控制在35g。

2.對貼裝精度及穩定性的要求

對於球間距小到0.1mm的器件，需要怎樣的貼裝精度才能達到較高的良率？基板的翹曲變形，阻焊膜窗口的尺寸和位置偏差，以及機器的精度等，都會影響到最終的貼裝精度。關於基板設計和製造的情況對於貼裝的影響，我們在此不作討論，這裡我們只是來討論機器的貼裝精度。

3.晶片裝配工藝對貼裝設備的要求

為了回答上面的問題，我們來建立一個簡單的假設模型：

1.假設PCB板用倒裝晶片的焊凸為球形，基板上對應的焊盤為圓形，且具有相同的直徑；

2.假設無基板翹曲變形及製造缺陷方面的影響；

3.不考慮Theta和衝擊的影響；

4.在回流焊接過程中，器件具有自對中性，焊球與潤溼面50%的接觸在焊接過程中可以被「拉正」。

那麼，基於以上的假設，直徑25μm的焊球如果其對應的圓形焊盤的直徑為50μm時，左右位置偏差（X軸）或 前後位置偏差（Y軸）在焊盤尺寸的50%，焊球都始終在焊盤上。對於焊球直徑為25μm的PCB板用倒裝晶片，工藝能力Cpk要達到1.33的話，要求機器的最小精度必須達到12μm。

4.對照像機和影像處理技術的要求

要處理細小焊球間距的PCB板用倒裝晶片的影像，需要百萬像素的數碼像機。較高像素的數碼像機有較高的放大倍率， 但是，像素越高視像區域（FOV）越小，這意味著大的器件可能需要多次「拍照」。照像機的光源一般為發光二極 管，分為側光源、前光源和軸向光源，並可以單獨控制。PCB板用倒裝晶片的的成像光源採用側光、前光，或兩者結合。

那麼，對於給定器件如何選擇像機呢？這主要依賴圖 像的算法。譬如，區分一個焊球需要N個像素，則區分球間距需要2N個像素。以環球儀器的貼片機上Magellan數碼像機為例，其區分一個焊球需要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該是多大，這便於我們根據不同的器件來選擇相機，假設所有的影像是實際物體尺寸的75%。

PCB板用倒裝晶片基準點（Fiducial）的影像處理與普通基準點相似。PCB板用倒裝晶片的貼裝往往除整板基準點外（GLOBAL fiducial）會使用局部基準點（Local fiducial），此時的基 準點會較小（0.15—1.0mm），像機的選擇參照上面的方法。對於光源的選擇需要斟酌，一般貼片頭上的相機光源 都是紅光，在處理柔性電路板上的基準點時效果很差，甚至找不到基準點，其原因是基準點表面（銅）的顏色和基板顏色非常接近，色差不明顯。如果使用環球儀器的藍色光源專利技術就很好的解決了此問題。

5.吸嘴的選擇

由於PCB板用倒裝晶片基材是矽，上表面非常平整光滑，最好選擇頭部是硬質塑料材料具多孔的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.對助焊劑應用單元的要求

助焊劑應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定厚度的穩定的助焊劑薄膜，以便於器件各焊球蘸取的助焊劑的量一致。 要精確穩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）提高產量；

（2）助焊劑用單元應該簡單、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 助焊劑粘度範圍較寬，對於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，浸蘸的工藝參數因材料的不同而會有差異，所以浸蘸過程工藝參數必須可以單獨控制，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，供料技術也相當關鍵。PCB板用倒裝晶片的包裝方式主要有這麼幾種：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。

所有這些供料技術必須具有精確高速供料的能力，對於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，甚至完成晶片在機器內完成翻轉動作。

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：

·可用於混合電路或感應器、 多晶片模組、系統封裝、RFID和3D裝配；

·圓片盤可以豎著進料、節省空間，一臺機器可以安裝多臺DDF；

·晶片可以在DDF內完成翻轉；

·可以安裝在多種貼片平臺上。

8.對板支撐及定位系統的要求

有些PCB板用倒裝晶片是應用在柔性電路板或薄型電路板上，這時候對基板的平整支撐非常關鍵。解決方案往往會用到 載板和真空吸附系統，以形成一個平整的支撐及精確的定位系統，滿足以下要求：

（1）基板Z方向的精確支撐控制，支撐高度編程調節；

（2）提供客戶化的板支撐界面；

（3）完整的真空發生器；

（4）可應用非標準及標準載板。

9.回流焊接及填料固化後的檢查

對完成底部填充以後產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：

·利用光學顯微鏡進行外觀檢查，譬如檢查填料在器件側面爬升的情況，是否形成良好的邊緣圓角，器件表面是否有髒汙等；

·利用X射線檢查儀檢查焊點是否短路，開路，偏移，潤溼情況，焊點內空洞等；

·電氣測試（導通測試），可以測試電氣聯結是否有 問題。對於一些採用菊花鏈設計的測試板，通過通斷測試還可以確定焊點失效的位置；

·利用超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）檢查底部填充後 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或底部填料進行切片，結合光學顯微鏡，金相顯微鏡或電子掃描顯微鏡和能譜分析儀（SEM/EDX），檢查焊點的微觀結構，例如，微裂紋/微孔，錫結晶，金屬間化合物，焊接及潤溼情況，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後的產品常見缺陷有：焊點橋連/開路、焊點潤溼不良、焊點空洞/氣泡、焊點開裂/脆裂、底部填料和晶片分層和晶片破裂等。對於底部填充是否完整，填料內是否出現空洞，裂紋和分層現象，需要超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）或通過與晶片底面平行的 切片（Flat section）結合顯微鏡才能觀察到，這給檢查此類缺陷增加了難度。

底部填充材料和晶片之間的分層往往發生在應力最大 器件的四個角落處或填料與焊點的界面。

本文總結

PCB板用倒裝晶片在產品成本、性能及滿足高密度封裝等方面，體現出優勢，它的應用也漸漸成為主流。由於PCB板用倒裝晶片的尺寸小，要保證高精度高產量高重複性，這給我們傳統的設備及工藝帶來了挑戰，具體表現在以下幾個方面：

1.基板（硬板或軟板）的設計方面；

2.組裝及檢查設備方面；

3.製造工藝，晶片的植球工藝，PCB的製造工藝，SMT工藝；

4.材料的兼容性。

全面了解以上問題是成功進行PCB板用倒裝晶片組裝工藝的基礎。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴