00256芯片粘接设备的选择策略

1、芯片粘接设备的选择策略在工艺研究和随后的小批量生产阶段，oem工程师们要为设备的选购做大量工作，此时需要对半自动和全自动芯片粘接机的优缺点进行仔细研究。裸片粘接设备能处理多种面阵列封装互连形式(如倒装芯片、芯片级封装等)，因而对性能的要求也有很大不同。工艺工程师所面临的最大难题是各种倒装芯片封装形式以及相关的处理这些封装的不同工艺不断在涌现，如回流焊、聚合物粘接及低熔点粘接等等。根据设计不同，有时12m的贴装精度就可以了，而有时则要求5m甚至更高的精度。目前，工业用半自动芯片粘接机的倒装芯片贴装精度为5m，这种性能使粘接设备工作时的灵活性得到提高。如果要将半自动机型与全自动机型的速度作比较，很

2、重要的一点是不能只看机器正常工作时的产能，还要把设置机器所需时间和复杂程度考虑在内。对全自动机而言，要完成芯片与基板上的目标点校准以及设置放大倍数和z方向运行范围等，其学习过程花费的时间会很多。全自动机器用一天的时间来进行设置一点都不奇怪，而对于半自动机型而言则可能只需要15分钟的设置时间。因此，如果芯片数量较少，可用半自动机进行设置和生产，此时完成任务所需时间只相当于全自动机的准备时间。除了在小批量生产时选购半自动机型具有投资少、设置简单等优点以外，还应该考虑到目前的半自动芯片粘接机不仅能作倒装芯片粘接，还可以进行激光二极管加热粘接及低熔点粘接。 基本功能不考虑高密度互连场合，粘接设备最基本

3、的功能应包括裸片吸起与基板对位、施加粘接力以及加热。芯片对位采用视像系统进行，它利用棱柱分光器，(在处理倒装芯片时)能够同时观察到芯片与基板的图像。但是视像系统不能使操作者实时观察粘接的实际过程，有时希望能有一个像绕轴直接观察显微镜之类的放大系统，用来监控芯片贴放过程和进行故障诊断(特别是低熔点和激光二极管加热粘接)。图1：具有扩展棱柱分光器与绕轴直接观察显微镜成像的半自动激光二极管加热粘接机图1显示在半自动激光二极管加热粘接机上装有棱柱分光器和绕轴直接观察显微镜的情况。棱柱分光器在基板焊盘图像上叠加倒装芯片凸起的图像，这对微型倒装芯片的对位是很重要的，另外还要用到光纤照明，使得图像呈现不同的

4、灰度以确保观察正确；同时还有带可控变焦镜头的摄像机，以提供各种放大倍数条件下的优化观察效果，满足取料与对位所需最小要求。可以看到，这种半自动系统不需要像全自动系统那样进行设置，全自动系统对位过程利用图像识别系统来完成，而图像识别系统则需要一个学习过程。无论是半自动还是全自动系统，都需配备适当的粘接力控制功能以满足芯片粘接的需要。假设使用的是焊接材料，则当芯片浸过助焊剂后，即应在其上施加足够粘接力(50-300克)使其正确地在基板上固定；若采用环氧树脂等胶粘剂，则施加力的大小与时间都很重要，固化时芯片上所加的力可高达10kg，才能确保粘接良好。其它情况下同样需要精确的力量大小控制，包括精密的微型

5、芯片以及各工位(取料点、浸助焊剂以及贴装点)所需力的大小都不相同的情况。倒装芯片要用回流焊时需另添一台加热设备，或者就在贴放裸片的同一机器里完成回流焊。如果选择后者，则贴放设备需要根据不同情况，用不同的方式进行加热。比如采用裸片加热工具、可设定温度的升温台或者利用热气喷嘴的点式加热工具。值得注意的是采用最后一种点加热方式一次只能对一个芯片进行加热，而且还能够用于返修(图2)。图2：用双热风喷嘴加热一个芯片全自动粘接设备也具有同样的加热功能，但是用自动系统进行返修却是不实际的。系统分类与性能在讲述其他特性之前，首先应考虑粘接系统的应用环境(比如目前倒装芯片粘接正在普及)，这将有助于确定所需投资的

6、大小并可以深入了解所希望的一些附加特性。例如有一些专为刚刚开始介入倒装芯片连接的公司而设计的低价位半自动台式入门级机型，如图3所示(1级)。图3：850型倒装芯片粘接机(1级)这种设备具有一定的对位精度，并配有可控粘接力控制和加热装置，其贴放精度为12m，可用于电路板或柔性线路板上的倒装芯片、芯片级器件和裸芯片粘接，没有经过培训的操作人员仅需15分钟即可掌握这种粘接机。它配有晶圆吸取工位和2,580.64mm2真空台(尺寸可选)，粘接力为50-300g(可选2kg)，带有手动或电动助焊剂托盘，产能可达120件/小时。该设备通过棱柱分光器上的调节旋钮获取扫描图像，在处理具有不同间距和凸点尺寸的大

7、型倒装芯片时，允许操作者以1/2英寸步距使视窗围绕中心向各方向作前后平移，比如处理凸起直径在4mil左右而间距在6mil左右的器件。机器上配有x-y精密移动工作台，并装有气动阀和启动贴装的z向运动控制按钮，基板固定装置在x、y和方向可作微米精度调节，它的选件包括工作温度可达350的加热装置和微型热风喷嘴。最近一家半自动芯片粘接机制造商在其倒装芯片粘接机上推出了一种新选件，可以将采用新型可修复底部填充材料粘好的倒装芯片再取下来。这种新式半自动返修工具特别适合于使用新型可修复底部填充与助焊剂混合材料的倒装芯片新工艺，如使用新型非流动性可修复底部填充材料的工艺。该工具包括一个聚热式芯片加热源、带基板

8、固定装置的加热台、芯片抓取器、对位显微镜、一个内置有计算机和电源的控制盒以及工作台清洁系统。应注意虽然这些特性可以增加半自动机型的功能，但却不能用于在线式全自动粘接设备中。对于要求更高的应用，诸如金凸起倒装芯片以及相关的激光二极管加热粘接等，对温度、压力和速度控制的要求更加严格。图4：860型omni粘接机(2级)图4所示的多功能机型其性能与复杂性均属于更高一个级别(2级)，这种半自动台式机含有棱柱分光器与绕轴直接观察显微镜，适用于要求机器性能更高(如更大粘接力控制)及功能更通用的用户，以便处理小批量含有金、普通焊料、胶粘剂或柱形凸起的倒装芯片及激光二极管加热粘接和低熔点粘接等。这类系统能够对

9、尺寸通常在3.8076mm2至645.16mm2之间的裸片进行对位和粘接，贴装精度为5m，产能为120件/小时。其标准选件包括电动旋转夹头、电动扫描(便于对周边进行观察)及快速加热吸嘴等，其中最后一种选件特别适用于热压粘接。快速热吸嘴既可以将倒装芯片加热至预定温度，也可以按指定的速率迅速升温并在不同的温度设定点保持准确的时间长度。对于温度特别高的工艺，该系统还可配备升温速度为20/秒，最高温度可达500或更高的加热台。第3级设备是要求最高的机器，具有更大粘接力、更高精度和更强的通用能力，图5：410型倒装芯片粘接机(3级) 图5中的落地式半自动裸片粘接机就属于这种。这类机器主要用于试验室与工艺

10、开发部门，他们需要的设备必须具备多种性能及较大加工台面，以完成样品开发以及前沿技术特性研究，包括激光二极管加热粘接及下一代多层电路板等。这一类粘接机的贴放精度为5m，适用裸片尺寸从6.4516mm2至645.16mm2，并能用热风实现点加热。它的工作台温度很高，闭环控制粘接力的大小从5g至10kg(对于玻璃板上的芯片加工还可提供更大粘接力)，并且可以装上超声刷对微波(microwave)倒装芯片进行热声粘接。其加热台面积为3,870.96mm2，在x、y及方向可作6mm电动调节，另外它还有电动调焦与视窗移动功能，可以在较高放大倍数下观察大尺寸芯片。其操作时序可编程控制，并能以宏的形式存入系统中。3级设备必须安装在防震台上，以保证精确贴装所需的稳定性。上述各种系统的最大产能约为120件/小时，对于研发及大部分小批量(甚至一些中批量)生产而言，这一速度已足够了。如果产能要求很大，就需要考虑购买带图像识别的高速自