晶片級(jí)封裝(CSP)已成為面陣列封裝設(shè)計(jì)的主要方式，利用其小巧的面積和格柵陣列技術(shù)能夠做出更小、更快、更便宜的零組件，用于記憶體、電信及多媒體等多種應(yīng)用中。但CSP技術(shù)的出現(xiàn)卻給后端制程帶來(lái)了新的難題，PCBA制造商們必須要仔細(xì)考慮制程流程的參數(shù)，才能使做出的產(chǎn)品在良率和可靠性等方面滿足應(yīng)用的要求。

 

EEMS

目前市面上的CSP元件類型數(shù)以百計(jì)，其中Tessera公司設(shè)計(jì)的μBGA已逐漸成為市場(chǎng)主流之一，已有多家整合電路PCBA制造商和組裝廠商獲得該項(xiàng)設(shè)計(jì)的使用授權(quán)。μBGA封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，可避免晶片與印刷電路板(PCB)間因熱膨脹不匹配而帶來(lái)可靠性問(wèn)題，其小巧、輕便、薄型封裝設(shè)計(jì)非常適用于可攜式產(chǎn)品和其它空間狹小的應(yīng)用中。

 

然而使要成功運(yùn)用這類設(shè)計(jì)，對(duì)制造來(lái)說(shuō)卻是一種挑戰(zhàn)。CSP技術(shù)的出現(xiàn)為后端制程帶來(lái)了新的難題，同時(shí)由于終端產(chǎn)品市場(chǎng)固有的成本驅(qū)動(dòng)特性，它還增加了PCBA制造商在產(chǎn)量和產(chǎn)能上的壓力，這些難題與壓力促進(jìn)了高速高良率自動(dòng)化焊球貼裝制程需求的成長(zhǎng)。

 

1999年意大利一家獨(dú)立的半導(dǎo)體記憶體裝配和測(cè)試機(jī)構(gòu)EEMS在自己的工廠著手開始組裝CSP，裝配的產(chǎn)品采用Tessera的μBGA封裝，組裝時(shí)對(duì)焊球貼裝制程各方面進(jìn)行了重點(diǎn)考察，包括焊盤形狀、基板載帶、焊球貼放、助焊劑發(fā)配以及晶片的運(yùn)送等。為了解決生產(chǎn)難題，EEMS委託美國(guó)Robotic Vision Systems公司的Vanguard事業(yè)部安裝了一條完整的焊球貼裝線，其中包括VAi 6300自動(dòng)焊球貼放系統(tǒng)、回流焊爐、回流焊后的清洗機(jī)和材料運(yùn)送設(shè)備(圖1)。
 

 

獨(dú)特的焊盤形狀

EEMS的μBGA焊盤形狀為焊球貼裝帶來(lái)了很多難題，它的焊盤在基板載帶表面下方凹入0.069mm(圖2)，這樣在用標(biāo)淮感光劑絲網(wǎng)進(jìn)行焊錫助焊劑印刷時(shí)，很難控制助焊劑的用量和避免助焊劑橋接。

 

凹入的焊盤再加上焊盤直徑特別小(0.33mm)，使得對(duì)焊球貼放的淮確度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)淮應(yīng)用。普通焊盤設(shè)計(jì)允許貼放位置出現(xiàn)偏差，因?yàn)檩p微偏離的焊球在焊錫回焊時(shí)能自行對(duì)中到焊盤上；而對(duì)于EEMS封裝來(lái)說(shuō)，位置偏移的焊球不會(huì)與焊盤或助焊劑接觸，它錯(cuò)過(guò)了焊盤所在的小“口袋”，因此無(wú)法利用焊球、助焊劑和焊盤之間的附著力特性，結(jié)果這個(gè)焊盤將漏掉焊球，最終產(chǎn)生不完全回流焊而少一個(gè)I/O連接。

 

載帶式基板

采用載帶設(shè)計(jì)的引腳框組件需對(duì)焊球貼裝制程有一些獨(dú)特的考慮。封裝排列在載帶基板上，載帶基板本身又固定在引腳框上，由于基板載帶具有柔韌性，因此最好是在載帶上安排一些孔以便于機(jī)械對(duì)位。但在EEMS應(yīng)用中這卻無(wú)法做到，所以將孔留在引腳框上是組裝定位的唯一可選方法。組裝過(guò)程中基板載帶可能會(huì)伸長(zhǎng)，使得引腳框和載帶基板之間誤差產(chǎn)生累積，從而增加了對(duì)助焊劑發(fā)配和焊球貼放制程精度的要求。由于焊球貼放系統(tǒng)依靠引腳框來(lái)進(jìn)行定位，所以這些制程必須保持很高的精度以克服因載帶彎曲而可能產(chǎn)生的焊盤位移。

 

除了前面提到的焊盤形狀問(wèn)題之外，由于在引腳框上固定基板載帶的黏著帶位于焊盤表面上方，所以傳統(tǒng)的助焊劑絲印方法也有困難，刮刀將與黏著帶而不是焊盤接觸，導(dǎo)致助焊劑用量不均勻。

 

裸晶片運(yùn)送

Tessera的μBGA封裝采用的是裸晶片，沒(méi)有用密封劑或模塑保護(hù)，如果不仔細(xì)運(yùn)送或固定元件很容易損壞。為了將這種損壞的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，材料的運(yùn)送在焊球貼裝線每個(gè)階段都很重要。

 

整合解決方案

對(duì)封裝制程最初的分析顯示，需要一個(gè)助焊劑發(fā)配和焊球貼放都有很高精度的高產(chǎn)量解決方案，為了得到可靠的高良率焊球貼裝，整個(gè)生產(chǎn)線必須考慮封裝對(duì)每一步制程的要求。通過(guò)客戶和供應(yīng)商工程力量的共同協(xié)作來(lái)滿足這些要求，研究重點(diǎn)主要是助焊劑發(fā)配、焊球貼放、定位夾具以及元件運(yùn)送等幾個(gè)方面。

 

◆助焊劑發(fā)配

由于黏著載帶和焊盤形狀的原因而無(wú)法使用感光劑絲印來(lái)涂覆助焊劑，因此這選用了一種剛性助焊劑漏板(RFS)技術(shù)，該技術(shù)可以使VAi 6300焊球貼放系統(tǒng)為焊球貼裝所需的細(xì)間距助焊劑發(fā)配提供一個(gè)更加精確均勻的方法。對(duì)于這的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，RFS主要解決封裝位置精確一致、避免助焊劑橋接、助焊劑一致性以及基板上有黏著載帶時(shí)的助焊劑處理能力等幾個(gè)方面。

 

RFS用鋁合金制造以延長(zhǎng)使用壽命，它有一個(gè)與封裝焊盤形狀一樣的I/O圖案，每個(gè)焊盤的孔徑和位置都非常精確。該制程可以使金屬漏印板滿足助焊劑在位置和數(shù)量控制方面的要求，助焊劑發(fā)配精度可達(dá)0.051mm，數(shù)量偏差為±5%。

 

另外在RFS下方還固定有定位銷釘用來(lái)對(duì)引腳框組件定位，這樣可以減少定位中的誤差累積，確保助焊劑發(fā)配時(shí)每個(gè)封裝的位置精確一致。Capton黏著載帶會(huì)阻礙絲印助焊劑，此時(shí)可在RFS下方做一些釋放裝置以適用于升高后的載帶。

 

為適應(yīng)EEMS封裝的特殊要求，RFS每個(gè)I/O孔周圍都加工有“環(huán)形”圈，以消除封裝中凹陷型焊盤可能存在的助焊劑橋接風(fēng)險(xiǎn)。另外RFS內(nèi)置的間隙高度可使助焊劑盡可能靠近焊盤表面進(jìn)行印刷，進(jìn)一步提高助焊劑數(shù)量和發(fā)配的精度。

 

◆焊球放置

與助焊劑發(fā)配需要很高精度一樣的道理，焊球貼放也需要同樣的精度。因此，RVSI也將其最新開發(fā)的技術(shù)配備在焊球貼放系統(tǒng)上，這是用在鉆孔焊球光罩(DBM)中。和RFS一樣，DBM也是由鋁合金制成并具有與封裝匹配的I/O圖形，為焊球的精確貼放提供保証。RFS和DBM都有固定在焊球面對(duì)引腳框進(jìn)行定位的定位銷，這樣更換工具時(shí)無(wú)需再作調(diào)整，減少轉(zhuǎn)換時(shí)間。DBM的剛性很大，所以用真空或空氣在吸住松開焊球時(shí)它不會(huì)彎曲，確保焊球貼放的精確度和重覆性達(dá)到最高。另外DBM具有平滑的表面，可以避免焊球黏附在光罩中間，提高良率和設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。總而言之，試驗(yàn)顯示了DBM的焊球貼放精度能達(dá)到42μm，可良好地控制在制程誤差范圍之內(nèi)。

 

◆定位夾具

由于載帶基板具有一定撓性，因此定位夾具淮確重覆地對(duì)每一個(gè)封裝進(jìn)行定位非常重要。為了實(shí)現(xiàn)淮確的助焊劑涂覆和焊球貼放，加工過(guò)程中載帶表面的共面度應(yīng)保持在0.051mm范圍內(nèi)?？墒褂门鋫鋵Ｓ谜婵湛?每個(gè)晶片對(duì)應(yīng)一個(gè))的硬不銹鋼插入板，這些獨(dú)立的真空孔確保在整個(gè)面上支撐引腳框組件，使助焊劑發(fā)配和焊球貼放作業(yè)都在一個(gè)平面上進(jìn)行?？墒湛s定位銷預(yù)先將封裝組件對(duì)淮，使引腳框位置一致且重覆性高，同時(shí)將表面共面度維持在0.051mm范圍內(nèi)，保証了VAi 6300助焊劑發(fā)配和焊球貼放作業(yè)所需的淮確度。

 

◆元件傳輸

為了防止封裝中極易損壞的晶片受到損傷，在整個(gè)焊球貼放系統(tǒng)和材料輸送設(shè)備中都使用邊緣傳送帶。這種傳送帶僅與引腳框組件的邊緣相接觸，不會(huì)碰到晶片，但是回流焊爐和清洗機(jī)卻都是用不銹鋼網(wǎng)傳送帶，可能會(huì)導(dǎo)致部件損壞。為了避免這種危險(xiǎn)，VAi 180使用一種傳輸線導(dǎo)引器將引腳框組件從焊球貼放設(shè)備移到回流焊爐的傳送網(wǎng)上。導(dǎo)引器在五種流程中選擇一個(gè)，將引腳框組件從VAi 6300送到選中的回流焊爐傳送帶上，并使傳送網(wǎng)的速度與組件移到回流焊爐的速度相同，完成無(wú)縫無(wú)碰撞傳輸，避免了傳送網(wǎng)與裸晶片之間產(chǎn)生有害碰撞的可能性。

 

本文結(jié)論

2000年5月，焊球貼裝線已被整合到生產(chǎn)線中并進(jìn)入全面生產(chǎn)階段，轉(zhuǎn)包商可用它對(duì)客戶提供當(dāng)今先進(jìn)CSP的最新組裝產(chǎn)品。EEMS使用的μBGA焊球貼放制程良率超過(guò)99.9%，雖然該制程對(duì)助焊劑發(fā)配、焊球貼放、定位夾具和材料輸送帶來(lái)了許多難題，但在客戶和供應(yīng)商之間的共同努力下已經(jīng)找到了解決的辦法，最終得到超出客戶期望同時(shí)也使制造能力增強(qiáng)的制程方法。