先进封装器件的快速贴装

由於面形阵列封装越来越重要，尤其是在汽车、电讯和计算机应用等领域，因此生产率成为讨论的焦点。管脚间距小於0.4mm、既是0.5mm，细间距QFP和TSOP封装的主要问题是生产率低。然而，由於面形阵列封装的脚距不是很小(例如，倒装晶片小於200μm)，回流焊之后，dmp速率至少比传统的细间距技术好10倍。进一步，与同样间距的QFP和TSOP封装相比，考虑回流焊时的自动对位，其贴装精度要求要低的多。
另一个优点，特别是倒装晶片，印刷电路板的占用面积大大减少。面形阵列封装还可以提供更好的电路性能。
因此，产业也在朝着面形阵列封装的方向发展，最小间距为0.5mm的μBGA和晶片级封装CSP(chip-scale package)在不断地吸引人们注意，至少有20家跨国公司正在致力於这种系列封装结构的研究。在今后几年，预计裸晶片的消耗每年将增加20%，其中增长速度最快的将是倒装晶片，紧随其后的是应用在COB(板上直接贴装)上的裸晶片。
预计倒装晶片的消耗将由1996年的5亿片增加到本世纪末的25亿片，而TAB/TCP消耗量则停滞不前、甚至出现负增长，如预计的那样，在1995年只有7亿左右。
贴装方法
贴装的要求不同，贴装的方法(principle)也不同。这些要求包括元件拾放能力、贴装力度、贴装精度、贴装速度和焊剂的流动性等。考虑贴装速度时，需要考虑的一个主要特性就是贴装精度。
拾取和贴装
贴装设备的贴装头越少，则贴装精度也越高。定位轴x、y和θ的精度影响整体的贴装精度，贴装头装在贴装机x-y平面的支撑架上，贴装头中最重要的是旋转轴，但也不要忽略z轴的移动精度。在高性能贴装系统中，z轴的运动由一个微处理器控制，利用传感器对垂直移动距离和贴装力度进行控制。
贴装的一个主要优点就是精密贴装头可以在x、y平面自由运动，包括从格栅结构(waffle)盘上取料，以及在固定的仰视摄像机上对器件进行多项测量。
最先进的贴装系统在x、y轴上可以达到4 sigma、20μm的精度，主要的缺点是贴装速度低，通常低於2000 cph，这还不包括其它辅助动作，如倒装晶片涂焊剂等。
只有一个贴装头的简单贴装系统很快就要被淘汰，取而代之的是灵活的系统。这样的系统，支撑架上配备有高精度贴装头及多吸嘴旋转头(revolver head)(图1)，可以贴装大尺寸的BGA和QFP封装。旋转(或称shooter)头可处理形状不规则的器件、细间距倒装晶片，以及管脚间距小至0.5mm的μBGA/CSP晶片。这种贴装方法称做"收集、拾取和贴装"。
图1：对细间距倒装晶片和其它器件，收集、拾取和贴装设备采用一个旋转头
配有倒装晶片旋转头的高性能SMD贴装设备在市场上已经出现。它可以高速贴装倒装晶片和球栅直径为125μm、管脚间距大约为200μm的μBGA和CSP晶片。具有收集、拾取和贴装功能设备的贴装速度大约是5000cph。
传统的晶片吸枪
这样的系统带有一个水平旋转的转动头，同时从移动的送料器上拾取器件，并把它们贴装到运动着的PCB上(图2)。
图2：传统的晶片射枪速度较快，由於PCB板的运动而使精度降低
理论上，系统的贴装速度可以达到40,000cph，但具有下列限制：
晶片拾取不能超出器件摆放的栅格盘；
弹簧驱动的真空吸嘴在z轴上运动中不允许进行工时优化，或不能可靠地从传送带上拾取裸片(die)；
对大多数面形阵列封装，贴装精度不能满足要求，典型值高於4sigma时的10μm；
不能实现为微型倒装晶片涂焊剂。
收集和贴装
图3：在拾取和贴装系统，射枪头可以与栅格盘更换装置一同工作
在"收集和贴装"吸枪系统中(图3)，两个旋转头都装在x-y支撑架上。而后，旋转头配有6或12个吸嘴，可以接触栅格盘上的任意位置。对於标准的SMD晶片，这个系统可在4sigma(包括theta偏差)下达到80μm的贴装精度和20,000pch贴装速度。通过改变系统的定位动态特性和球栅的寻找算法，对於面形阵列封装，系统可在4sigma下达到60μm至80μm的贴装精度和高於10,000pch的贴装速度。
贴装精度
为了对不同的贴装设备有一个整体了解，你需要知道影响面形阵列封装贴装精度的主要因素。球栅贴装精度P\/\/ACC\/\/依赖於球栅合金的类型、球栅的数目和封装的重量等。
这三个因素是互相联系的，与同等间距QFP和SOP封装的IC相比，大多数面形阵列封装的贴装精度要求较低。
注：插入方程
对没有阻焊膜的园形焊盘，允许的最大贴装偏差等於PCB焊盘的半径，贴装误差超过PCB焊盘半径时，球栅和PCB焊盘仍会有机械的接触。假定通常的PCB焊盘直径大致等於球栅的直径，对球栅直径为0.3mm、间距为0.5mm的μBGA和CSP封装的贴装精度要求为0.15mm；如果球栅直径为100μm、间距为175μm，则精度要求为50μm。
在带形球栅阵列封装(TBGA)和重陶瓷球栅阵列封装(CBGA)情况，自对准即使发生也很有限。因此，贴装的精度要求就高。
焊剂的应用
倒装晶片球栅的标准大规模回流焊采用的炉子需要焊剂。现在，功能较强的通用SMD贴装设备都带有内置的焊剂应用装置，两种常用的内置供给方法是涂覆(图4)和浸焊。
图4：焊剂涂覆方法已证明性能可靠，但只适用於低黏度的焊剂焊剂涂覆液体焊剂基板倒装晶片倒装晶片贴装
涂覆单元就安装在贴装头的附近。倒装晶片贴装之前，在贴装位置上涂上焊剂。在贴装位置中心涂覆的剂量，依赖於倒装晶片的尺寸和焊剂在特定材料上的浸润特性而定。应该确保焊剂涂覆面积要足够大，避免由於误差而引起焊盘的漏涂。
为了在无清洗制程中进行有效的填充，焊剂必须是无清洗(无残渣)材料。液体焊剂里面总是很少包含固体物质，它最适合应用在无清洗制程。
然而，由於液体焊剂存在流动性，在倒装晶片贴装之后，贴装系统传送带的移动会引起晶片的惯性位移，有两个方法可以解决这个问题：
在PCB板传送前，设定数秒的等待时间。在这个时间内，倒装晶片周围的焊剂迅速挥发而提高了黏附性，但这会使产量降低。
你可以调整传送带的加速度和减速度，使之与焊剂的黏附性相匹配。传送带的平稳运动不会引起晶片移位。
焊剂涂覆方法的主要缺点是它的周期相对较长，对每一个要涂覆的器件，贴装时间增加大约1.5s。
浸焊方法
在这种情况，焊剂载体是一个旋转的桶，并用刀片把它刮成一个焊剂薄膜(大约50μm)，此方法适用於高黏度的焊剂。通过只需在球栅的底部浸焊剂，在制程过程中可以减少焊剂的消耗。
此方法可以采用下列两种制程顺序：
? 在光学球栅对正和球栅浸焊剂之后进行贴装。在这个顺序里，倒装晶片球栅和焊剂载体的机械接触会对贴装精度产生负面的影响。
? 在球栅浸焊剂和光学球栅对正之后进行贴装。这种情况下，焊剂材料会影响光学球栅对正的图像。浸焊剂方法不太适用於挥发能力高的焊剂，但它的速度比涂覆方法的要快得多。根据贴装方法的不同，每个器件附加的时间大约是：纯粹的拾取、贴装为0.8s，收集、贴装为0.3s.
当用标准的SMT贴装球栅间距为0.5mm的μBGA或CSP时，还有一些事情应该注意：对应用混合技术(采用μBGA/CSP的标准SMD)的产品，显然最关键的制程过程是焊剂涂覆印刷。逻辑上说，也可采用综合传统的倒装晶片制程和焊剂应用的贴装方法。
所有的面形阵列封装都显示出在性能、封装密度和节约成本上的潜力。为了发挥在电子生产整体领域的效能，需要进一步的研究开发，改进制程、材料和设备等。就SMD贴装设备来讲，大量的工作集中在视觉技术、更高的产量和精度。

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