pcb新元件封裝基本思路（PCB先進封裝器件的快速貼裝）

2023-04-22 00:17:04

於面形陣列封裝越來越重要，尤其是在汽車、電訊和計算機應用等領域，因此生產率成為討論的焦點。管腳間距小於0.4mm、既是0.5mm，細間距QFP和TSOP封裝的主要問題是生產率低。然而，由於面形陣列封裝的腳距不是很小(例如，倒裝晶片小於200μm)，回流焊之後，dmp速率至少比傳統的細間距技術好10倍。進一步，與同樣間距的QFP和TSOP封裝相比，考慮回流焊時的自動對位，其貼裝精度要求要低的多。

另一個優點，特別是倒裝晶片，印刷電路板的佔用面積大大減少。面形陣列封裝還可以提供更好的電路性能。

因此，產業也在朝著面形陣列封裝的方向發展，最小間距為0.5mm的μBGA和晶片級封裝CSP(chip-scale package)在不斷地吸引人們注意，至少有20家跨國公司正在致力於這種系列封裝結構的研究。在今後幾年，預計裸晶片的消耗每年將增加20%，其中增長速度最快的將是倒裝晶片，緊隨其後的是應用在COB(板上直接貼裝)上的裸晶片。

預計倒裝晶片的消耗將由1996年的5億片增加到本世紀末的25億片，而TAB/TCP消耗量則停滯不前、甚至出現負增長，如預計的那樣，在1995年只有7億左右。

貼裝方法

貼裝的要求不同，貼裝的方法(principle)也不同。這些要求包括元件拾放能力、貼裝力度、貼裝精度、貼裝速度和焊劑的流動性等。考慮貼裝速度時，需要考慮的一個主要特性就是貼裝精度。

拾取和貼裝

貼裝設備的貼裝頭越少，則貼裝精度也越高。定位軸x、y和θ的精度影響整體的貼裝精度，貼裝頭裝在貼裝機x-y平面的支撐架上，貼裝頭中最重要的是旋轉軸，但也不要忽略z軸的移動精度。在高性能貼裝系統中，z軸的運動由一個微處理器控制，利用傳感器對垂直移動距離和貼裝力度進行控制。

貼裝的一個主要優點就是精密貼裝頭可以在x、y平面自由運動，包括從格柵結構(waffle)盤上取料，以及在固定的仰視攝像機上對器件進行多項測量。

最先進的貼裝系統在x、y軸上可以達到4 sigma、20μm的精度，主要的缺點是貼裝速度低，通常低於2000 cph，這還不包括其它輔助動作，如倒裝晶片塗焊劑等。

只有一個貼裝頭的簡單貼裝系統很快就要被淘汰，取而代之的是靈活的系統。這樣的系統，支撐架上配備有高精度貼裝頭及多吸嘴旋轉頭(revolver head)，可以貼裝大尺寸的BGA和QFP封裝。旋轉(或稱shooter)頭可處理形狀不規則的器件、細間距倒裝晶片，以及管腳間距小至0.5mm的μBGA/CSP晶片。這種貼裝方法稱做"收集、拾取和貼裝"。

配有倒裝晶片旋轉頭的高性能SMD貼裝設備在市場上已經出現。它可以高速貼裝倒裝晶片和球柵直徑為125μm、管腳間距大約為200μm的μBGA和CSP晶片。具有收集、拾取和貼裝功能設備的貼裝速度大約是5000cph。

傳統的晶片吸槍

這樣的系統帶有一個水平旋轉的轉動頭，同時從移動的送料器上拾取器件，並把它們貼裝到運動著的PCB上。

理論上，系統的貼裝速度可以達到40,000cph，但具有下列限制：

晶片拾取不能超出器件擺放的柵格盤；

彈簧驅動的真空吸嘴在z軸上運動中不允許進行工時優化，或不能可靠地從傳送帶上拾取裸片(die)；

對大多數面形陣列封裝，貼裝精度不能滿足要求，典型值高於4sigma時的10μm；

不能實現為微型倒裝晶片塗焊劑。

收集和貼裝

在"收集和貼裝"吸槍系統中，兩個旋轉頭都裝在x-y支撐架上。而後，旋轉頭配有6或12個吸嘴，可以接觸柵格盤上的任意位置。對於標準的SMD晶片，這個系統可在4sigma(包括theta偏差)下達到80μm的貼裝精度和20,000pch貼裝速度。通過改變系統的定位動態特性和球柵的尋找算法，對於面形陣列封裝，系統可在4sigma下達到60μm至80μm的貼裝精度和高於10,000pch的貼裝速度。

貼裝精度

為了對不同的貼裝設備有一個整體了解，你需要知道影響面形陣列封裝貼裝精度的主要因素。球柵貼裝精度P\/\/ACC\/\/依賴於球柵合金的類型、球柵的數目和封裝的重量等。

這三個因素是互相聯繫的，與同等間距QFP和SOP封裝的IC相比，大多數面形陣列封裝的貼裝精度要求較低。

註：插入方程

對沒有阻焊膜的園形焊盤，允許的最大貼裝偏差等於PCB焊盤的半徑，貼裝誤差超過PCB焊盤半徑時，球柵和PCB焊盤仍會有機械的接觸。假定通常的PCB焊盤直徑大致等於球柵的直徑，對球柵直徑為0.3mm、間距為0.5mm的μBGA和CSP封裝的貼裝精度要求為0.15mm；如果球柵直徑為100μm、間距為175μm，則精度要求為50μm。

在帶形球柵陣列封裝(TBGA)和重陶瓷球柵陣列封裝(CBGA)情況，自對準即使發生也很有限。因此，貼裝的精度要求就高。

焊劑的應用

倒裝晶片球柵的標準大規模回流焊採用的爐子需要焊劑。現在，功能較強的通用SMD貼裝設備都帶有內置的焊劑應用裝置，兩種常用的內置供給方法是塗覆和浸焊。

塗覆單元就安裝在貼裝頭的附近。倒裝晶片貼裝之前，在貼裝位置上塗上焊劑。在貼裝位置中心塗覆的劑量，依賴於倒裝晶片的尺寸和焊劑在特定材料上的浸潤特性而定。應該確保焊劑塗覆面積要足夠大，避免由於誤差而引起焊盤的漏塗。

為了在無清洗製程中進行有效的填充，焊劑必須是無清洗(無殘渣)材料。液體焊劑裡面總是很少包含固體物質，它最適合應用在無清洗製程。

然而，由於液體焊劑存在流動性，在倒裝晶片貼裝之後，貼裝系統傳送帶的移動會引起晶片的慣性位移，有兩個方法可以解決這個問題：

在PCB板傳送前，設定數秒的等待時間。在這個時間內，倒裝晶片周圍的焊劑迅速揮發而提高了黏附性，但這會使產量降低。

你可以調整傳送帶的加速度和減速度，使之與焊劑的黏附性相匹配。傳送帶的平穩運動不會引起晶片移位。

焊劑塗覆方法的主要缺點是它的周期相對較長，對每一個要塗覆的器件，貼裝時間增加大約1.5s。

浸焊方法

在這種情況，焊劑載體是一個旋轉的桶，並用刀片把它刮成一個焊劑薄膜(大約50μm)，此方法適用於高黏度的焊劑。通過只需在球柵的底部浸焊劑，在製程過程中可以減少焊劑的消耗。

此方法可以採用下列兩種製程順序：

在光學球柵對正和球柵浸焊劑之後進行貼裝。在這個順序裡，倒裝晶片球柵和焊劑載體的機械接觸會對貼裝精度產生負面的影響。

在球柵浸焊劑和光學球柵對正之後進行貼裝。這種情況下，焊劑材料會影響光學球柵對正的圖像。

浸焊劑方法不太適用於揮發能力高的焊劑，但它的速度比塗覆方法的要快得多。根據貼裝方法的不同，每個器件附加的時間大約是：純粹的拾取、貼裝為0.8s，收集、貼裝為0.3s.

當用標準的SMT貼裝球柵間距為0.5mm的μBGA或CSP時，還有一些事情應該注意：對應用混合技術(採用μBGA/CSP的標準SMD)的產品，顯然最關鍵的製程過程是焊劑塗覆印刷。邏輯上說，也可採用綜合傳統的倒裝晶片製程和焊劑應用的貼裝方法。

所有的面形陣列封裝都顯示出在性能、封裝密度和節約成本上的潛力。為了發揮在電子生產整體領域的效能，需要進一步的研究開發，改進位程、材料和設備等。就SMD貼裝設備來講，大量的工作集中在視覺技術、更高的產量和精度。