晶片級封裝(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可靠性問題，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)，對制造來說卻是一種挑戰(zhàn)。CSP技術(shù)的出現(xiàn)為后端制程帶來了新的難題，同時(shí)由于終端產(chǎn)品市場固有的成本驅(qū)動特性，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)了高速高良率自動化焊球貼裝制程需求的成長。

 

1999年意大利一家獨(dú)立的半導(dǎo)體記憶體裝配和測試機(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)能自行對中到焊盤上；而對于EEMS封裝來說，位置偏移的焊球不會與焊盤或助焊劑接觸，它錯(cuò)過了焊盤所在的小“口袋”，因此無法利用焊球、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)械對位。但在EEMS應(yīng)用中這卻無法做到，所以將孔留在引腳框上是組裝定位的唯一可選方法。組裝過程中基板載帶可能會伸長，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)線必須考慮封裝對每一步制程的要求。通過客戶和供應(yīng)商工程力量的共同協(xié)作來滿足這些要求，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法使用感光劑絲印來涂覆助焊劑，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。對于這的應(yīng)用來說，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對引腳框組件定位，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引腳框進(jìn)行定位的定位銷，這樣更換工具時(shí)無需再作調(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?？偠灾?，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。可收縮定位銷預(yù)先將封裝組件對淮，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，完成無縫無碰撞傳輸，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99.9%，雖然該制程對助焊劑發(fā)配、焊球貼放、定位夾具和材料輸送帶來了許多難題，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。