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測試與測量  

晶片級封裝元件的焊球貼裝

上網時間: 2001年08月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:CSP  solder ball  pick & place  晶片級封裝  焊球 

晶片級封裝(CSP)已成為面陣列封裝設計的主要方式,利用其小巧的面積和格柵陣列技術能夠做出更小、更快、更便宜的零組件,用於記憶體、電信及多媒體等多種應用中。但CSP技術的出現卻給後端製程帶來了新的難題,製造商們必須要仔細考慮製程流程的參數,才能使做出的產品在良率和可靠性等方面滿足應用的要求。

Mark Colzani


RVSI公司Vanguard事業部


Email: info@vai.net

Pasquale Amideo


技術開發經理


EEMS

目前市面上的CSP元件類型數以百計,其中Tessera公司設計的μBGA已逐漸成為市場主流之一,已有多家整合電路製造商和組裝廠商獲得該項設計的使用授權。μBGA封裝結構設計靈活,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、薄型封裝設計非常適用於可攜式產品和其它空間狹小的應用中。

然而使要成功運用這類設計,對製造來說卻是一種挑戰。CSP技術的出現為後端製程帶來了新的難題,同時由於終端產品市場固有的成本驅動特性,它還增加了製造商在產量和產能上的壓力,這些難題與壓力促進了高速高良率自動化焊球貼裝製程需求的成長。

1999年義大利一家獨立的半導體記憶體裝配和測試機構EEMS在自己的工廠著手開始組裝CSP,裝配的產品採用Tessera的μBGA封裝,組裝時對焊球貼裝製程各方面進行了重點考察,包括焊盤形狀、基板載帶、焊球貼放、助焊劑發配以及晶片的運送等。為了解決生產難題,EEMS委託美國Robotic Vision Systems公司的Vanguard事業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、回流焊爐、回流焊後的清洗機和材料運送設備(圖1)。

獨特的焊盤形狀

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),這樣在用標準感光劑絲網進行焊錫助焊劑印刷時,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),使得對焊球貼放的準確度要求遠遠高於標準應用。普通焊盤設計允許貼放位置出現偏差,因為輕微偏離的焊球在焊錫回焊時能自行對中到焊盤上;而對於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,結果這個焊盤將漏掉焊球,最終產生不完全回流焊而少一個I/O連接。

載帶式基板

採用載帶設計的引腳框組件需對焊球貼裝製程有一些獨特的考慮。封裝排列在載帶基板上,載帶基板本身又固定在引腳框上,由於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於機械對位。但在EEMS應用中這卻無法做到,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生累積,從而增加了對助焊劑發配和焊球貼放製程精度的要求。由於焊球貼放系統依靠引腳框來進行定位,所以這些製程必須保持很高的精度以克服因載帶彎曲而可能產生的焊盤位移。

除了前面提到的焊盤形狀問題之外,由於在引腳框上固定基板載帶的黏著帶位於焊盤表面上方,所以傳統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,導致助焊劑用量不均勻。

裸晶片運送

Tessera的μBGA封裝採用的是裸晶片,沒有用密封劑或模塑保護,如果不仔細運送或固定元件很容易損壞。為了將這種損壞的風險降到最低,材料的運送在焊球貼裝線每個階段都很重要。

整合解決方案

對封裝製程最初的分析顯示,需要一個助焊劑發配和焊球貼放都有很高精度的高產量解決方案,為了得到可靠的高良率焊球貼裝,整個生產線必須考慮封裝對每一步製程的要求。通過客戶和供應商工程力量的共同協作來滿足這些要求,研究重點主要是助焊劑發配、焊球貼放、定位夾具以及元件運送等幾個方面。

◆助焊劑發配

由於黏著載帶和焊盤形狀的原因而無法使用感光劑絲印來塗覆助焊劑,因此這?選用了一種剛性助焊劑漏板(RFS)技術,該技術可以使VAi 6300焊球貼放系統為焊球貼裝所需的細間距助焊劑發配提供一個更加精確均勻的方法。對於這?的應用來說,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的助焊劑處理能力等幾個方面。

RFS用鋁合金製造以延長使用壽命,它有一個與封裝焊盤形狀一樣的I/O圖案,每個焊盤的孔徑和位置都非常精確。該製程可以使金屬漏印板滿足助焊劑在位置和數量控制方面的要求,助焊劑發配精度可達0.051mm,數量偏差為±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,確保助焊劑發配時每個封裝的位置精確一致。Capton黏著載帶會阻礙絲印助焊劑,此時可在RFS下方做一些釋放裝置以適用於升高後的載帶。

為適應EEMS封裝的特殊要求,RFS每個I/O孔周圍都加工有“環形”圈,以消除封裝中凹陷型焊盤可能存在的助焊劑橋接風險。另外RFS內置的間隙高度可使助焊劑盡可能靠近焊盤表面進行印刷,進一步提高助焊劑數量和發配的精度。

◆焊球放置

與助焊劑發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也將其最新開發的技術配備在焊球貼放系統上,這?是用在鑽孔焊球光罩(DBM)中。和RFS一樣,DBM也是由鋁合金制成並具有與封裝匹配的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行定位的定位銷,這樣更換工具時無需再作調整,減少轉換時間。DBM的剛性很大,所以用真空或空氣在吸住鬆開焊球時它不會彎曲,確保焊球貼放的精確度和重覆性達到最高。另外DBM具有平滑的表面,可以避免焊球黏附在光罩中間,提高良率和設備運行時間。總而言之,試驗顯示了DBM的焊球貼放精度能達到42μm,可良好地控制在製程誤差範圍之內。

◆定位夾具

由於載帶基板具有一定撓性,因此定位夾具準確重覆地對每一個封裝進行定位非常重要。為了實現準確的助焊劑塗覆和焊球貼放,加工過程中載帶表面的共面度應保持在0.051mm範圍內。可使用配備專用真空孔(每個晶片對應一個)的硬不鏽鋼插入板,這些獨立的真空孔確保在整個面上支撐引腳框組件,使助焊劑發配和焊球貼放作業都在一個平面上進行。可收縮定位銷預先將封裝組件對準,使引腳框位置一致且重覆性高,同時將表面共面度維持在0.051mm範圍內,保証了VAi 6300助焊劑發配和焊球貼放作業所需的準確度。

◆元件傳輸

為了防止封裝中極易損壞的晶片受到損傷,在整個焊球貼放系統和材料輸送設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卻都是用不鏽鋼網傳送帶,可能會導致部件損壞。為了避免這種危險,VAi 180使用一種傳輸線導引器將引腳框組件從焊球貼放設備移到回流焊爐的傳送網上。導引器在五種流程中選擇一個,將引腳框組件從VAi 6300送到選中的回流焊爐傳送帶上,並使傳送網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,避免了傳送網與裸晶片之間產生有害碰撞的可能性。

本文結論

2000年5月,焊球貼裝線已被整合到生產線中並進入全面生產階段,轉包商可用它對客戶提供當今先進CSP的最新組裝產品。EEMS使用的μBGA焊球貼放製程良率超過99.9%,雖然該製程對助焊劑發配、焊球貼放、定位夾具和材料輸送帶來了許多難題,但在客戶和供應商之間的共同努力下已經找到了解決的辦法,最終得到超出客戶期望同時也使製造能力增強的製程方法。




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