小型微組裝生產(chǎn)線建設(shè)方案

徐璞

(重慶會(huì)凌電子新技術(shù)有限公司，重慶 401336)

微組裝技術(shù)是綜合運(yùn)用高密度多層基板技術(shù)、多芯片組裝技術(shù)、三維立體組裝技術(shù)和系統(tǒng)級(jí)組裝技術(shù)，將集成電路裸芯片、薄/厚膜混合電路、微小型表面貼裝元器件等進(jìn)行高密度互連，構(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)的高密度、多功能模塊化電子產(chǎn)品的一種先進(jìn)電氣互連技術(shù)[1]。隨著人們對(duì)產(chǎn)品便攜式的要求越來(lái)越高，電子產(chǎn)品也隨著越來(lái)越小型化，因此微組裝技術(shù)在電子生產(chǎn)制造領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛地使用，比如蘋(píng)果手機(jī)iphone X的PCB板上就采用了微組裝技術(shù)。

微組裝技術(shù)目前主要可分成兩大類(lèi)，LTCC基板制造技術(shù)和高密度組裝與封裝工藝技術(shù)。很多中小型企業(yè)都想在自己的產(chǎn)品上使用微組裝技術(shù)，但微組裝技術(shù)因工藝復(fù)雜，所需用的設(shè)備較多，前期投入太大，所以大部分企業(yè)最終未能成功應(yīng)用微組裝技術(shù)。本文根據(jù)微組裝技術(shù)中較好實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，給出了一種高密度組裝與封裝工藝技術(shù)方面的小型微組裝生產(chǎn)線的建設(shè)方案。

1 微組裝工藝

在高密度組裝與封裝工藝技術(shù)方面，標(biāo)準(zhǔn)的微組裝工藝工序步驟如下：

硅片/管芯探針測(cè)試→硅片貼膜→砂輪劃片→管芯裂片→管芯傳送→等離子清洗→管芯粘貼→固化處理→管芯剪切力測(cè)試→引線焊接→倒扣焊→焊絲拉力測(cè)試和其它測(cè)試→返修→氣密性封焊→高溫?zé)Y(jié)→被封焊管殼返修→最后測(cè)試→打標(biāo)記。

上述工序中有部分工序，如：硅片/管芯探針測(cè)試、硅片貼膜、砂輪劃片、管芯裂片是偏半導(dǎo)體生產(chǎn)方面的工藝，對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境要求較高，不便于實(shí)現(xiàn)。相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的方式是購(gòu)買(mǎi)芯片廠的裸芯片，結(jié)合自身產(chǎn)品的特點(diǎn)設(shè)計(jì)于之匹配的PCB板進(jìn)行鍵合、封裝和焊接。通過(guò)直接使用裸芯片使得系統(tǒng)的尺寸及質(zhì)量顯著減小，大大節(jié)省了由于芯片封裝而引入的體積，實(shí)現(xiàn)了更高的集成度。這是直接使用裸芯片封裝與其他封裝形式相比，在物理上獲得的最大優(yōu)勢(shì)[2]。

在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可分三步操作：第一步是阻容感元器件的回流焊接，第二步是裸芯片的定位固化和焊接。第三步是對(duì)裸芯片區(qū)域進(jìn)行封蓋保護(hù)。具體工藝流程如圖1所示。

裸芯片的操作放在第二步有兩個(gè)原因，一是如果先焊好裸芯片再進(jìn)行回流焊，裸芯片的電極焊點(diǎn)在經(jīng)受二次熱沖擊時(shí)可能會(huì)部分融化；二是相當(dāng)多的裸芯片在電氣連接方面通常使用空氣橋高速互連技術(shù)[3]，即裸芯片頂部表面有一拱橋形狀極薄易碎的金屬片，如果先將裸芯片焊接到PCB板上，因封蓋工序一般是放在最后，所以在后續(xù)生產(chǎn)工序中，會(huì)大大增加因金屬片被碰觸而造成芯片失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 工藝流程圖

按以上所述工藝流程，需要注意以下問(wèn)題：

（1）小尺寸貼片電阻、電容、電感的貼裝。要想將產(chǎn)品做得小型化微型化，電阻、電容、電感等元器件也必須使用小封裝，比如0402甚至0201封裝。這種小尺寸的元器件，不方便用鑷子進(jìn)行夾取，所以該工步建議使用全自動(dòng)貼片機(jī)進(jìn)行貼裝。

（2）將裸芯片貼到PCB板上并進(jìn)行固定。要想把產(chǎn)品做得小型化微型化，使用的裸芯片外形尺寸不能大，目前市面上主流的裸芯片外形尺寸一般是1 mm×1 mm～2 mm×2 mm這個(gè)范圍。這個(gè)尺寸非常小，貼裝時(shí)用鑷子夾取十分不易；而且由于裸芯片頂部表面有空氣橋，鑷子夾取稍有不慎則可能碰碎空氣橋金屬片，所以該工步建議使用點(diǎn)膠貼片機(jī)完成。

裸芯片在PCB板上固定的常用方法是將芯片底部進(jìn)行焊料焊接或者導(dǎo)電膠粘接。其中焊料焊接需采用加熱的方式，在此過(guò)程中容易造成裸芯片受過(guò)熱沖擊而失效。而由于導(dǎo)電膠在芯片粘接中相比于Au/Sn焊料工藝操作更為簡(jiǎn)單，控制更為方便[4]，可操作性強(qiáng)，成為目前的主流工藝，故建議采用導(dǎo)電膠粘膠工藝。該工藝存在一個(gè)需解決的問(wèn)題，即要嚴(yán)格控制好在PCB板上施放的導(dǎo)電膠的量，如過(guò)多或過(guò)少都會(huì)影響裸芯片固定的可靠性。所以該工步建議使用點(diǎn)膠貼片機(jī)完成。（3）烘烤固化導(dǎo)電膠。導(dǎo)電膠的固化溫度一般為150℃，該工序可由普通的高溫箱完成。

（4）金絲鍵合。金絲鍵合目前可分為球焊和楔焊（即壓焊）。球焊主要應(yīng)用于光電領(lǐng)域，楔焊主要應(yīng)用于微波領(lǐng)域。金絲鍵合的主要實(shí)現(xiàn)原理為熱壓焊接或者超聲波焊接。可按產(chǎn)品的實(shí)際情況，配置一臺(tái)半自動(dòng)化金絲鍵合機(jī)。

（5）封蓋。對(duì)焊接好的裸芯片必須加以保護(hù)，行業(yè)內(nèi)通常的做法是封管或者用金屬罩子進(jìn)行保護(hù)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，便于操作的做法是使用5 mm×5 mm的金屬屏蔽罩，在PCB板上設(shè)計(jì)好焊接該金屬屏蔽罩用的預(yù)留焊盤(pán)，用手工焊接方式實(shí)現(xiàn)封蓋。

2 微組裝線關(guān)鍵設(shè)備

結(jié)合上述工藝分析，整個(gè)小型微組裝生產(chǎn)線需要配置的關(guān)鍵設(shè)備如表1所示。

表1 小型微組裝生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備清單

2.1 全自動(dòng)貼片機(jī)

目前市面上各種品牌中，中端品牌有韓華、JUKI、雅馬哈，高端品牌有松下、西門(mén)子、富士、環(huán)球等。

從生產(chǎn)實(shí)際使用的角度，選擇全自動(dòng)貼片機(jī)需要關(guān)注的核心指標(biāo)有：貼裝元器件尺寸、重復(fù)貼裝精度、貼裝速度等。貼裝元器件尺寸方面建議選擇能貼裝01005的機(jī)型，便于滿足后續(xù)產(chǎn)品進(jìn)一步微型化時(shí)的需要。按貼裝速度分，貼片機(jī)可分為中速機(jī)和高速機(jī)，企業(yè)可以根據(jù)自身產(chǎn)能的需要來(lái)規(guī)劃購(gòu)買(mǎi)哪一種機(jī)型。

2.2 回流焊爐

考慮到環(huán)保要求，建議企業(yè)配置能生產(chǎn)無(wú)鉛工藝的回流焊爐。選擇無(wú)鉛回流焊爐需注意，通常需要8個(gè)溫區(qū)（加溫區(qū)4個(gè)、回流區(qū)2個(gè)、冷卻區(qū)2個(gè)）[5]，最好是購(gòu)買(mǎi)10溫區(qū)或12溫區(qū)的回流焊爐，溫區(qū)越多越便于設(shè)置回流焊接的溫度曲線。同時(shí)建議回流焊爐配置有氮?dú)庀到y(tǒng)，在焊接過(guò)程中充氮?dú)獗Ｗo(hù)，可提高焊接品質(zhì)，保證焊點(diǎn)的可靠性。

品牌方面，國(guó)產(chǎn)有科隆威、勁拓、日東，進(jìn)口有VITRONICS，BTU，Heller等。

2.3 金絲鍵合機(jī)

金絲鍵合質(zhì)量的影響因素有劈刀、鍵合參數(shù)、鍵合層鍍金質(zhì)量、金絲等[6]。

目前，國(guó)內(nèi)市面上的金絲鍵合機(jī)的主要生產(chǎn)廠商，國(guó)產(chǎn)的有中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，進(jìn)口的有美國(guó)的WESTBOND和K&S兩家公司。圖2為金絲鍵合機(jī)設(shè)備圖片。

圖2 金絲鍵合機(jī)

2.4 點(diǎn)膠貼片機(jī)

從點(diǎn)膠功能來(lái)看，有些點(diǎn)膠機(jī)能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的點(diǎn)膠功能，但不能實(shí)現(xiàn)貼片功能，在點(diǎn)膠方面特別需要注意控制一次出膠量的精度。

從貼片功能來(lái)看，可選用手動(dòng)/半自動(dòng)設(shè)備即可，不需要選用全自動(dòng)設(shè)備。目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品有美國(guó)的WESTBOND和日本的JANOME。

圖3為點(diǎn)膠貼片機(jī)設(shè)備圖片。

圖3 點(diǎn)膠貼片機(jī)

3 生產(chǎn)環(huán)境

微組裝工藝對(duì)生產(chǎn)環(huán)境有較高要求，需要在10000級(jí)的潔凈車(chē)間里進(jìn)行操作，同時(shí)要求車(chē)間內(nèi)部要保持恒溫恒濕，溫濕度可以參照SMT車(chē)間，即溫度為22～28℃，濕度為50%～70%RH。考慮到潔凈車(chē)間的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，故車(chē)間面積不宜過(guò)大，150～200 m2即可滿足一般情況下的生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高密度組裝與封裝工藝技術(shù)方面的微組裝工藝流程做了一個(gè)大體上的說(shuō)明。結(jié)合相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，從工藝方法開(kāi)始分析，在設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境方面給出了一種小型微組裝生產(chǎn)線的建設(shè)方案。