產(chǎn)品點膠工藝優(yōu)化及質(zhì)量控制

王寅玨 王 偉

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 太倉 215411；2.上海傲睿科技有限公司，上海 201800）

0 前言

點膠工藝是集成電路產(chǎn)品封裝生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，點膠的質(zhì)量會影響整個封裝產(chǎn)品的質(zhì)量，進而會影響產(chǎn)品的可靠性。所以加強點膠的質(zhì)量管控是改進封裝產(chǎn)品可靠性的前提。根據(jù)點膠方式的不同，點膠技術(shù)主要分為接觸式點膠和非接觸式點膠。接觸式點膠是點膠針頭和產(chǎn)品基板接觸，使膠水和產(chǎn)品接觸浸潤，然后點膠針頭回復(fù)原始位置，膠水通過自身黏性和點膠針頭分開，進而在產(chǎn)品上形成膠水點；非接觸式點膠是膠水受到一定的高壓，進而獲得足夠的動能后以一定速度噴射到產(chǎn)品上。隨著封裝產(chǎn)業(yè)的升級，接觸式點膠已逐漸被非接觸式點膠所替代。文獻[1]和文獻[2]研究了噴射點膠性能，從噴射點膠的理論、點膠性能影響因子和撞針的擊打方式，對點膠性能的優(yōu)化和點膠閥的設(shè)計有很好的指導(dǎo)意義。文獻[3]研究噴射速度對點膠的影響，認為速度過小會導(dǎo)致噴不出膠，速度過大會導(dǎo)致衛(wèi)星液滴。

點膠平臺承載所有的生產(chǎn)產(chǎn)品，修改點膠平臺設(shè)計成本低，效果明顯，通過對相應(yīng)產(chǎn)品所需的點膠平臺進行優(yōu)化，可以快速有效改善產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。另外，點膠閥是點膠系統(tǒng)的核心部件，直接影響點膠的質(zhì)量，新工藝的引入能夠從根本上改進生產(chǎn)工藝，顯著提升點膠質(zhì)量。工序能力指數(shù)（CPK）能夠反映產(chǎn)品良率的好壞，通過收集大量點膠數(shù)據(jù)分析CPK的結(jié)果直接反映產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。該文通過優(yōu)化改進點膠平臺和點膠閥，明顯改善了膠水點的均勻性和一致性，生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量得到大幅提高。

1 點膠平臺改進及產(chǎn)品質(zhì)量控制

產(chǎn)品使用接觸式點膠閥點膠保護，此點膠閥具有結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、工作可靠等特點。產(chǎn)品需要貼上芯片點膠保護后蓋上密封蓋，見圖1產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)示意圖。為了節(jié)約成本，提高產(chǎn)品性能，要求密封蓋的高度盡可能低。封裝設(shè)計要求點膠保護芯片后，膠水高度必須精確控制在規(guī)范以內(nèi)。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，各種因素都會導(dǎo)致膠水高度控制不嚴，若膠水高度超出控制線會導(dǎo)致密封蓋貼合有空隙，進而直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和良率。如何通過優(yōu)化設(shè)備相關(guān)結(jié)構(gòu)來改善產(chǎn)品良率是要解決的一個重要問題。

圖1 產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 測量產(chǎn)品翹曲

通過分析產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，該文發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的印刷電路板（PCB基板）有很嚴重的翹曲現(xiàn)象。點膠設(shè)備為接觸式點膠方案，點膠頭在點膠時必須接近芯片表面，這樣點出的膠水才能迅速到達芯片上。這種方案會導(dǎo)致設(shè)備點膠時點膠頭和產(chǎn)品中芯片的距離不同而影響點膠高度。將有芯片的PCB基板放在設(shè)備工作平臺上，設(shè)定好上、下、左、右、中5個點位，進行激光測高。通過批量數(shù)據(jù)收集，發(fā)現(xiàn)PCB基板有不同程度的翹曲，測量值最大為4mm。為了改善PCB基板翹曲，需要在基板外框設(shè)計加工壓抓，可以有效壓住四周翹曲，但PCB基座中間無法用夾具壓住，導(dǎo)致中間仍存在翹曲，測量值為1mm。

1.2 改進點膠平臺

為了解決控制產(chǎn)品基座翹曲問題，應(yīng)優(yōu)化工作區(qū)域底板設(shè)計，平均分配真空氣孔在底板上吸住PCB基板。當(dāng)PCB基板放置在工作區(qū)后，先通過壓爪固定四周，將PCB基板四周壓平整，然后打開設(shè)備真空系統(tǒng)，PCB基板通過平臺治具真空孔可以被有效吸附平整。測量高度差，PCB基板的翹曲度可以控制在0.5mm以下。

1.3 試驗結(jié)果對比

驗證試驗使用真空來吸附基板，可以保證基板不翹曲，進而對比非真空條件下對點膠高度的影響。將2個PCB板的產(chǎn)品分別通過夾具固定，圖2中左側(cè)基板不用真空吸附，右側(cè)基板使用真空吸附，其他所有參數(shù)一致，收集產(chǎn)品保護膠的高度數(shù)據(jù)進行對比。

圖2 無真空孔平臺和有真空孔平臺對比圖

點膠測試結(jié)果見圖3，結(jié)果顯示使用真空的基板中芯片上膠水高度的變異明顯改善。在同樣膠水量的參數(shù)下，有真空吸附方案的產(chǎn)品比無真空吸附方案的產(chǎn)品基板的平整度有明顯改善，有助于點膠閥在產(chǎn)品上點膠時維持穩(wěn)定的間距，膠水滴落在芯片表面更加平穩(wěn)，膠水高度一致性更好，有效改善了產(chǎn)品生產(chǎn)時對膠水高度的控制能力。

圖3 保護膠高度對比圖

2 點膠閥改進及產(chǎn)品質(zhì)量控制

點膠設(shè)備分為接觸式點膠閥和非接觸式點膠閥，圖4為兩種不同類型點膠閥的對比示意圖。接觸式點膠閥部件相對復(fù)雜，點膠高度低，膠水噴射動能低，膠水高度控制不穩(wěn)定。在點膠過程中，膠體中容易產(chǎn)生氣泡，影響點膠連貫性，導(dǎo)致膠水容易掉到芯片其他區(qū)域或沒有膠水噴出，產(chǎn)生不良品。另外，此點膠閥點膠高度低，每個芯片須抬高后再降落進行點膠，導(dǎo)致點膠效率較低。噴射點膠是典型的非接觸式點膠方式，通過在噴嘴的上方產(chǎn)生壓力讓噴嘴內(nèi)的膠水得到一定的動能后，以一定速度噴射到產(chǎn)品上。和接觸式點膠相比，噴射方案的點膠頭不需要做上下移動。因此，噴射點膠可以較好地改善膠水的噴射速度和點膠頻率。

圖4 接觸式點膠閥和非接觸式點膠閥的對比示意圖

2.1 非接觸點膠閥關(guān)鍵參數(shù)選擇

針對接觸式點膠閥的問題，選擇一款非接觸式點膠閥進行研發(fā)評估。首先進行計算模擬，根據(jù)動量守恒定律=（動量，質(zhì)量，速度）計算撞針尺寸，確認撞針中隔膜位置的設(shè)計，通過控制撞針隔膜位置的偏差，可以有效控制每次噴射輸出膠量的穩(wěn)定性。然后制定影響因子試驗，確定優(yōu)化點膠閥各項參數(shù)，進一步控制點膠量。試驗對關(guān)鍵參數(shù)進行點樣測量，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，用于改善產(chǎn)品保護膠高度控制。對試驗中主要影響因子進行9組測試，見表1。試驗中，開閥時間設(shè)定3ms、4ms、5ms，氣壓設(shè)定大小為137.9kPa、206.8kPa、275.8kPa，其他參數(shù)固定，點膠高度為2.5mm，噴嘴直徑為200μm，針頭區(qū)域溫度為35℃，移動速度為62mm/s。

表1 點膠關(guān)鍵試驗因子表

如上所述，點膠快慢、穩(wěn)定性和可操作性是評估點膠系統(tǒng)好壞的重要因素。電子封裝工藝中點膠產(chǎn)品品質(zhì)的評價沒有統(tǒng)一的標準，根據(jù)點膠技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用狀況，重點評價的是膠點的一致性和準確性。其中，準確性主要是膠水直徑大小滿足需要，膠點的位置準確。一致性主要體現(xiàn)在膠水的質(zhì)量、直徑和高度的偏差大小。優(yōu)良的膠點是大小正好，形狀是圓形。如果出現(xiàn)膠點大小偏差大、有衛(wèi)星液滴、膠點里有氣泡等都說明點膠效果不佳。該試驗在陶瓷片上點膠，通過不同參數(shù)組合點出陣列（圖5），并測量膠水直徑來評估膠量大小和點膠穩(wěn)定性。

圖5 點膠陣列樣本圖

2.2 非接觸式點膠閥的主要影響因子

膠水外接壓力是非接觸式點膠閥的一個主要影響因子。膠水外接壓力的目的是將膠桶中呈流體的膠水材料及時地補充到噴嘴區(qū)域。將膠水壓出時，膠水黏度越大，需要的壓力也越大。因此，噴射壓力影響點膠的質(zhì)量和大小。如果膠水壓力不夠，會導(dǎo)致點膠不連續(xù)或者沒有膠水。如果膠水壓力太大，又會導(dǎo)致膠點太大，膠高太高，并且很可能有多余的膠水在噴嘴周圍累積，進而導(dǎo)致噴膠方向偏離、大量衛(wèi)星液滴或不能正常工作。

開閥時間是非接觸式點膠閥的又一個影響因子。開閥時間的脈沖寬度是指氣壓作用下使閥門打開的時間長短。一般情況下，通過控制開閥時間可以有效控制膠點的尺寸，獲得一致性很好的點陣。開閥時間決定了膠水補充時間，會影響膠點的大小，且和膠點的大小成正比，見圖6、圖7膠點直徑和高度的影響因子圖。開閥時間也會影響點膠質(zhì)量，如果時間太短，會出現(xiàn)膠水累積在噴嘴表面，影響點膠的效果。

圖6 膠點直徑影響因子圖

圖7 膠點高度影響因子圖

2.3 產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

收集產(chǎn)品點膠高度關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行對比，使用非接觸式點膠閥方案的產(chǎn)品，并用優(yōu)化后的參數(shù)和點膠方案，點膠在陶瓷片上測試膠點的直徑和膠高，結(jié)果表明穩(wěn)定性和一致性均明顯改善，產(chǎn)品點膠保護的良率明顯提高。統(tǒng)計過程控制（SPC）作為一種過程控制工具，應(yīng)用于點膠工藝的高度控制，則以數(shù)據(jù)形式直接反應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)時點膠高度的質(zhì)量控制，及時糾正點膠中的問題，使點膠工藝時刻處在可控狀態(tài)。在生產(chǎn)中，表示點膠工藝水平滿足要求的程度，計算公式如下。=（-）/6（為公差上限，為公差下限，σ為標準差）。首先，通過產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化，使規(guī)范-盡量大。其次，通過工藝條件和設(shè)備治具的改善，使點膠尺寸的分散盡量小，減小標準偏差。最后，通過試驗數(shù)據(jù)調(diào)整工藝條件，可以將點膠大小的均值偏離盡可能小。

通過奧林巴斯高倍顯微鏡測量后收集點膠尺寸高度的數(shù)據(jù)，非接觸式點膠閥方案的點膠高度為4.99，傳統(tǒng)接觸式點膠閥方案的點膠高度為1.08。產(chǎn)品批量生產(chǎn)良率大幅改善，帶來了很好的經(jīng)濟效益。每天產(chǎn)線作業(yè)員開機后都需要將測試數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)，系統(tǒng)自動生成相應(yīng)圖表，一旦系統(tǒng)報警或異常，就會通知質(zhì)量工程師和工藝工程師及時對產(chǎn)線產(chǎn)品進行處理。

3 結(jié)論

該文分析了接觸式和非接觸式兩種不同的點膠方式，闡述了各自的優(yōu)缺點。1） 使用接觸式點膠方案評估真空治具和非真空治具，驗證接觸式點膠方案改善點膠控制能力的方法是使用真空平臺。2） 接觸式針頭點膠與非接觸式噴射點膠進行了對比，驗證非接觸式點膠閥點膠性能方面更具有優(yōu)勢，并分析了在噴射點膠過程中主要影響因子所起的作用，生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)顯示非接觸式點膠閥明顯改善膠水點的均勻性和一致性。

將來產(chǎn)品封裝的密度會越來越高，傳統(tǒng)的接觸式針頭點膠已經(jīng)不能完全滿足新產(chǎn)品功能和效率的要求，噴射點膠等非接觸式點膠技術(shù)將更能滿足產(chǎn)品新的發(fā)展趨勢，相信會有更加寬廣的前景。