芯片贴装 (die placement)
芯片贴装容易实施,因为设备对工厂人员都很熟悉。设备具有 C4 倒装芯片贴装头,只用于 IC 的贴装。贴装头有四个贴装转轴 (spindle) ,维持 X-Y 贴装精度为± 200 µ m 和最大贴装力为 2500g 。芯片以盘带包装,用黑色叠尔林 (Delrin) 吸嘴来吸取组件。
通常,贴装压力应该为每个 I/O 6~ 12g 。在这种情况下, 100 I/O 要求 600~ 1200g 之间的压力。过大贴装压力有一个缺点,尽管贴装头 / 视觉系统扫描后已经作了纠正,贴装压力可能产生组件偏移。还有,如果托盘的刚性不够,或者板的支撑不正确,贴装时板可能会向下弯曲。
组件的视觉识别路线设定是,沿芯片周围识别 48 个锡球 (bump) ,和中间附近一个定向锡球。锡球的数量经过优化达到最高的贴装精度和最大的机器产量。增加锡球数量大大地延长处理时间,而贴装精度保持不变。
一个分辨率为每个象素 1.3mil 的相机用来抓拍芯片的图像。通过二级光强度的侧光,得到足够的对比度。贴装单元也配备一个每个象素 0.5mil 的可选相机,但要求抓拍两个芯片图像。
用三个全局基准点来决定 PCB 和贴装座的位置。基准点应该是金属作的,以保证锡球的贴放是相对于倒装芯片的焊盘,而不是阻焊层。
贴装之后、回流之前板的所有运动和传送必须平滑,不能影响组件的定位。如果组件的移位元是来自贴装单元,那么机器传送带、升起定位和 Z- 轴的加速度和速度的设定可能需要降低。在高速运作期间,也必须使用适当的板支撑,以减少 PCB 挠曲。挠曲或反回可能引起前面贴装的芯片移出焊盘,特别是如果在表面贴装之前数组 (array) 翘曲。
回流 (Reflow)
在贴装工艺之后,装配通过一个空气对流炉,来回流共晶焊锡球,形成电气连接。炉设定按标准的表面贴装温度曲线。氮气流速提供良好的热传导,限制氧气污染。炉的进口处过大的氮气流速可能引起芯片偏移出焊盘,因此引发缺陷。如果这个偏移变成一个长期的问题,可增加分流板来防止气流直接冲击芯片。开始的温度斜率不应该超过每秒 1.5~ 2.0 ° C 。高的预热速率迅速蒸发助焊剂,引起回流焊接之前芯片偏移,甚至翻转。
每个产品都必须作温度曲线,以保证满足适当的回流条件。在生产线预防性维护或板有任何改动之后,应该再作温度曲线。表面上不重要的修改,如改变地线层的尺寸或位置,可影响热传递速率和倒装芯片的回流。氮气流速使用安装在炉前的流量计来监测。氧气水平可用也是安装在炉前的探测器来检查。
先进先出 (FIFO, first-in, first-out) 的缓冲器应该安装在回流炉的立即出口,在底部充胶单元之前。这个预防措施将收在集流水线关闭期间正在回流炉内的任何电路板。
底部充胶 (Underfill)
底部充胶对倒装芯片装配的长期可靠性是必须的。胶减少焊接点的应力,将应力均匀地分散在倒装芯片的接口上。每个充胶系统的可靠性可能差别很大,决定于倒装芯片装配的结构;因素包括离板间隙 (standoff) 高度、芯片钝化、阻焊剂供货商和 PCB 材料。所希望的制造特性包括快速的流动速率、快速固化、长的储存稳定性和容易使用到倒装芯片座。为了达到成功,充胶的附着、颗粒尺寸分布和填充量必须修整,以满足制造和可靠性要求。
多数充胶材料是基于环氧树脂的系统,充入 50~70% 重量的硅来协调稳定膨胀系数 (CTE, coefficient of thermal expansion) 。所有元素预先混合包装在注射器内,适于所希望的速率和材料储存寿命。注射器大小应该限制操作员的干涉时间为每四到八个小时,因此减少停线期间的材料浪费,但又不太影响产量。
充胶材料储存在 -40 ° C 的冷冻机内,在装上滴胶机之前,解冻至少 30 分钟。解冻到一个稳定的稳定状态,防止不利的粘度变化,它会引起充胶量的变化。充胶的制造储存寿命应该至少四小时。在这个时间内,滴胶机应该展示连续的胶流、无针嘴滴漏 (dripping/drool) 和良好的滴胶点尾的断开。超过材料储存寿命可能造成充胶不完整和低劣的附着。
用旋转式胶泵将胶填充到基板。这个阀是坚固的,易于清洁,并可在胶剂寿命内滴出连续一致的胶量。基板温度是不受控制的,其变化决定于经过回流炉之后所持续的时间。胶剂是以充胶到芯片所有四条边的形式滴注的。这种形式提供良好的圆角成型,并且比曾经评估过的单线或 L 形滴胶更快速。
在滴胶之前,用设备的视觉程序来定位 IC 的每条边,减少滴胶嘴由于移位元的芯片而被弯曲的机会。损坏的滴胶嘴将不会正确地滴胶,在发觉之前可能引起无数的缺陷。柔性的滴胶嘴是个可接受的替代者,如果视觉要求反过来影响设备的产量。柔性的滴胶嘴在受冲击时会弯曲,但是如果滴胶嘴变形,滴胶精度可能受影响。
芯片周围 1~ 2mm 的组件非入区是所希望的,但并不一定总是可行的,因为设计的局限。在本文所述的情况中,有热封装配、一个开关和几个离散组件处在非入区的里面或附近。滴在或流入热封组件和开关区域的胶可能毁坏整个 PCB 。密封的离散组件不会负面影响射频性能,但将抑制芯片下的胶流。这些组件也将在固化后永久地绑接在位置上,可能使得竖立的电容无法修理。 12~16mg 的底部充胶提供必要的覆盖并限制污染。